6.3.7. Примеры устройств обработки гидропокационных сигналов

В предыдущих разделах были рассмотрены некоторые вопросы обработки сигналов активных гидролокационных систем, относящиеся как к теории и моделям, так и к аппаратурной реализации. В данном разделе будет кратко описано несколько наиболее характерных современных систем активной гидролокации. Ввиду описательного характера материала более сложные системы не будут приведены. Ниже рассматриваются следующие три примера:

1) один из современных активных гидролокаторов военного назначения для обнаружения и сопрово/ждения целей с антенной решеткой, установленной на корпусе корабля; 2) система навигации и определения местоположения для сопровождения подводного исследовательского аппарата; 3) система связи. На этих примерах будут показаны последовательность проведения обработки сигналов и взаимосвязь между различными операциями.

Одной из основных задач активной системы обнаружения и сопровождения является определение местоположения и курса подводных лодок. При этом в зависимости от свойств окружающей среды используются самые разнообразные трассы распространения прямая, с отражением от дна, с зоной сходимости, приповерхностный канал. На рис. 6.23, а приведена блок-схема относительно недорогой и простой системы активной гидролокации типа разработанной фирмой Raytheon Сомрапу [68]. Перечислим некоторые особенности этой системы.

Обработка сигналов проводится в следующей последовательности. Во-первых, оператор (или блок управления) выбирает подходящий зондирующий сигнал, учитывая особенности окружающей среды и условия реверберации, трассы распространения сигналов до цели, а также предпочтительный режим работы системы. Затем перед подачей сигналов на преобразователи антенной решетки, установленной на корпусе судна и предназначенной для формирования диаграммы направленности, их задерживают, умножают на весовые коэффициенты и усиливают. Если система работает в режиме поиска, то главный лепесток диаграммы можно смещать (или покачивать) от посылки к посылке с тем, чтобы обеспечить сканирование по всей интересующей нас области. Излучаемая энергия поступает в акустический канал, а затем отражается от цели и возвращается обратно к антенной решетке (как и энергия,

обусловленная реверберацией). Преобразователи антенной решетки переключаются в режим приема. Выходные сигналы преобразователей поступают в предварительные усилители, пропускаются через полосовые фильтры, а затем через схемы компенсации усиления, с помощью которых учитываются условия приема сигналов. Далее, для формирования диаграммы направленности при приеме сигналы задерживаются, умножаются на весовые коэффициенты и суммируются. Этот вид обработки сигналов выполняется в блоке «Обработка при активном поиске и (или) сопровождении».

Более подробно эта часть системы представлена на рис. 6.23, б. Прежде всего выполняется операция согласованной фильтрации (т. е. корреляционный прием). Обработка производится в основной полосе частот путем квадратурной демодуляции с последующими дискретизацией и аналого-цифровым преобразованием. Операция коррелирования выполняется в функции дальности после предварительной компенсации доплеровского смещения, обусловленного движением судна; одновременно может быть учтено и доплеровское смещение, связанное с движением цели. Если система работает в режиме поиска, то выходные сигналы корреляторов возводятся в квадрат и усредняются по всей последовательности импульсов с учетом диаграммы направленности антенны. Число импульсов при усреднении зависит от стационарности окружающей водной среды. Если система работает в режиме сопровождения, выходное напряжение коррелятора максимизируется в зависимости от расстояния и доплеровского смещения и поступает на вход устройства определения параметров движения цели.

Некоторые весьма интересные применения алгоритмов обработки сигналов для решения задач сопровождения и навигации связаны с техникой, предназначенной для определения местоположения подводных платформ (или погружаемых аппаратов). Известно несколько океанографических систем, в которых используется эта техника; к ним относятся система управления положением буровых станков при бурении в море или океане, созданная в рамках программы по глубоководному бурению, а также система сопровождения аппарата «Элвин» для подводных исследований. Применяемая в них методика коренным образом отличается от методики слежения за подводными лодками противника, основанной на наблюдении за отражениями; в данном случае действия объекта наблюдения скоординированы с работой группы приемопередатчиков. В этих системах для построения линий положения сопровождаемого подвижного объекта или платформы используются группы из трех или более приемопередатчиков. Геометрические соотношения, характерные для системы слежения за положением надводного или подводного судна, в которой применяется ряд приемопередатчиков, показаны на рис. 6.24, а [69].

