АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 4, с. 637-644
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ, ШУМЫ И ВИБРАЦИЯ
УДК 621.31.535.2
ЭФФЕКТ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ШУМА ПРИ СОГЛАСОВАНИИ ПРИЕМНОЙ АНТЕННЫ СО СРЕДОЙ
© 2008 г. В. А. Зверев, П. И. Коротки, А. А. Стромков
Институт прикладной физики РАН, 603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 Email: zverev@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 19.03.07 г.
При согласовании приемной антенны со средой по сигналу пробного источника (ПИ) наблюдалось устойчивое (робастное) снижение уровня шума на 2-3 дБ. Наблюдаемый эффект имеет ту же самую физическую природу, что и эффект снижения уровня реверберации при временном обращении волн, описанный в JASA, 2004, v. 115, p. 1525; 2005, v. 118, p. 1381. Уровень шума уменьшается при согласовании с ПИ, находящимся на различных расстояниях и даже при антисогласовании. Исследование эффекта показало, что в его основе лежит уменьшение пространственной корреляции шума, принимаемого антенной, обусловленное введением согласующего множителя. Опыт выполнен в Баренцевом море на дистанциях 7, 10.5, 12 км при глубине моря 120 м. в диапазоне частот 100-300 Гц.
PACS: 43.60.Gk, 43.60.Tj, 43.30.Vh, 43.30.Wi.
В последнее время в ряде работ [1-6] исследуется эффект применения метода временного обращения волн (ВОВ). В [1] приведены картины полей, полученные путем обращения волн в мелком море на различных расстояниях, и исследована стабильность наблюдаемого эффекта во времени. В [2-4] с помощью временноого обращения волн получен эффект снижения уровня донной реверберации. Этот эффект весьма полезен для практического использования в гидролокации в условиях мелкого моря. В упомянутых работах отмечается наблюдаемая робастность (устойчивость) эффекта уменьшения уровня реверберации. Реверберация уменьшается на всех дальностях, а не только на той дальности, на которой организовано обращение волн. В [2-4] наблюдаемая робастность не получила объяснения. В поставленном нами опыте в мелком море тоже наблюдался эффект уменьшения уровня шума на приемной антенне при ее согласовании со средой с использованием численной процедуры ВОВ. Физическая природа наблюденного нами эффекта снижения уровня шума та же самая, что и у наблюдавшегося в [1-4] эффекта снижения уровня реверберации при использовании полной процедуры ВОВ. В основе и того, и другого эффектов лежит факт введения в каждый элемент антенны согласующего сигнала (СС). СС действует согласующим образом на сигнал, излучаемый в точку среды, из которой был принят этой антенной сигнал пробного источника (ПИ) [5, 6]. Этот же СС, как показано ниже, частично разрушает пространственную корреляцию частотных характе-
ристик среды (ЧХС), чем способствует как снижению уровня реверберации в случае активной локации, так и снижению уровня шума при пассивной локации.
Пусть в некоторой точке среды "А" пробный источник (ПИ) излучает сигнал £/), где £ - время. Спектр сигнала, принятого элементом приемной антенной решетки номера п можно представить в виде:
К (ш) = zA, n (ш) с(ш).
(1)
Здесь 2л, п(ю) - ЧХС между двумя дискретными точками "А" и приемником антенны номера п; с(ю) - спектр сигнала £(£), излученного ПИ из точки "А".
Распространение волн в среде, какой бы сложностью она ни обладала, можно описать как временной фильтр с помощью частотной характеристики 1а, п(®), если сигнал распространяется между двумя дискретными точками [6, 7 стр. 65-72].
Пользуясь (1), можно по спектрам сигналов ПИ, принятых антенной из точки "А", определить ЧХС по формуле:
Za, n(ш) =
Un( Ш)
c ( ш) .
(2)
Зная ЧХС п(ю), можно точно вычислить поле, какое получится в точке "А" в результате временного обращения волны (излучения всеми элементами антенны сигналов, принятых от ПИ, находящегося в точке "А", обращенных во
времени). Спектр поля в точке "А" при временном обращении волны будет:
Я (ш) = X »"»*' (3)
п
где знак * означает комплексное сопряжение.
Пользуясь знанием ЧХС, можно не только вычислить поле в среде, получающееся при временном обращении волны, но также принять произвольный сигнал из точки "А" так, что сигналы со всех элементов антенны суммируются синфазно. Для этого спектры сигналов, принятых антенной, перед их когерентным суммированием надо умножить на согласующий множитель (СМ), вид которого определяется ЧХС. В качестве СМ наиболее эффективно было бы использовать множитель вида:
БМя(ш) = 1/1А, п (ш). (4)
Действительно, подставив (4) в (1), мы получим в каждом элементе антенны спектры входных сигналов, не зависящие от номера элемента антенны п. Это будет справедливо для сигнала с любым спектром, лишь бы он был излучен из точки "А" или из близлежащей точки такой, что ЧХС не изменится и будет такой же, как и в точке "А". Однако практически множитель вида (4) не годится. Дело в том, что ЧХС вследствие интерференционных явлений на некоторых частотах по модулю весьма мала. Это приводит к повышению уровня шума, который приходится принимать с тем же множителем, так как неизвестно в какой момент сигнал появится точно в точке "А". Это же обстоятельство делает антенну с множителем вида (4) излишне чувствительной к микроскопическим изменениям вида ЧХС со временем, происходящим из-за изменения среды.
