6.4.4. Методы обработки сигналов антенных решеток при пространственном анализе в пассивных гидролокационных системах

В пассивных гидролокационных системах широко используются антенные решетки и пространственная обработка сигналов. Ввиду того что системы, обеспечивающие высокое разрешение, должны иметь многоэлементные антенные решетки и работать в реальном времени, особую важность приобретает эффективная, высокоскоростная обработка. В пассивных гидролокационных системах отношение сигнал/шум зачастую невелико, поэтому для обнаружения представляющих интерес узкополосных направленных сигналов необходимо обеспечить высокое разрешение как во временной, так и в пространственной областях. Требование высокого разрешения означает, что должно осуществляться сканирование по большому числу направлений и частотных полос, и именно средства обработки сигналов будут определять возможность обработки в реальном времени.

В пассивной гидролокации применяется ряд систем обработки сигналов антенных решеток. В разд. 6.4.2 уже были введены понятия формирования диаграммы направленности и взвешивания сигналов элементов решетки с целью управления положением основного лепестка диаграммы и ее формой. Такой подход приводит к простой реализации устройства формирования диаграммы направленности решетки, обеспечивающего задерживание и суммирование со взвешиванием выходных сигналов -преобразователей антенной решетки. При попытке сформировать диаграмму с несколькими лепестками возникают существенные трудности, так как требуемое число элементов задержки может стать слишком

большим. Эти трудности стимулировали применение сдвиговых регистров, а также формирователей диаграмм с клиппированием сигналов, широко известных как системы с цифровым управлением многолучевой диаграммой направленности DIMUS. За последние годы важное для пассивной гидролокации значение приобрели исследования по адаптивному формированию диаграммы. К адаптивным относятся различные системы, начиная со сравнительно простых, в которых осуществляется элементарное управление положением нуля, и кончая полностью адаптивными системами, обеспечивающими нахождение оценки коэффициентов пространственной корреляции окружающей акустической среды и использующими эту информацию для выполнения оптимальной обработки того или иного вида.

Прежде чем перейти к рассмотрению устройств обработки сигналов антенных решеток, целесообразно выделить два вида обработки. Обработка первого вида заключается в простом управлении положением главного лепестка диаграммы направленности и предназначена для пространственной фильтрации сигналов типа плоских волн, приходящих с заданного направления. Обработка этого вида называется формированием диаграммы направленности и может быть адаптивной. Обработка второго вида связана с нахождением оценки интенсивности излучения окружающей акустической среды как функции частоты и волнового вектора (или пеленга). По своему характеру обработка этого вида сводится к задаче оценивания параметров; во многих отношениях она близка к задаче нахождения оценки спектра.

Несколько систем, предназначенных для прямого формирования диаграммы направленности с использованием операций, задаваемых формулой (6.27), изображено на рис. 6.35. Сигналы от всех элементов задерживаются (или сдвигаются по фазе), взвешиваются и суммируются. Вообще весовые коэффициенты не зависят от частоты, поэтому такие системы, как правило, являются широкополосными. Взвешивание выполняется с таким расчетом, чтобы получить нужную диаграмму направленности, например, как в схеме, изображенной на рис. 6.35, б, где реализуется компромиссный вариант, учитывающий требования, предъявляемые к ширине диаграммы направленности, уровню ее боковых лепестков и положению нулей. Задержки могут вводиться либо путем механической перестройки антенной решетки в соответствии с выбранным направлением, либо посредством электрического управления с помощью схем задержки или фазосдвигателей. Схемы с электрически управляемой задержкой могут строиться несколькими способами. Можно использовать линию задержки. Изменять величину задержки со скоростью, согласованной с темпом сканирования по пеленгу, затруднительно, поэтому разработано много специальных переключающих схем для соединения выходов антенной решетки с узлами суммирования взвешенных сигналов.