В этой системе используются два режима работы: импульсный и доплеровский. В импульсном режиме с платформы излучается

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Рис. 6.24. (см. скан) а — акустическая навигационная система Океанографического института в Вудс-Холле (импульсные приемопередатчики и доплеровскне маяки установлены на одних и тех же якорях); б - обработка сигналов в акустической навигационной системе Океанографического института в Вудс-Холле (взято из [69]).

всенаправленное колебание. Это колебание принимается приемопередатчиками, в каждом из которых сигнал преобразуется в сигнал с новой частотой и ретранслируется обратно на платформу. После этого каждый из преобразованных по частоте сигналов

подвергается обработке с помощью корреляционного приемника, цель которой — получить оценки времени распространения колебаний от платформы до каждого из приемопередатчиков и обратно. Эти данные используются для построения линий положения, а по существу — поверхностей положения, поскольку система работает в трехмерном пространстве. На основе полученной информации определяется истинное положение платформы относительно каждого приемопередатчика. Как и следовало ожидать, точность этой системы сильно зависит от того, с какой погрешностью определяется время распространения в прямом и обратном направлениях; поэтому необходимо обеспечить точной оценивание дальности и доплеровского смещения. Для получения этих данных используется корреляционный приемник (см. рис. 6.24, б). В некоторых системах описываемого типа достигнутая точность составляла примерно ~2-3 м, когда взаимное положение приемопередатчиков было известно с высокой точностью.

В режиме доплеровского сопровождения от каждого приемопередатчика в направлении платформы излучается монохроматический сигнал. Каждый из сигналов в системе обработки на платформе демодулируется и поступает на схему цифровой фазовой автоподстройки, где наблюдаемые значения доплеровского смещения интегрируются, что дает оценку разности фаз между сигналами платформы и приемопередатчика. Эти разности фаз далее используются для построения поверхностей положения, по которым и находится местоположение платформы. В такой системе необходимо устанавливать начальные значения разностей фаз, поэтому она используется совместно с импульсной системой. Кроме того, система может работать только при достаточно больших отношениях сигнал/шум, чтобы не было перескока фазы в схемах фазовой автоподстройки, так как в противном случае будут наблюдаться смещения линий положения. Согласно публикации [69], такие системы обеспечивают точность порядка нескольких сантиметров.

Данная система в значительной степени ориентирована на применение именно цифровой обработки сигналов. При проведении подводных исследований используются навигационные алгоритмы, реализуемые в реальном времени с помощью мини-ЦВМ, размещенной на погружаемом судне. В импульсном режиме для получения дальностных оценок используется цифровая техника; в доплеровском режиме важную роль при определении оценок разностей фаз, возникающих за счет распространения сигналов по разным трассам, играет цифровая система фазовой автоподстройкп. При работе с этой системой необходимо особенно тщательно учитывать влияние окружающей среды, поскольку помимо прямой трассы распространения возможны также трассы с отражением от водной поверхности или от дна. Все эти факторы должны учитываться в алгоритмах оценивания дальности и доплеровского смещения.

Системы подводной связи могут быть либо очень простыми, либо чрезвычайно сложными в зависимости от предъявляемых к ним требований и особенностей окружающей среды. При малых дальностях и вертикальных трассах распространения подводная связь может легко обеспечить передачу речи и данных с низкой скоростью; так, например, скорость передачи 2,5 кбит/с можно получить при мощности передатчика всего в несколько ватт. Для построения такой системы достаточно иметь усилитель-преобразователь того или иного типа, с помощью которого энергия речевых сигналов преобразуется в воде в акустическую энергию. Модуляция несущей частоты необязательна, так как в полосе частот, соответствующей голосу человека, звук распространяется очень хорошо; однако она может быть использована для формирования направленного излучения, при котором за счет более эффективной передачи появляется возможность работать с небольшими преобразователями.

Труднее всего обеспечить подводную связь при высоких скоростях передачи данных на большие расстояния. Реверберация, многолучевое распространение, а также сильное ослабление сигналов на высоких частотах в воде приводят к ограничению полосы пропускания канала связи и размытию сигналов, зависящему от расстояния. Следствием этого является ограничение скорости кодирования при передаче речи или данных в цифровых системах связи на большие расстояния.

