6.3.2. Обработка, учитывающая особенности водной среды. Каналы с размытием и протяженные цели. Функции рассеяния

Распространение акустических сигналов в воде сопровождается высоким уровнем реверберации, ярко выраженной многолучевостью и доплеровским размытием. Физические основы этих явлений уже были рассмотрены выше. Однако для целей обработки важно уметь их моделировать.

В данном случае нас интересует возможность моделирования явлений двух типов (явления третьего типа, имеющие отношение к обработке сигналов антенной решетки, будут рассмотрены в разд. 6.4). Явления первого типа связаны с многолучевостью и наличием ложных целей, распределенных по дальности; они называются размытием по дальности. В результате после излучения короткого импульса на приемник поступает сигнал в течение некоторого времени. Причиной может быть то, что звук в воде от цели или отражателей вблизи нее распространяется по разным трассам. Явления второго типа связаны с размытием по дальности и обусловлены отражением звука от движущихся целей или распространением его через движущуюся среду. Эти явления называются доплеровским размытием, так как после излучения гармонического сигнала принятая энергия оказывается распределенной в некотором диапазоне частот.

Основной способ описания акустических каналов с размытием заключается в моделировании их с помощью фильтра, параметры которого изменяются во времени случайным образом. Элемент случайности вводится потому, что редко имеются достаточно подробные сведения об акустических свойствах окружающей среды и относительной геометрии передатчика, канала, цели и приемника, чтобы можно было использовать детерминированное описание. В результате при моделировании каналов или целей приходится вводить элемент случайности и пытаться описать средние характеристики размытия. Для этого обычно используется функция рассеяния или, например, двухчастотная корреляционная функция [41, 44-47]. Функция рассеяния характеризует статистическое распределение энергии после излучения импульса по дальности и доплеровскому смещению, а двухчастотная корреляционная функция — коэффициент корреляции между компонентами на смежных частотах при условии, что излучается гармонический сигнал.

Модель канала или цели, в которой учитывается размытие сигнала, описывается выражением

где — излучаемый сигнал, — энергия излучаемого сигнала (по-прежнему целесообразно проводить нормирование по энергии

сигнала), принятый сигнал, случайная и изменяющаяся во времени импульсная характеристика канала. (Отметим, что как Т, так и X соответствуют переменным дальность — задержка.) Предположение о линейности, как правило, оказывается справедливым, так как давление акустической волны сигнала мало по сравнению со статическим давлением со стороны среды. Длительность импульсной характеристики канала определяется многолучевой структурой океана и тем, в какой мере эта структура используется гидролокационной системой; временные вариации учитывают наличие любых доплеровских эффектов, возникающих в процессе распространения и отражения акустических сигналов. Вследствие неопределенности предсказания задание импульсной характеристики является весьма сложной задачей; поэтому эта характеристика рассматривается как случайный процесс и описывается первым и вторым моментами. (Отметим, что поскольку характеристика представляется гауссовским случайным процессом, то описание ее с помощью моментов является полным.) Первый момент, т. е. среднее, как правило, равен нулю вследствие фазовой неопределенности. Второй момент, называемый функцией ковариации, содержит важную информацию, относящуюся к статистической природе канала; обычно для описания второго момента используется функция рассеяния,

Метод описания случайных каналов и среды распространения, основанный на использовании функции рассеяния, применялся многими исследователями в различных областях техники [44— 50, 41, 51—53]. Тем не менее, несмотря на существенные различия описываемых сред, в целом используемые при этом предположения имеют много общего (наиболее общий подход описан в работе [47]). К числу наиболее важных относятся предположения о стационарности и некоррелированности рассеяния. Предположение о стационарности означает, что рассеяние (или отражение) в дальностном интервале представляет собой стационарный случайный процесс (в частности, он может быть постоянным, если в канале не создается доплеровского размытия). Предположение о некоррелированности означает, что рассеяние (или отражение) некоррелировано по дальности. Используя оба эти предположения, запишем следующее выражение для ковариации реверберационного сигнала:

где — ковариация рассеяния как функция задержки распространения X, К — ковариация наблюдаемой реверберации или рассеяния. В общем случае удобнее пользоваться энергетическим спектром отраженных сигналов как функцией расстояния (запаздывания);

в этом случае функция рассеяния записывается в виде

Физический смысл этой функции заключается в следующем: она дает статистическое описание перераспределения энергии по дальности и доплеровскому смещению.