Эти переключения могут осуществляться механически или электрически. Можно также использовать систему с предварительна сформированными диаграммами, в которой одновременно формируется несколько диаграмм направленности, причем для каждой диаграммы, соответствующей определенному направлению, используется отдельный узел суммирования. Посредством наложения диаграмм и интерполяции можно перекрыть (т. е. просмотреть) весь сектор пеленга достаточным числом диаграмм. При другом способе построения системы, основанном на обработке в частотной области, производится преобразование последовательных секций сигналов, принятых элементами решетки, в частотную область (возможно, посредством многомерного БПФ) с последующим суммированием сигналов на каждой частоте с соответствующими фазовыми сдвигами и весовыми коэффициентами. После этого может быть выполнено обратное преобразование, хотя часто и всю дальнейшую обработку целесообразно производить в; частотной области. В последнее время разработано несколько систем обработки сигналов антенной решетки, в которых может быть реализован именно такой способ формирования диаграммы направленности [99, 100]. На рис. 6.35, в показано несколько подобных систем, формирующих диаграмму направленности.

Наиболее широко распространенными системами электрического управления диаграммой направленности антенн являются системы с цифровым управлением многолучевой диаграммой направленности [101—103]. В системе этого типа линия задержки с отводами подключается к каждому элементу антенной решетки,

(кликните для просмотра скана)

так что задержка, необходимая для любого выбранного направления, может быть получена путем выбора соответствующего отвода. Операция управления заключается в подключении к нужному отводу. Поскольку один и тот же отвод может быть использован неоднократно, появляется возможность сформировать диаграмму с необходимым числом лучей и обеспечить электрическое управление ими. Кроме того, при формировании выходного сигнала антенной решетки у одной и той же линии задержки можно использовать сразу несколько отводов, что позволяет получить частотно-селективную решетку; правда, при прямом формировании диаграммы этот способ, как правило, не используется. При построении систем основное внимание уделяется двум вопросам: конструкции линии задержки и схемам для подключения отводов. Линии задержки часто строились на базе систем с временным сжатием на линии задержки, описанных в разд., 6.3.4. При этом используется жесткое ограничение сигналов, и при выполнении операций, обеспечивающих формирование диаграммы направленности, учитываются лишь знаки выходных сигналов антенной, решетки. Проигрыш по сравнению с линейной системой формирования диаграммы зависит от акустических свойств окружающей среды. В присутствии пространственно-белого фонового шума он не превышает 2 дБ, что вполне допустимо, если учесть те возможности, которые при этом предоставляются с точки зрения формирования диаграмм. Правда, сильная направленная помеха приводит к намного большему проигрышу, вплоть до возможного «захвата» диаграммы. Для обеспечения задержек сигналов в настоящее время используются недорогие синхронно-тактируемые сдвиговые регистры. Обычно работа таких систем основана на жестком ограничении сигнала, но и построение многоуровневых систем становится все более реальным. Жесткое ограничение снимает проблемы, связанные с обеспечением динамического диапазона и необходимостью выравнивания уровней откликов преобразователей антенной решетки. Последнее имеет особенно важное значение для систем с подвижными платформами типа подводных лодок. Схемы подключения отводов в системах с многолучевой диаграммой могут быть очень сложными, поэтому следует стремиться к эффективной организации запоминающего устройства (т. е. сдвиговых регистров). Одна из систем с цифровым управлением многолучевой диаграммой направленности, в которой для формирования этой диаграммы используется простая антенная решетка изображена на рис. 6.36. Общее число схем подключения может быть весьма значительным. Например, если используются входных гидрофонов и формируются 10 диаграмм, то потребуется по крайней мере 120 отдельных схем подключения. На существующей элементной базе построены системы с 256-элементными решетками и 80-лучевыми диаграммами [104]. Весьма часто цилиндрические и сферические антенные решетки изготавливаются:

Рис. 6.36. (см. скан) Система с цифровым управлением многолучевой диаграммой направленности.

таким образом, что используются только элементы и соответствующие им линии задержки, которые расположены на той стороне, куда направляется лепесток диаграммы. Системы с цифровым управлением многолучевой диаграммой направленности и подобные им находят широкое применение. Нетрудно понять, что обработка сигналов в таких системах в принципе может быть выполнена только цифровыми средствами.

