6.3.5. Реализация алгоритма обработки, учитывающего влияние окружающей среды

Обычно процессы распространения и отражения сигнала в акустическом канале настолько сложны, что для их моделирования применяют фильтры и функции рассеяния со случайными параметрами, которые были рассмотрены выше. Эффективность обработки сигнала с использованием подобных моделей окружающей среды зависит от того, насколько точно известна функция рассеяния или какая-либо эквивалентная ей характеристика, а также от степени универсальности системы обработки сигналов, которая необходима для адаптации системы к неизбежным изменениям окружающей среды. Часто для получения оценки функции рассеяния можно использовать метод, основанный на определении океанографических переменных, таких, например, как профили скорости распространения звука (их можно либо взять из имеющихся таблиц, либо: получить из измерений), и применении адаптивной обработки соответствующего типа. Полученную информацию о процессе рассеяния акустической волны необходимо представить в форме, необходимой для обработки сигналов в приемнике. Сказать еще что-либо о задаче обнаружения затруднительно, так как ее решение слишком сильно зависит от конкретных условий; ведутся интенсивные работы в направлении разработки универсальных методов решения этой задачи. Поэтому ограничимся тем, что кратко обрисуем, как может осуществляться обработка сигналов при наличии реверберации. При этом основное внимание будет уделено особенностям алгоритма обработки и перспективам его развития.

Во-первых, отметим, что такие параметры, как длительность сигнала Г, продолжительность реверберации ширина полосы сигнала и ширина спектра доплеровского размытия В, связаны между собой определенными соотношениями и подчиняются ряду ограничений. Кроме того, в акустическом канале за счет преобладания некоторых трасс распространения рассеяние часто имеет концентрированный характер. Во-вторых, по каналам с размытием имеется много литературы, причем она относится не только к гидролокации, но и к радиолокации, радиолокационной астрономии, к системам ионосферной и тропосферной связи. В некоторых из указанных областей техники эти вопросы проработаны более детально, чем в гидролокации.

Во многих случаях обработка гидроакустических сигналов с учетом окружающей среды выполняется с использованием модели, имеющей вид фильтра со случайными параметрами, которая описывается соотношением (6.15) и базируется на линии задержки с отводами. Если полоса сигнала ограничена величиной а длительность реверберации — величиной то для моделирования принимаемого сигнала при наличии реверберации можно

использовать блок-схему, изображенную на рис. 6.21, а [63—65]. Сигнал, формируемый в такой схеме, имеет вид

где — набор случайных, изменяющихся во времени коэффициентов усиления по отводам, которые следуют через интервалы времени, обратные ширине полосы излучаемого сигнала. Используя несколько слабых ограничений, можно показать, что коэффициенты усиления в отводах Л3 представляют собой некоррелированные стационарные случайные процессы, энергетические спектры которых пропорциональны сечениям функции рассеяния по дальности соответствующим (рис. 6.21, б). Отметим далее, что после Фурье-преобразования значений коэффициентов усиления в отводах на интервале приема данных получается блок-схема модели, которая очень удобна для представления реверберационного сигнала. Следовательно, целесообразно рассмотреть

Рис. 6.21. (см. скан) а — модель канала с размытием на ЛЗ с отводами через — спектры наборов весовых коэффициентов для отводов ЛЗ, рассматриваемые как сечения функции рассеяния.

Рис. 6.22. Упрощенная блок-схема приемника акустических сигналов для малых значений отношения сигнал/шум и среды с размытием за счет реверберации.

алгоритмы, с помощью которых при построении приемника можно было бы находить значения коэффициентов усиления в отводах.

Прежде чем перейти к описанию методики использования модели на Л3 с отводами в некоторых приемниках, целесообразно сделать несколько замечаний. Если моделируемые канал или отражатель не создают доплеровского размытия (или оно пренебрежимо мало), как это часто имеет место в гидролокации, то значения коэффициентов усиления в отводах остаются постоянными и с достаточной точностью представляют собой дискретные отсчеты импульсной характеристики канала. Было предпринято несколько попыток измерить эту импульсную характеристику [66—68]. Кроме того, очевиден и еще один связанный с описанным способ представления модели канала, который основан на преобразовании Фурье сигналов и предполагает использование передаточной функции.

Существует большое количество приемников, построенных на основе представления реверберационного сигнала с помощью ЛЗ с отводами. Так, на рис. 6.22 в качестве иллюстрации приведена блок-схема приемника для обнаружения протяженных целей и определения дальности и доплеровского смещения. При построении этого приемника использовались некоторые модельные допущения, поэтому его нельзя применять для обработки любых

реверберационных сигналов. В блоке приемника, предназначенном для учета влияния окружающей среды, имеются два входа. На один из них поступают выходные результаты коррелятора-согласованного фильтра, соответствующие разным значениям доплеровского смещения, которые затем подаются на отводы Л3. По второму входу вводятся оценки функций рассеяния, описывающих и цель, и шум реверберации. Для получения этих оценок следует воспользоваться либо известными сведениями об окружающей среде, либо тем или иным алгоритмом адаптивного оценивания. Амплитуды выходных сигналов с отводов Л3 возводятся в квадрат и взвешиваются в соответствии с отношениями, зависящими от функций рассеяния цели и шума, а также от уровня внешнего фонового шума. После взвешивания производится суммирование; полученный результат представляет собой сигнал на выходе обнаружителя, который может подаваться на индикатор или вводиться в устройство обработки последовательности импульсов. Эту же систему можно использовать и в качестве измерителя, если выходные значения находить, перебирая дальностно-доплеровские координаты цели (т. е. изменяя в зависимости от ожидаемых параметров цели весовые коэффициенты для выходных сигналов Л3 с отводами).

Главная цель, которая преследуется при введении в эти системы именно цифровой фильтрации, заключается в том, чтобы выходные сигналы корреляционного приемника обрабатывались совместно с информацией об окружающей среде; при этом система работает нормально. В результате требуется, чтобы система обработки была весьма универсальной, особенно если учесть, что характеристики и каналов, и целей могут изменяться. Представляется, что такая универсальность может быть достигнута только с помощью цифровых устройств обработки.

При моделировании обработки с учетом влияния окружающей среды возможны и некоторые другие способы описания каналов (например, основанные на использовании двухчастотных корреляционных функций). Выше была рассмотрена только окна модель, весьма удобная при выполнении обработки в цифровой форме, хотя каналам с размытием посвящено большое количество публикаций. Отметим, что в одном отношении почти все модели каналов идентичны: при описании их случайной природы делаются попытки вводить случайные параметры или процессы, для определения которых используются корреляционные свойства излучаемых сигналов. Таким образом, именно возможность быстрого выполнения операции корреляции на этапе первичной обработки сигналов оказывается особенно важной.