Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ШУМОВЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ КВАДРАТУРНОГО ПРИЕМНИКА

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики, а именно к устройствам обнаружения шумовых сигналов (со спектральной плотностью мощности в виде отдельных дискретных составляющих или их звукорядов) на фоне аддитивной помехи.

Как известно [1-4], основной задачей приемной части системы обнаружения сигналов является принятие решения о наличии или отсутствии полезного сигнала от объекта в наблюдаемом входном процессе. Это сложная задача, предъявляющая к приемнику наиболее высокие требования, т.к. обнаружение сигнала, как правило, происходит при минимальных отношениях сигнал/помеха (ОСП). Решение о наличии сигнала принимается по превышению откликом приемника установленного порога, выбираемого на основе одного из статистических критериев по заданным вероятностям правильного обнаружения и ложной тревоги.

Для обеспечения максимального значения отклика при фиксированном ОСП на входе системы схема приемника должна быть оптимальной.

На практике особый интерес представляет задача обнаружения шумового (случайного) сигнала от шумящего подводного объекта на фоне помех.

В настоящее время для решения этой задачи наибольшее распространение получили так называемые пассивные широкополосные и узкополосные гидроакустические системы [1, 5, 6].

При использовании пассивной широкополосной системы принимается во внимание тот факт, что сигнал от объекта обычно представляет собой типичный широкополосный случайный процесс, длительность которого ограничена только взаимным расположением и относительным перемещением объекта и приемника. В этом случае известны только некоторые статистические характеристики сигнала и помехи (например, форма спектральной плотности сигнала, его ориентировочная длительность, а также форма спектральной плотности помехи, которая необязательно является белым шумом).

Однако в спектре шумов, излучаемых различными объектами, наряду с широкополосной составляющей могут содержаться и узкополосные дискретные компоненты [1, 5-7].

Известный способ обнаружения узкополосного шума с дискретными компонентами СПМ и реализующее его устройство, по сути, являются многоканальным энергетическим приемником (прототип) [1, с.351-352]. Данный способ представляет собой последовательное выполнение операций: многоканальной узкополосной полосовой фильтрации (для формирования отдельных частотных каналов), квадратичного детектирования, интегрирования и сравнения с порогом (в каждом частотном канале).

Устройство (прототип) [1, с.351-352], реализующее указанный способ обнаружения узкополосного шума, приведено на фиг.1, где:

блок 1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

блок 2 - рециркулятор;

блоки 3.1-3.М - набор («гребенка») цифровых узкополосных полосовых фильтров (УПФ) с одинаковой шириной полосы пропускания и различными центральными частотами (с равномерным шагом по частоте, равным ширине полосы пропускания одного фильтра);

блоки 4.1-4.М - квадраторы;

блоки 5.1-5.М- интеграторы;

блок 6 - М-канальное пороговое устройство.

Принцип действия данного устройства заключается в следующем. На вход устройства поступает реализация входного процесса

где s(t) - обнаруживаемый узкополосный шумовой сигнал,

n(t) - аддитивная помеха в виде нормального белого шума, которая поступает на вход АЦП (блок 1) с частотой дискретизации, удовлетворяющей требованиям теоремы Котельникова:

С выхода АЦП (блок 1) дискретные отсчеты поступают на вход рециркулятора (блок 2), где формируется и с каждым новым отсчетом обновляется текущая дискретная выборка x(n) длиной N отсчетов.

Сформированная текущая дискретная выборка входного процесса x(n) поступает одновременно на входы М цифровых узкополосных фильтров (блоки 3.1-3.М) (М-канальной гребенки УПФ), где формируется М отдельных частотных каналов.

Сформированные (расфильтрованные) узкополосные шумовые процессы поступают на входы квадраторов (блоки 4.1-4.М), с выходов которых возведенные в квадрат узкополосные сигналы поступают на входы интеграторов (блоки 5.1-5.М). Время интегрирования (или накопления) узкополосных сигналов обычно выбирается равным величине, обратно-пропорциональной ширине полосы пропускания УПФ [1], и обеспечивающим потенциальную разрешающую способность по частоте для данного способа спектрального анализа (метода фильтрации).

С выходов интеграторов выделенные отклики поступают на вход М-канального порогового устройства (блок 6), выход которого является выходом устройства.

Таким образом, в качестве основных элементов данной пассивной узкополосной системы используются квадратичные детекторы и интеграторы, реализующие выходную статистику [1]:

где x(t) - входной процесс, представляющий смесь шумового сигнала от объекта и помехи;

Т - время интегрирования.

Таким образом, для получения достаточной статистики необходимо иметь квадратичный детектор, выходное напряжение которого пропорционально квадрату входного и интегратор.