В адаптивных системах предусматривается возможность управления весовыми коэффициентами с целью минимизации влияния мешающего шума. Сущность адаптивной обработки сигналов антенной решетки выражена соотношением (6.29). При такой обработке задача сводится к тому, чтобы минимизировать степень лерекрытия диаграммы направленности (или волнового векторноного отклика) антенной решетки с волновой векторной функцией акустического шума окружающей среды. При минимизации должны быть учтены ограничения, обусловленные геометрией антенной решетки и ориентацией диаграммы направленности. При некоторых особенностях окружающей среды, например в случае наличия направленных источников мешающего шума, адаптивная обработка сигналов антенной решетки может иметь определенные преимущества и значительно улучшить характеристики системы.

Хотя структуры с адаптивным формированием диаграммы направленности весьма разнообразны, условно их можно разделить

на три группы. К первой относятся системы, адаптируемые оператором, который имеет возможность в процессе работы управлять весовыми коэффициентами, ориентируясь на свое восприятие шумового поля окружающей среды. Управление непосредственно весовыми коэффициентами недостаточно эффективно, поэтому чаще всего в системах рассматриваемого типа используется некоторый управляемый параметр, в частности положение совокупности нулей диаграммы. Системы второй группы состоят из двух последовательно соединенных подсистем, одна из которых предназначена для нахождения оценок структуры шумов окружающей среды, например, посредством измерения входящей в формулу (6.28) спектральной ковариации сигналов в местах расположения элементов антенной решетки, а во второй выполняется алгоритм оптимального формирования диаграммы направленности. Системы этой группы являются системами без обратной связи, так как результат формирования не поступает через цепь обратной связи на схему управления формированием диаграммы. Кроме того, существуют и адаптивные системы с обратной связью. В этих системах выполняется один из вариантов стохастического градиентного алгоритма, назначение которого — итеративная оптимизация некоторой количественной характеристики формирования диаграммы (например, минимизация средней квадратической ошибки или мощности шума на выходе системы) с соблюдением ограничений, накладываемых геометрией антенной решетки и ориентацией решетки относительно цели. В случае итеративной оптимизации используется характеристика устройства формирования диаграммы направленности для адаптивного управления весовыми коэффициентами антенной решетки в соответствии с применяемым стохастическим градиентным алгоритмом.

При описании оптимальных устройств формирования диаграмм и адаптивных антенных решеток часто путают две операции, которые следует различать: операцию формирования диаграммы направленности и операцию нахождения оценки волновой векторной функции интенсивности при заданном пеленге. В ходе выполнения операции формирования диаграммы необходимо получить диаграмму, ориентированную в нужном направлении и минимизирующую влияние источников мешающего шума. На выходе устройства формирования диаграммы образуется колебание, последующая обработка которого, как правило, заключается в проведении спектрального анализа того или иного вида. С точки зрения выполнения операций важно различать узкополосные и широкополосные системы. При выполнении операции нахождения оценки волновой векторной функции задача сводится к измерению интенсивности акустического фона окружающей среды как функции частоты или волнового вектора (т. е. направления). Сигнал на выходе устройства оценивания является функцией именно этих параметров, а не форм колебания.

В адаптивных системах, управляемых оператором, делается попытка улучшить или оптимизировать характеристику устройства формирования диаграммы на основе совокупности параметров, причем обычно используются положение и интенсивность направленных источников мешающего шума. В качестве примера систем с адаптивными антенными решетками на рис. 6.37 представлена цифровая адаптивная система подавления помех DICANNE [105,. 106]. В этой системе оператор ориентирует диаграмму в направлении источника мешающего шума. Затем выходной сигнал устройства сформирования диаграммы используется для вычитания оценки мешающей помехи из выходных сигналов всех элементов антенной решетки. Последующая операция — обычное формирование диаграммы, ориентированной на цель. Пр и наличии нескольких направленных источников помех система работает совершенно аналогично. Структура такой системы является оптимальной с точки зрения обработки сигналов антенной решетки в присутствии направленных помех [78]. Наибольшую трудность представляют нахождение оценок положения и интенсивности источников помех, а также создание требуемого числа схем задержки, которое оказывается очень большим. Предложен ряд алгоритмов с обратной связью для автоматического получения оценки положения источника и его сопровождения, позволяющих оператору обеспечивать непрерывное слежение за параметрами источника. Трудности с реализацией задержек сигналов привели к созданию систем, в которых используется жесткое ограничение; эти системы строятся на основе устройств с временным сжатием на линии задержки или сдвиговых регистров. В большинстве случаев такие устройства формирования диаграммы оказываются широкополосными, и их выходные сигналы подвергаются спектральному анализу.

