УДК 550.34.037.2.550.344.094.2
ФАЗОВЫЙ МЕТОД ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЛН В ПРОСВЕТНЫХ СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА
PHASE METHOD FOR RECEIVING, PROCESSING AND ALLOCATION OF SIGNAL WAVES IN TRANSLUCENT MONITORING SYSTEMS
Малашенко Анатолий Емельянович
канд. техн. наук, директор E-mail: aemalashenko@skbsami.ru
Мироненко Михаил Владимирович
д-р техн. наук, гл. научн. сотрудник, профессор E-mail: professor@mail.primorye.ru
2) Шостак Сергей Васильевич
канд. техн. наук, преподаватель E-mail: servash@mail.ru
1) Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН, г. Южно-Сахалинск
2) Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
Аннотация: Анализируются закономерности формирования пространственной амплитудно-фазовой структуры просветно-го акустического поля в условиях помех и нестабильности канала распространения просветных сигналов. Обоснована методика выделения полей объектов и среды фазовыми методами приема и обработки принимаемых просветных сигналов. Приведены результаты дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы, формируемых объектами и морской средой в звуковом и инфразву-ковом диапазонах частот.
Ключевые слова: просветные системы мониторинга, гидрофизические поля, амплитудно-фазовая структура просветного поля, фазовая обработка сигналов, нелинейное взаимодействие и параметрическое преобразование волн различной физической природы.
1) Malashenko Anatoly Ye.
Ph. D. (Tech.), Director E-mail: aemalashenko@skbsami.ru
1) Mironenko Mihail V.
D. Sc. (Tech.), Chief Scientific Officer, Professor E-mail: professor@mail.primorye.ru
2) Shostak Sergey V.
Ph. D. (Tech.), Lecturer E-mail: servash@mail.ru
1) Special Research Bureau for Automation of Marine Researches FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk sity
2) Far Eastern Federal University, Vladivostok city
Abstract: Patterns are analyzed of formation and feasibility of spatial amplitude and phase structure of translucent acoustic field in the presence of environment noise and instability of translucent signals' propagation channel. Measurement technologies are justified of allocation of fields of objects and environment by means of phase methods for receiving and processing received translucent signals. Results are brought of long-range parametric reception of information waves of different physical nature of sound and infrasound frequency bands generated by objects and marine environment.
Keywords: translucent monitoring systems, hydrophysical fields, amplitude-phase structure of translucent field, phase signal processing, nonlinear interaction and parametric conversion of waves of different physical nature.
ВВЕДЕНИЕ
Источниками флуктуаций гидролого-акустических характеристик морской среды являются различные динамические процессы. К таким процессам относятся мелкомасштабная турбулентность и перемешивание, внутренние гравитационные волны, внутренние приливы и крупномасштабные вихри. Мелкомасштабная турбулентность является основным источником флуктуаций высокочастотных просветных
сигналов. Эти флуктуации формируются преимущественно преломлением и рассеиванием на температурных неоднородностях.
Особый интерес представляют флуктуации низкочастотных акустических сигналов, так как их источником являются крупномасштабные динамические процессы, формируемые внутренними волнами и морскими приливами [1, 2]. Экспериментальными исследованиями на морских трассах большой протяженности была обоснована
возможность использования метода акустического зондирования для изучения динамических процессов в океане. Было выявлено, что низкочастотные просветные сигналы характеризуются относительно стабильной фазой, но случайными флуктуациями амплитуды. Кроме того, было установлено, что флуктуации фазы сильнее коррелирова-ны с вариациями параметров среды, чем флуктуации амплитуды. Установлено также, что спектр флукту-аций фазы низкочастотного сигнала
имеет максимум на частоте полусуточного прилива. Проведенный анализ основывался на лучевой теории, при этом рассеяния на случайных неоднородностях во внимание не принимались. Динамические эффекты были рассмотрены на трассах протяженностью до 200 км. Установлено, что фаза акустического сигнала связана с динамикой океана и линейно зависит от скорости течения. В то же время в распределении амплитуды и фазы сигнала наблюдались выбросы при умеренных вариациях морских течений [1, 2].
ФЛУКТУАЦИИ ФАЗЫ СИГНАЛА
Экспериментальными исследованиями в модельных и натурных условиях показано, что при пересечении объектом гидроакустической просветной линии наряду с изменением амплитуды сигнала наблюдается изменение фазы, а также характера ее флуктуаций, которые проявляются в отдельных модах (лучах) и определяют параметры флуктуаций суммарного сигнала в точке приема [1, 2]. Согласно [3, 4] флуктуации фазы моды номера т относительно случая невозмущенного акустического канала можно представить как
Аф = \Хгп - Х^в
где Ав — размер области возмущения, принимающий значения 30 м в пределах 1 км; х'т — собственное число моды номера т в волноводе.