Рис. 6.15. Функция рассеяния моря, типичная для летних условий и глубины» 0,6-1,2 м (из [53]).

Если выполнить преобразование Фурье по запаздыванию, то будет получена двухчастотная корреляционная функция

Она описывает корреляцию сигналов после рассеяния как функцию частоты.

Акустический канал создает в основном размытие по дальности, хотя может быть существенным и размытие по доплеровскому смещению, обусловленное водной поверхностью и движущимися целями. Существует сильная связь между методом использования канала и типом трасс распространения акустических волн. В последние годы было проведено много экспериментов с целью измерения функций рассеяния акустических сигналов. Некоторые результаты, относящиеся к сравнительно небольшим дальностям при однолучевом распространении акустических волн, в качестве иллюстрации представлены на рис. 6.15. При использовании моделей функции рассеяния для проектирования системы обработки сигналов активного гидролокатора следует учитывать несколько важных моментов. Необходимо, чтобы и модель рассеяния мешающего реверберационного шума, и модель отражения от цели

были описаны достаточно строго. Кроме того, проектирование гидролокационных систем, предназначенных для обнаружения целей, измерения дальностей до них и доплеровского смещения, а также систем связи требует в каждом случае особого подхода. На рис. 6.16 представлены алгоритмы обработки сигналов для перечисленных выше случаев, учитывающие модели среды.

Если для обнаружения медленно перемещающейся цели в присутствии реверберационного шума используется коррелятор или согласованный фильтр, представляющий собой, как правило, подоптимальное устройство, то отношение сигнал/шум описывается формулой

где - функция реверберационного рассеяния, — уровень белого фонового шума, — излученная энергия, - ЭПР цели и — функция неопределенности зондирующего сигнала. Из этой формулы можно сделать несколько выводов относительно методики синтеза эффективных сигналов и характеристик гидролокационных систем, работающих в водной среде с реверберацией. Прежде всего можно выделить два случая. Если значение интеграла в знаменателе намного меньше единицы, то считают, что Э этом случае возможности системы ограничены фоновым (или белым) шумом. С физической точки зрения это означает, что реверберация не оказывает существенного влияния на процесс обнаружения, для которого решающую роль играет принимаемая энергия. Если же этот интеграл значительно превышает единицу, то возможности системы ограничиваются реверберацией. В последнем случае увеличение излучаемой энергии приведет просто к росту и сигнала, отраженного от цели, и реверберационного шума, так что не будет достигнуто никакого улучшения отношения сигнал/шум. Для улучшения характеристик системы в этом случае может быть использована только методика синтеза эффективных сигналов, что является вторым важным выводом. Характеристики системы определяются тем, как перекрываются функция неопределенности, смещенная в соответствии с дальностью и доплеровским смещением цели, и функция рассеяния. Методика синтеза эффективного сигнала как раз и ориентирована на минимизацию перекрытия. Для этого сигнал подбирается таким образом, чтобы его функция неопределенности была очень узкой либо вдоль дальностной оси, что соответствует стробированию по дальности, либо вдоль доплеровской оси, что обеспечивает стробированне по доплеровскому смещению (рис. 6.17). Легко убедиться в том, что при работе в среде с реверберацией использование

(кликните для просмотра скана)

Рис. 6.17. (см. скан) а — перекрытие функции рассеяния с функциями неопределенности монохроматического и ЛЧМ-импульсов при реверберации, распределенной по дальности: б - ухудшение характеристик для случая, соответствующего а, в зависимости от отношения полос сигнала и шума реверберации эффективная реверберация, отнесенная к мощности сигнала.

частотно-модулированных сигналов имеет определенные преимущества. Так, на рис. 6.17, а сопоставлены области перекрытия для монохроматического импульса и ЛЧМ-импульса одинаковой длительности. Для ЛЧМ-импульса уменьшение перекрытия примерно пропорционально базе ЛЧМ-импульса Ухудшение характеристик за счет реверберации в зависимости от отношения полос ЛЧМ-импульса и шума реверберации показано на рис. 6.17, б. За счет большой девиации ЛЧМ-импульса влияние реверберации

можно свести к минимуму. Однако частотно-модулированные сигналы не всегда имеют преимущества. Действительно, если между эхо-сигналом от цели и реверберационным сигналом имеется доплеровское смещение, целесообразно, чтобы функция неопределенности была узкой вдоль доплеровской оси, как это имеет место для сигналов без частотной модуляции. Более подробно задача оптимизации сигнала рассмотрена в [41].