Системы с адаптивными антенными решетками без обратной связи могут быть использованы как для формирования оптимальных диаграмм, так и для нахождения оценок волновой векторной функции. В этих системах сначала измеряются статистические моменты второго порядка акустического поля окружающей среды (чаще всего матрица спектральной ковариации элементов антенной решетки), а затем найденные оценки используются для управления устройствами формирования диаграммы и измерителем. Обычно эти системы работают в частотной области, для чего выполняется фурье-преобразование отдельных групп входных данных, причем чаще всего для этого используются алгоритмы параллельного вычисления БПФ, и, следовательно, можно считать, что системы рассматриваемого типа состоят из набора параллельных узкополосных устройств обработки.

Наиболее широко при обработке сигналов адаптивной антенной решетки без обратной связи используются устройство формирования диаграммы направленности, обеспечивающее

(кликните для просмотра скана)

несмещенные, т. е. неискаженные оценки с минимальной дисперсией, а также пространственный вариант метода максимального правдоподобия для получения оценки волновой векторной функции [107 — 111]. Задача оптимизации при такой обработке формулируется следующим образом: найти оптимальный набор весовых коэффициентов, минимизирующий дисперсию на выходе устройства линейного формирования диаграммы с единичным (т. е. неискаженным) откликом в направлении на цель, т. е.

где

Решение этой задачи записывается следующим образом:

Видно, что в оптимальном устройстве формирования диаграммы для управления используются только матрица спектральной ковариации и управляемый вектор и что дисперсия на выходе совпадает с выражением для оценки волновой векторной функции, найденным методом максимального правдоподобия. Соответствующая блок-схема обработки приведена на рис. 6.38. Она включает следующие три составные части:

1) накопление матрицы спектральной ковариацин;

2) формирование диаграммы с использованием найденной оценки матрицы;

3) использование метода максимального правдоподобия для нахождения оценки частотной волновой векторной функции акустического поля окружающей среды.

Для оценки волновой векторной функции было предложено еще несколько алгоритмов. Если элементы антенной решетки имеют равномерное пространственное распределение, как это часто имеет место, то можно использовать пространственный аналог метода максимальной энтропии. Проводятся интенсивные исследования с целью обобщения этого метода на случай линейных решеток с неравномерным расположением элементов, а также на случай решеток с элементами, распределенными в пространстве по двум или трем координатам. Можно использовать метод разложения матрицы спектральной ковариации на собственные значения - собственные векторы [112]. Этот метод эквивалентен факторному

Рис. 6.38. (см. скан) Применение адаптивных методов обработки сигналов антенной решетки для нахождения оценки частотной волновой векторной функции.

или компонентному, анализу, используемому в некоторых других областях знаний.

Следует учитывать, что все эти алгоритмы имеют недостатки: при неблагоприятных условиях их эффективность может резко ухудшиться. Для того чтобы достичь предельных значений коэффициента усиления антенной решетки, которые определяются алгоритмом и особенностями акустики окружающей среды, необходимо располагать очень точными оценками статистических характеристик, точно знать расположение элементов антенной решетки и производить обработку, ориентированную на получение высокого разрешения. Вопросы снижения эффективности алгоритмов в реальных ситуациях рассмотрены в работе [113].