Приведем оценку флуктуаций фазы просветного сигнала с частотой 400 Гц для его отдельных мод, наиболее характерных для экспериментальной ситуации. В случае, когда ось волновода находится на глубине г = 0, а его толщина равна 30 м, и движущийся вблизи оси канала морской объект перемешивает слой воды толщиной 30 м, при заданных размерах области возмущения значения флуктуации фазы сигналов составляют: |Аф1 2! = 1,26 рад; |Аф2,з1 = 1,1 рад; Афз,41 = 0,93 рад. Расчеты показали, что при таких флуктуациях фаз между модами
сигнала возникают флуктуации амплитуд в суммарном сигнале, достигающие 5... 10 дБ, что подтверждается результатами экспериментальных исследований [1—4].
ФАЗОВАЯ СТРУКТУРА АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Рассмотрим формирование фазовой структуры просветного акустического поля в условиях протяженного канала с многолучевым распространением звуковых сигналов. Согласно лучевой теории энергия акустического сигнала переносится по многим различным траекториям. В этом случае сигнал, соответствующий лучу, претерпевшему п отражений от поверхности, имеет вид [3, 4]
Рп = Р„8ш(шг - ©„). (1)
Покажем, что влияние слабого течения среды распространения волн на амплитуду за один проход проявляется незначительно. Изменение фазы вдоль отдельной траектории луча проявляется двумя частотными интервалами, которые можно представить в виде
©п = ©по - штМ, (2)
где т — время прямого пробега между источником и приемником; М = у/с — число Маха для течения; ©п0 — изменение фазы вдоль п-й траектории; ш — круговая частота акустического сигнала; V — скорость течения.
Предположим, что некоторый подводный объект при движении изменяет параметры среды по гармоническому закону, тогда сигнал, соответствующий лучу, претерпевшему п отражений от поверхности, примет вид
Рп(0 = Вп(г)ес8(шг - фп(0) = = Вп(г)ео8(шг - штаовтШ - фпо), (3)
где £п(г) — флуктуации амплитуды; фп(0 = фпо + штаовшШ — изменение фазы вдоль отдельной траектории; ао — постоянное значение; т — время прямого пробега между источником и приемником; О — частота модулирующего колебания; фпо — из-
менение фазы вдоль п-й траектории в отсутствие объекта на просветной линии.
Акустическое поле с потерями на распространение можно представить как
N
Р(0 = I Яп(0ехр[./(шг - фп(0)] =
п = 0
= | 10 Яп(0ехр(-/фпо)} х
х ехр[у(ш? - штаовтП?)] = = £(г)ехр[ У(ш? - ао8тШ)], (4)
где
N
£(г) = I Яп(г)ехр(-/фпо);
п = 0
а = штао-
Проводя гетеродинное преобразование и выделение квадратурных компонент сигнала, получим
Р*(0 = £(0со8©(0; Ру(0 = £(г)вш©(0, (5)
где
©(г) = -ао8тШ. (6)
Скорость изменения фазы сигнала определяется однозначно, и она более удобна для реализации в трактах обработки принимаемых сигналов, чем величина фазы измеряемого сигнала. Исходя из этого из выражения (5) получим величину скорости фазы и ее составляющих по осям Х и У по формуле
¿© _ Рх(г) РУ( г) - РХ( г) Ру( г)
л
Рх2 (г) + Ру2( г)
(7)
где
рх«) = ; р;« = "Р°'(')
Л
Л
Учитывая выражение (6), формулу (7) как выражение фазы сигнала в явном виде можно представить как
©'(г) = = -асоБОг. (8)
Конечной целью приведенных выкладок является определение наличия в сигнале Р(г) модулирующего колебания с частотой О, поэтому для дальнейшей обработки ©'(г)
18
Эепвогв & Эувгетв • № 9-10.2015
можно применить методы спектрального анализа, обеспечивающего выделение гармонических составляющих, что было использовано при обработке материалов исследований (рис. 1—3).
На рис. 1 показан спектр электромагнитных излучений морского судна для случая фазового приема и обработки просветных сигналов с частотой 407 Гц, принятых горизонтально разнесенными на 5 км донными системами. Протяженность просветной морской трассы (о. Сахалин — о. Итуруп) составляла 345 км.
На рис. 2 приведены спектр и спектрограмма разности фаз про-светного сигнала 400 Гц, модулированного излучениями объекта. Протяженность просветной трассы составляла 20 км. Из рисунка видно, что при пересечении объектом про-светной линии в спектре просвет-ных сигналов возникают устойчивые (без смещения частоты) дискретные составляющие шумового поля судна, что является признаком его обнаружения. Помехи среды, а также изменение частоты дискретных составляющих, обусловленные дрейфом излучателя, устранены фазовым приемом и обработкой про-светных сигналов как некоррелированные случайные процессы [3—5].
Для подтверждения эффективности и помехоустойчивости фазовой обработки просветных сигналов, представленных на рис. 1 и 2, на рис. 3 приведена спектрограмма шумового поля морского судна, измеренного обычным (не фазовым методом) при приеме донными станциями на трассе 20 км. На спектрограмме наблюдаются не устраненные помехи среды и смещение дискретных составляющих спектра шумового поля морского судна, обусловленное дрейфом забортного излучателя просветных сигналов стабилизированной частоты 400 Гц [3, 4].
Морские испытания фазового метода приема и обработки сигналов проводились на гидроакус
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.