Помехоустойчивость приемника на основе квадратичного детектора, называемого «энергетическим приемником» (т.к. статистика эквивалентна полной энергии входного процесса), является нижней границей всех оптимальных приемников.

Для других априорных данных о свойствах сигналов и помех помехоустойчивость оптимального приемника будет занимать промежуточное положение между ним и идеальным коррелятором (согласованным фильтром), то есть обладать большей помехоустойчивостью.

В качестве таких априорных данных о свойствах шумового сигнала от объекта можно использовать данные об узкополосных дискретных компонентах сигнала (т.н. дискретных составляющих), которые фактически представляют собой набор элементарных непрерывных синусоидальных (монохроматических) сигналов соответствующей частоты. В этом случае можно говорить о решении задачи обнаружения полигармонического сигнала на фоне помехи.

Следует заметить, что в некоторых важных случаях ДС, возбуждаемые от одного и того же источника, бывают синхронизированы между собой и образуют т.н. звукоряды (ЗР), т.е. наборы ДС (гармоник), частоты которых кратны между собой [1, 5, 7].

Основные частоты, образующие линейчатый спектр, вращающихся узлов механизмов, могут быть определены по формуле:

где k=1, 2 ,3 , … k - номер гармоники;

n - частота вращения узла, обороты /мин.

Если узел имеет систему лопаток (например, турбины, насосы), то в случае наличия z лопаток основные частоты определяются как:

Таким образом, полигармонический сигнал на основе ЗР от определенного источника можно рассматривать как единый сигнал, компоненты которого физически связаны между собой.

Для решения задачи обнаружения такого сигнала простейшей гипотезой является предположение о детерминированности каждой компоненты сигнала в полосах соответствующих узкополосных фильтров. При этом под детерминированным сигналом понимается такой, все параметры которого известны при приеме, а неопределенность содержится только в его наличии или отсутствии и связана с маскирующим действием помех. Приемник полностью известного детерминированного сигнала (идеальный коррелятор) является в этом случае оптимальным, он обеспечивает максимально возможную, т.е. потенциальную помехоустойчивость, превзойти которую теоретически невозможно.

Однако в реальных условиях приема дискретных составляющих шумового сигнала на фоне помех о детерминированности полезного сигнала речь идти принципиально не может, так как (как минимум) неизвестна начальная фаза сигнала в обрабатываемой выборке входного процесса, ограниченной по времени. В этом случае выражение для узкополосного процесса s(t) (дискретной компоненты сигнала) можно записать как

где А - амплитуда сигнала (независимая случайная величина, распределенная по закону Рэлея);

φ - фаза сигнала (независимая случайная величина, распределенная равномерно на интервале [-π; π]).

В этом случае предлагается в качестве детектирующего элемента (оптимального приемника) пассивной узкополосной системы использовать оптимальный приемник сигнала с неизвестной начальной фазой (квадратурный детектор) [2-4] (аналог), реализующий статистику:

где Х_C и X_S - косинусные и синусные составляющие огибающей выходного колебания корреляционного приемника соответственно:

где Т - время интегрирования.

Решение о наличии или отсутствии сигнала принимается в зависимости от выполнения неравенства

где h - пороговый уровень.

Схема, реализующая получение достаточной статистики (6), представлена на фиг.2, где

блоки 1.1, 1.2 - перемножители;

блок 2 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), с выходов которого на входы перемножителей поступают цифровые сигналы в виде косинусной и синусной составляющих одной и той же центральной частоты;

блоки 3.1, 3.2 - интеграторы;

блоки 4.1, 4.2 - квадраторы;

блок 5 - сумматор;

блок 6 - вычислитель квадратного корня.

Два канала квадратурного приемника позволяют получить величины Х_C и X_S. Последующее нелинейное преобразование выходных колебаний этих каналов даст значение Λ(Х). При этом частоты квадратур соответствуют центральной полосе соответствующего входного УПФ.

Сравнение помехоустойчивости квадратурного приемника и коррелятора показывает, что имеются потери в ОСП, которые являются платой за незнание фазы, но эти потери невелики и составляют 1,5 дБ [8].

При практической реализации предложенного обнаружителя полигармонических сигналов возникает ряд принципиальных вопросов.

Во-первых, необходимо определить частотные характеристики узкополосных фильтров (УПФ_m) - полосы пропускания фильтров (Δf_m) и их центральные частоты (f_m).

Определение вышеуказанных характеристик основано на необходимости обеспечения постоянной скважности фильтров (отношения ширины полосы фильтра к его центральной частоте) во всем диапазоне частот, а именно

После элементарных преобразований можно получить определяющие соотношения:

При этом количество узкополосных фильтров в гребенке для общей полосы частот ΔF составит

Во-вторых, необходимо учитывать, что время анализа (интегрирования) в полосе каждого фильтра будет определяться выражением

Очевидно, что в случае накопления откликов от нескольких каналов обнаружителя (суммирования выходных процессов) необходимо согласование по времени анализа, т.е. введение временных задержек на выходах каналов перед операцией суммирования.