В наиболее эффективных цифровых системах связи обычно используются модели канала с размытием сигнала, и реверберационное размытие сигнала, зависящее от дальности, определенным образом учитывается при выборе как сигналов, так и структуры приемника. Кроме того, может учитываться и доплеровское размытие сигнала, но для обычно используемых длительностей импульсов оно намного менее существенно, чем размытие за счет реверберации. На рис. 6.25 иллюстрируются некоторые наиболее важные особенности системы подводной связи, основанной на манипуляции сдвинутых по частоте сигналов. (Во многих ситуациях, когда канал обеспечивает кратковременную фазовую стабильность, с успехом может быть применена дифференциальная фазовая манипуляция.)

На рис. 6.25 иллюстрируются некоторые моменты по обработке сигналов, которые необходимо учитывать на этапе разработки систем подводной связи. При передаче часто бывает целесообразно применять перекодировку последовательности двоичных единиц сообщения в набор передаваемых сигналов. Это делается для того, чтобы ввести в передаваемые сигналы некоторую избыточность, оптимизировать их различимость и обеспечить, если требуется, нужную степень секретности.

Для большинства используемых каналов подводной связи функция рассеяния имеет малое доплеровское размытие, но большое размытие, определяемое расстоянием распространения

Рис. 6.25. (см. скан) Структура системы связи с частотной манипуляцией.

гидроакустического сигнала. Поэтому целесообразно строить набор сигналов на основе узкополосных элементов. Кроме того, при сильном размытии сигналов приходится вводить сдвиги по частоте, чтобы избавиться от присутствующей в канале реверберационной энергии. Именно сочетание функции рассеяния и набора сигналов, определяющее различимость в канале, следует оптимизировать для того, чтобы получить систему с наилучшими характеристиками. Оптимальная различимость является функцией отношения скорости передачи сигналов и пропускной способности канала. Таким образом, часто целесообразно использовать ту или иную методику адаптивного оценивания функции рассеяния канала. При приеме первичная обработка выполняется с помощью набора корреляционных приемников (или согласованных фильтров), назначение которых — получить оценки энергии, поступившей в каждый из разрешаемых дальностно-доплеровских элементов. Выходные отсчеты после разрешения поступают на входы набора линий задержки с отводами. Выходные сигналы этих линий задержки взвешиваются в соответствии с тем, как разрешается по дальностно-доплеровским элементам функция рассеяния; таким образом, опять

оказывается целесообразным обеспечить некоторое адаптивное измерение этой функции, с тем чтобы получаемое на выходе приемника распределение значений принятой энергии было оптимальным. Если характеристики многолучевого канала описаны недостаточно точно, используемые дальностно-доплеровские элементы разрешения будут неверны, что приведет, очевидно, к ухудшению характеристик системы. На конечном этапе обработки выходные отсчеты разрешенных трасс взвешиваются, и выполняется операция возведения в квадрат, что дает статистику, используемую для принятия решения о том, какое именно сообщение было передано; это означает, что сформированные одним и тем же способом выходные сигналы, соответствующие всем возможным сообщениям, сравниваются между собой для принятия оптимального решения (с точки зрения минимума вероятности ошибки).

На всех этапах обработки сигналов в такой системе широко используются цифровые методы, без которых реализация этой системы, по-видимому, была бы невозможна. Это относится ко всей системе, начиная с согласованной фильтрации, обеспечивающей выполнение первичной обработки, и кончая сложной логикой кодирования и декодирования, для которых принципиально необходима универсальность цифровых устройств.

На этом закончим рассмотрение примеров построения систем активной гидролокации. Выше были описаны структуры нескольких систем, разработанных в последнее время. Наибольшее внимание уделено принципам их действия, а не особенностям построения. Как и во многих других областях техники, возможности цифровой обработки в гидролокации использованы еще далеко не полностью. Однако сочетание универсальности, которая необходима для учета влияния водной среды, с такими преимуществами цифровой техники, как быстродействие, малые вес и потребление, а также небольшая стоимость, является залогом того, что в будущем подавляющее большинство систем будет строиться на основе цифровой техники.