Глава 6. ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ГИДРОЛОКАЦИИ

А. Б. Бэггероуер

6.1. Введение

Во всех современных гидролокационных системах обработка сигналов относится к числу наиболее важных операций. В сочетании с операциями, выполняемыми акустическим преобразователем, она дает возможность получить информацию об окружающем пространстве в океане. Чтобы убедиться в этом, достаточно проследить за развитием гидролокационных систем. В первых системах использовались простые фильтры и антенные решетки. Вскоре выяснилось следующее: для того, чтобы понимать, что именно наблюдается с помощью гидролокатора, необходимо намного лучше знать свойства водной среды и особенности распространения в ней акустических сигналов. После того как было оценено влияние водной среды на распространение акустических сигналов, стала возможной разработка методов анализа сигналов акустических преобразователей. Наблюдается непрерывный прогресс в развитии гидролокационных систем: улучшение характеристик устройств обработки требует более глубокого понимания особенностей распространения акустических волн в водной среде, а усовершенствование акустических моделей стимулирует разработку более сложных методов обработки сигналов.

После того как были созданы акустические модели и соответствующие устройства обработки сигналов, сразу же выяснилось, что универсальность, которой они должны обладать, чтобы их можно было использовать в гидролокационных системах, превышает возможности всех аналоговых систем, включая наиболее сложные из них. Требования универсальности естественным образом привели к внедрению цифровых систем. Сначала это были либо специализированные устройства, в частности устройства, использующие жесткое ограничение сигналов, либо универсальные вычислительные машины, особенно при исследованиях новых алгоритмов. Прежде всего начали применять специализированные цифровые устройства, однако в настоящее время, как и во

многих других областях техники, наблюдается тенденция к использованию микропроцессоров и мини-ЦВМ.

Цель настоящей главы заключается в том, чтобы дать основные принципы обработки гидролокационных сигналов, причем основное внимание уделяется акустическим моделям, а также операциям, используемым в процессе обработки сигналов.

Рис. 6.1. Примеры использования гидролокационных систем.

При этом особенности построения конкретных систем рассматриваться не будут читателю, интересующемуся этими вопросами, следует обратиться к гл. 5 по радиолокации, в которой вопросам реализации систем обработки сигналов уделяется больше внимания. Во многих случаях, и в частности при построении согласованных фильтров, общий подход и способы реализации оказываются по существу аналогичными.

Рассмотреть все вопросы, касающиеся гидролокационных систем, было бы затруднительно, поэтому ограничимся несколькими наиболее важными из них, схематично представленными на рис. 6.1. Раньше наибольшее внимание уделялось активным и пассивным гидролокаторам военного назначения. Результаты обширных исследований, проведенных во время второй мировой войны, опубликованы в серии работ [1]. В настоящее время гидролокационным системам, предназначенным для мирных применений, уделяется все больше внимания [2], поскольку в большинстве случаев гидролокатор является единственно возможным средством получения информации о водной среде.

Материал данной главы распределен следующим образом. В разд. 6.2 рассмотрены наиболее важные характеристики распространения акустического сигнала в толще воды. Изложение является далеко не исчерпывающим, а скорее иллюстративным; здесь преследуется цель показать, каким образом учитываются свойства водной среды при создании моделей распространения акустических сигналов и какое влияние водная среда оказывает

на обработку сигналов. Понять это очень важно, поскольку водная среда накладывает весьма серьезные ограничения на распространение сигналов гидролокатора. Более подробно эти вопросы рассмотрены в фундаментальных работах [3—6]. Отметим также, что новые результаты постоянно публикуются в нескольких журналах, из которых ведущим является the Journal of the Acoustical Society of America.

Раздел 6.3 посвящен активным гидролокационным системам. В этих системах генерируется (или излучается) акустическая энергия. Прошедшая через водную среду и отраженная от цели волна анализируется. Так как продолжительность излучения известна, то всегда можно с учетом характеристик водной среды подобрать сигналы, наилучшим образом подходящие для каждого конкретного случая. Областями применения активной гидролокации являются обнаружение и определение местоположения целей, связь, навигация, картографирование и профилирование дна. С точки зрения используемых методов и устройств обработки сигналов активные гидролокационные системы имеют много общего с обычными радиолокаторами и системами радиосвязи, поэтому в данной главе часто будут встречаться также ссылки на работы, посвященные системам этих двух типов. При изложении многих теоретических положений соответствующие математические выкладки опущены из-за ограниченного объема книги; при необходимости можно воспользоваться работами, в которых подробно рассмотрены различные теоретические вопросы [7-10].

В разд. 6.4 описаны пассивные гидролокационные системы. С помощью этих систем осуществляется «прослушивание» сигналов, излучаемых теми или иными источниками акустической энергии, находящимися в водной среде. Некоторые из источников, такие, как ветер, землетрясения, подводные обитатели, являются естественными, однако наибольший интерес представляют искусственные источники — торговые суда и военные корабли. К числу наиболее важных пассивных гидролокационных систем относится система подводного наблюдения. Здесь обсуждаются лишь общие принципы действия систем; рассмотреть особенности их работы более детально не представляется возможным. Наиболее важными видами обработки сигналов в пассивных гидролокаторах являются спектральный анализ и совместная обработка массивов. В тексте неоднократно встречаются ссылки на источники, посвященные этим двум видам обработки, причем часто они не имеют непосредственного отношения к гидролокационньш системам. Спектральный анализ — давно определившаяся область техники, претерпевающая в настоящее время значительные изменения за счет усилий, направленных на использование цифровых вычислительных машин. Много полезного можно найти в книгах [11 —13], однако основной материал по спектральному анализу содержится в журнальных публикациях. Аналогично обстоит дело

и с совместной обработкой массивов. Классические методы обработки массивов описаны в нескольких работах, приводимых в библиографии; попытки приспособить для обработки массивов цифровые универсальные вычислительные машины привели к созданию большого числа новых алгоритмов, которые опять-такп можно найти только в журнальных публикациях [14—16].

Прежде чем перейти к изложению материала, необходимо отметить, что читателю должны быть хорошо известны основы теории обработки сигналов, и прежде всего теория линейных систем и преобразований. Достаточно широко используются здесь основы теории случайных процессов. В силу необходимости приводимый ниже материал носит обзорный характер и ориентирован лишь на ознакомление с основными теоретическими положениями и применяемыми методами. Основное внимание уделено моделям и системам, которые обычно используются в процессе обработки сигналов. Часть из описываемых систем уже реализована, другие же, основанные на применении высокопроизводительных и универсальных систем цифровой обработки сигналов, появятся несколько позднее. Некоторые конкретные приложения гидролокации будут описаны в данной главе только в качестве иллюстративных примеров, причем многие из них были выбраны лишь потому, что хорошо знакомы автору.