Введение операции накопления откликов обусловлено необходимостью повышения эффективности обнаружения звукоряда полигармонического сигнала и учета возможного влияния эффекта Доплера при взаимном перемещении приемника и источника сигнала.

Очевидно, что для гребенки из М фильтров параметры задержки можно определить как

Предлагаемое устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе квадратурного приемника приведено на фиг.3, где

блок 1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

блок 2 - рециркулятор;

блоки 3.1-3.М - набор цифровых узкополосных полосовых фильтров (УПФ), перекрывающих ожидаемый частотный диапазон, с различной шириной полосы пропускания и различными центральными частотами, но с постоянной скважностью фильтров (отношением полосы фильтра к его центральной частоте) во всем диапазоне частот, а именно

блоки 4.1-4.2М - перемножители;

блок 5 - ПЗУ;

блоки 6.1-6.2М - интеграторы;

блоки 7.1-7.2М - квадраторы;

блоки 8.1-8.М - сумматоры;

блоки 9.1-9.М - вычислители квадратного корня;

блоки 10.1-10.М - устройства задержки с параметрами задержек.

блок 11 - сумматор;

блок 12 - пороговое устройство;

блок 13 - управляющее устройство.

Принцип действия устройства заключается в следующем. На вход устройства поступает реализация входного процесса x(t), которая поступает на вход АЦП (блок 1) с частотой дискретизации, удовлетворяющей требованиям теоремы Котельникова:

С выхода АЦП (блок 1) дискретные отсчеты поступают на вход рециркулятора (блок 2), где формируется и с каждым новым отсчетом обновляется текущая дискретная выборка х(n) длиной N отсчетов.

Сформированная текущая дискретная выборка входного процесса х(n) поступает одновременно на входы М узкополосных фильтров (блоки 3.1-3.М).

С выходов М узкополосных фильтров (блоки 3.1-3.М) М соответствующих узкополосных процессов одновременно поступают на первые входы М пар перемножителей (блоки 4.1-4.2М), с выходов которых результаты перемножения поступают на входы М пар интеграторов (блоки 6.1-6.2М). Время интегрирования в полосе каждого фильтра определяется выражением

Из ПЗУ (блок 5) на вторые входы М пар перемножителей (блоки 4.1-4.2М) поступают М пар синусных и косинусных составляющих (монохроматических) цифровых сигналов с частотами, соответствующими центральным частотам УПФ f_m.

С выходов М пар интеграторов (блоки 6.1-6.2М) результаты интегрирования поступают на входы М пар квадраторов (блоки 7.1-7.2М), с выходов которых квадраты откликов попарно поступают на входы М сумматоров (блоки 8.1-8.M), с выходов которых результаты суммирования поступают на входы М вычислителей квадратного корня (блоки 9.1-9.М), с выходов которых результаты вычислений поступают на входы М устройств задержки (блоки 10.1-10.М).

Параметры задержки в каждом частотном канале определяются соотношением

С выходов М устройств задержки (блоки 10.1-10.М) отклики поступают на входы сумматора (блок 11), с выхода которого результат суммирования поступает на вход порогового устройства (блок 12), выход которого является выходом устройства.

Устройство управления (блок 13) осуществляет синхронизацию работы: аналого-цифрового преобразователя (блок 1), рециркулятора (блок 2), ПЗУ (блок 5) и порогового устройства (блок 12).

Достигаемый выигрыш в помехоустойчивости предлагаемого обнаружителя узкополосных шумовых сигналов на основе квадратурного детектирования (и, соответственно, в дальности действия гидроакустической системы шумопеленгования) по сравнению с прототипом (устройством обнаружения узкополосного шума на основе квадратичного детектирования или энергетического приемника), достигается благодаря использованию большего объема априорной информации об обнаруживаемом полезном сигнале.

Список использованных источников

1. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. -Л.: Судостроение, 1988, 392 с. (Прототип, с.351-352).

2. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. -М.: Радио и связь, 1983, 320 с. (Аналог, с.80-87).

3. Ван-Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции, т.1. -М.: Сов. радио, 1972, 744 с.

4. Ван-Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции, т.3. -М.: Сов. радио, 1977, 661 с.

5. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. -Л.: Судостроение, 1978, 446 с.

6. Зарайский В.А., Тюрин A.M. Теория гидролокации. -Л.: ВМА, 1975, 604 с.

7. Болгов В.М., Плахов Д.Д., Яковлев В.Е. Акустические шумы и помехи на судах. Л.: Судостроение, 1984, 192 с.

8. Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации. -Л.: Судостроение, 1983, 280 с.