Можно использовать СМ в виде:
БМ„ (ш) = zt п (ш) (5)
Однако у множителя (5) полезно используется только аргумент, а модуль мешает, создавая лишнюю зависимость суммы спектров от п.
Модуль ЧХС, как показывает опыт, лучше всего нейтрализовать, используя СМ в виде:
ЗМ„ (ш) = (6)
ZA, п(ш)
Множитель СМ в виде (6) сохраняет плюсы (4) и (5), устраняя их главные минусы.
Перейдем теперь к результатам опыта по согласованию приемной антенны со средой. В нашем опыте вертикальная приемная антенна, состоящая из 32 приемных элементов, расположенных эквидистантно на длине 93 м, была установлена на дне на глубине 120 м стационарно и автономно. Сигналы со всех элементов антенны записывались с помощью многоканального устройства в память.
Судно с излучателем дрейфовало, излучая широкополосный (100 Гц - 300 Гц) импульсный сигнал, линейно модулированный по частоте длительностью около 5 сек. Корабль, на котором был установлен излучатель, дрейфовал, в то время как приемная антенна была стационарно установлена на дне. Поэтому имелась возможность получать сигналы приемной антенны с различных расстояний от точки согласования "А".
Результаты опыта показаны на рис. 1. Спектры сигналов, принятых приемной антенной, обрабатывались тремя различными способами. Осуществлялась процедура согласования сигналов (ПСС) со средой, умножением спектров на множитель (6). Кроме того, для сравнения результатов использовалась обычная обработка в виде когерентного суммирования (КС) спектров сигналов на антенне. Для того, чтобы можно было судить об эффективности антенны при ПСС и КС использовалось некогерентное суммирование (НС) спектров (и сигналов) со всех элементов антенны. При НС суммируются модули спектров как сигнала, так и шума. В этом случае антенна не дает никакого выигрыша в отношении сигнала к шуму, так как и сигнал и шум суммируются по модулю всегда синфазно. В этом случае отношение сигнала к шуму для всей антенны точно такое, как для одного приемника антенны с усреднением по всей антенне. Результаты всех трех примененных способов обработки сигналов показаны на рис. 1 для трех дистанций 7 км., 10.5 км. и 12 км.
Обратим внимание на уровень сигнала и уровень шума, получающийся при ПСС - умножении спектров сигналов на согласующий множитель (6). Уровень сигнала при согласовании возрастает почти до своего возможного максимального значения, определяемого уровнем сигнала при некогерентном сложении спектров по модулю. Уровень шума при ПСС получается при этом минимальным. Он меньше, чем уровень шума при обычном когерентном приеме сигнала. Именно на этот эффект мы обращаем здесь основное внимание.
Прежде чем приступить к обсуждению возможных причин уменьшения уровня шума, приведем еще один экспериментальный результат, имеющий отношение к обсуждаемому эффекту. На рис. 2 показаны спектры сигналов антенной решетки при трех видах обработки, полученные с дистанции 10.5 км. Рис. 2а повторяет рис. 16, а на рис. 26 показан результат, полученный при операции, которую можно назвать "антисогласование". На этом рисунке наряду с теми операциями, применение которых показано на рис. 1 показано применение к спектрам сигналов комплексно сопряженного согласующего множителя
ш*(ш) = (7)
30
20
10
100
30 20 10 0
150 200 (г)
250
100
30 20 10 0
150 200
(д)
/Л^ч,
250
100
30 20 10 0
150 200
(е)
250
55
60
65
70 55
60
65
70 55
60
65
70
Рис. 1. Спектры и сигналы на антенне. Верхний ряд - спектры с ПСС (кружки); КС (крестики); НС (крупные крестики). На а, б, в сверху сигнал, а снизу шум. Нижний ряд - сигналы с ПСС (кружки); КС (крестики); НС (квадраты). Расстояния: 7 км (а, г); 10.5 км (б, д); 12 км (в, е). Вдоль горизонтали - частота в Гц (а, б, в) и время в сек. от начала ОС (г, д, е). Вдоль вертикали - уровень в дБ.
40 30 20 10
(б)
Шт.
(в)
100
150
200
250
100
150
200
250
100
150
200
250
Рис. 2. Модули суммы спектров с приемников антенны с дистанции 10.5 км. Рис. (а) повторяет рис. 16. На рис. (б) согласующий множитель комплексно сопряжен с множителем рис. 1а. На рис. (в) множитель (б) возведен в 4-ю степень. Спектры с ПСС (кружки); КС (крестики); НС (крупные крестики). Вверху - сигнал, внизу - шум. Вдоль горизонтали -частота в Гц. Вдоль вертикали уровень в дБ.
Такой множитель уже не является согласующим, а является скорее антисогласующим, так как его использование увеличивает то рассогласование фаз между различными приемными элементами антенной решетки, которое существовало до введения множителя. Это отчетливо видно на рис. 26.
Однако на рис. 26 шумы при введении антисогласующего множителя (7) уменьшились точно
также, как и на приведенном для удобства сравнения рис. 2а. Отсюда можно сделать вывод, что знак фазы, играющий существенную роль при когерентном сложении сигналов, не играет никакой роли при таком же когерентном сложении шумов. На рис. 2в показан результат, пол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.