В системах с адаптивными антенными решетками и обратной связью для обеспечения оптимального взвешивания при формировании диаграмм используются методы стохастической аппроксимации, с помощью которых решается уравнение Винера — Хопфа (или эквивалентное ему уравнение). В таких системах для описания устройства линейного формирования диаграммы используется решение уравнения Винера—Хопфа (т. е. нормального уравнения), причем решается это уравнение с помощью градиентного алгоритма. Средние по ансамблю в этих уравнениях заменяются на оценки, получаемые из наблюдаемых данных, после чего

Рис. 6.39. (см. скан) Блок-схема адаптивного устройства обработки, использующего метод наименьших квадратов (из [114]).

градиентный алгоритм применяется итеративно с использованием получаемых оценок. Для лучшего понимания этих алгоритмов целесообразно представить структуру оптимального устройства формирования диаграммы в виде набора линий задержки с отводами, как показано на рис. 6.39. При таком подходе для получения оценки искомого сигнала, соответствующего, как правило, определенной ориентации главного лепестка диаграммы, выходные сигналы антенной решетки после прохождения через линии задержки с отводами собираются в специальном блоке. Полученная оценка сравнивается с моделью искомого сигнала, и ошибка оценки поступает в схему обратной связи для управления весовыми коэффициентами.

В последнее десятилетие предложено несколько алгоритмов стохастической аппроксимации для управления весовыми коэффициентами [114—119]. Первым из них был разработан алгоритм

на основе метода наименьших квадратов; он записывается следующим образом:

где — весовые коэффициенты при итерации, выходные сигналы антенной решетки при итерации, — модель искомого сигнала.

Главная отличительная особенность более ранних алгоритмов — привлечение модели искомого сигнала. В первом варианте алгоритма для имитации приема сигнала с определенного направления вводился опорный тональный сигнал; во втором алгоритме применялась модель управляющего вектора, соответствующего искомому сигналу [114, 115]. В более поздних вариантах алгоритмов использована идея задания отклика устройства формирования диаграммы в определенных направлениях, что по существу эквивалентно использованию варианта метода максимального правдоподобия на основе алгоритма стохастической аппроксимации. На рис. 6.40 дан пример адаптации диаграммы при задании ее в некоторых направлениях. Из приведенной последовательности диаграмм видно, что алгоритм адаптируется к шумовому полю путем размещения нулей диаграммы в направлении на сильные мешающие помехи; при этом отклик в направлении цели имеет единичное значение.

Отметим еще несколько интересных моментов, имеющих отношение к системам с адаптивными антенными решетками рассматриваемого типа. Скорость адаптации сильно зависит от некоторого параметра алгоритма стохастической аппроксимации. Таким параметром является глубина обратной связи по сигналу ошибки.

Сверху глубина обратной связи ограничена условиями устойчивости системы, но при работе в области устойчивости сильная обратная связь обеспечивает быструю адаптацию флуктуирующего характера, а слабая — адаптацию плавного характера. В результате приходится находить компромиссное решение, сопоставляя характеристики системы со стабильностью акустических свойств окружающей среды.

В большинстве известных систем на выходе каждого элемента антенной решетки используется лишь по одному отводу, хотя алгоритм позволяет работать с несколькими отводами и создавать частотную избирательность системы. Кроме того, необходимо различать системы, работающие либо в узкой, либо в основной полосах. При работе в узкой полосе выходные сигналы антенной решетки преобразуются поблочно, и на входы линий задержки с отводами поступают коэффициенты Фурье, соответствующие определенной полосе частот. При работе в основной полосе выходные сигналы антенной решетки демодулируются, и на входы линий задержки поступают квадратурные компоненты демодулированного сигнала.

(кликните для просмотра скана)

Для реализации рассмотренных алгоритмов обработки сигналов адаптивной антенной решетки в основном использовались универсальные мини-ЦВМ. Со стороны алгоритмов к устройствам обработки предъявляются особенно серьезные требования в отношении универсальности, хотя и объем цифровой обработки должен быть весьма большим. Тем не менее интерес к этим алгоритмам все время растет, и, как было недавно сообщено [120], они уже нашли применение в радиолокационных системах с адаптивными антенными решетками.