При обнаружении распределенных целей, а также в системах подводной акустической связи требуется несколько более сложная обработка, чем простой корреляционный прием, используемый применительно к точечным целям. В этих случаях приемник, близкий к оптимальному, включает корреляционные приемники для каждого из разрешаемых элементов дальность — доплеровское смещение. Общий выходной сигнал представляет собой сумму выходных сигналов всех корреляционных приемников. Разрешающую способность и число разрешаемых элементов можно найти, используя функцию рассеяния и двухчастотную корреляционную функцию зондирующего колебания. Коэффициент корреляции между выходными сигналами двух согласованных фильтров (т. е. корреляторов), соответствующих координатам на плоскости дальность — доплеровское смещение, описывается выражением

Структура приемника, выполнящего обработку, соответствующую этому выражению и учитывающую влияние водной среды, представлена на рис. 6.16, б. Здесь проводится элементарное некогерентное сложение выходных сигналов фильтров всех разрешаемых дальностно-доплеровских элементов, взвешенных с учетом интенсивностей рассеяния в этих элементах. Затем для принятия окончательного решения выполняется пороговый анализ.

Как в системах обнаружения протяженных целей, так и в системах подводной акустической связи для описания влияния цели и среды распространения на акустический сигнал приходится учитывать все возможные трассы распространения. Различие между системами этих двух типов проявляется в основном в способах использования канала и выявления трасс распространения. В системах обнаружения излучается один и тот же сигнал, а задача сводится к выявлению только тех разрешаемых элементов (корреляционных приемников), сигнал которых обусловлен энергией, отраженной от цели. В системах связи излучаются различные сигналы, соответствующие разным сообщениям и отличающиеся, как правило, частотами, а задача сводится к выявлению всех трасс распространения сигнала.

Нетрудно убедиться в том, что, выбрав подходящие сигналы, можно существенно улучшить характеристики систем обнаружения и связи. Для систем обнаружения в общем случае наиболее подходящими оказываются сигналы, обеспечивающие разрешение целей по максимальному числу отличительных признаков. Несколько сложнее обстоит дело с системами связи, для которых задача синтеза наилучших сигналов сводится к обеспечению оптимальной различимости в канале. Это означает, что при заданной излучаемой энергии существует оптимальное число разрешаемых трасс (детально вопросы оптимальной различимости рассмотрены в работах [41, 48]). Количественный анализ характеристик систем и вычисление отношения сигнал/шум или вероятностей ошибок могут быть весьма трудными задачами. Для большинства систем они сводятся к анализу -распределений, для которых определяющую роль играет число степеней свободы; кроме того, детально разработаны и другие более сложные методы [41, 48].

Прежде чем перейти к особенностям обработки последовательностей импульсов, описываемой в разд. 6.3.3, рассмотрим обработку сигналов с учетом окружающей среды в системах измерения дальности до цели и доплеровского смещения сигнала от цели. Задачи измерения и обнаружения имеют много общего. Пытаясь определить координаты цели, оператор, как правило, проводит поиск по всей дальностно-доплеровской плоскости. Задача сводится к выявлению отражений от цели с использованием любых отличительных признаков, связанных с отражениями. После этого решается задача разделения сигнала, отраженного от цели, и реверберационного сигнала, с тем чтобы можно было определить дальностно-доплеровские координаты и ЭПР цели. Для выделения отличительных признаков цели необходимо использовать сигналы, обеспечивающие высокую разрешающую способность. К сожалению, в случае протяженных целей решение

Таблица 6.2. (см. скан) Классификация моделей цели Сверлинга для случая совместной обработки последовательности импульсов

перечисленных задач значительно сложнее, так как для них неприменимы методы анализа сигналов от медленно движущихся точечных целей, основанные на использовании границ Рао - Крамера и функции неопределенности сигналов.

В заключение подчеркнем, что акустическая среда действительно накладывает ряд существенных ограничений на решение задач гидроакустики. В большинстве случаев ее влияние оказывается весьма сложным и к тому же заметно изменяется во времени, поэтому необходимо, чтобы устройства обработки с учетом влияния среды были как можно более универсальными. Уже сейчас для обеспечения этой универсальности все более широко используются цифровые устройства обработки сигналов.