^^^^^^^^ ОБРАБОТКА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
621.3/.535.2
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО УГЛА ПРИХОДА СИГНАЛА НА БУКСИРУЕМУЮ АНТЕННУ
© 2015 г. В. А. Зверев, П. И. Коротин
Институт прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 E-mail: monitor@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 15.01.2015 г.
Продемонстрирована возможность определения вертикального угла прихода сигнала на буксируемую горизонтальную антенну. Точность оценки определяется величиной изменения горизонтального угла направления на источник сигнала в процессе синтеза апертуры. Метод проверен на результатах натурного опыта. В условиях нахождения приемной антенны в зоне тени относительно излучателя и рассеивателя обнаружен факт формирования в волноводе однолучевого сигнала с углом отражения сигнала от дна под углом порядка 50° к горизонтали.
Ключевые слова: синтез апертуры, антенна, голограмма, вертикальный угол прихода. DOI: 10.7868/S0320791915050184
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Для определения вертикального угла в прихода сигнала на горизонтальную антенну эта антенна должна состоять из векторных приемников. Это сложное устройство, к тому же определяющее угол в для сигналов, уровень которых превосходит уровень помех. При определенных условиях [1] измерение угла в возможно горизонтальной антенной, состоящей из обычных всенаправленных приемников давления. Разность фаз Дф между приемниками такой антенны зависит от углов а (горизонтальный угол) и в: Дф = 2яДаЬт(а)со8(в)А, где Дd — интервал между приемниками антенны; X — длина волны. По измерениям Дф, создаваемой пеленгуемым источником, при известном а определяется искомый угол в. В настоящей работе предложен иной метод определения угла в горизонтальной антенной, состоящей из обычных всенаправленных приемников давления. Метод использует перемещение антенны и обладает помехоустойчивостью.
В [1] описан способ измерения в горизонтальной антенной для выделения мод волновода. При этом появляется возможность определять углы в горизонтальной антенной, апертура которой не ограничена глубиной моря, и обходить недостаточность длины приемной системы при разрешении мод вертикальной антенной. В основе предлагаемого способа лежат те же принципы, что и в методе, изложенном в [1]. Он отличается тем, что использует перемещение источника сигнала относительно антенны.
Измерение величины со8(в) осуществляется с помощью буксируемой антенны при регистрации
зависимости Дф от времени Измерение Дф(0 аналогично операции при синтезе апертуры [2, 3], в которой Дф(0 играет роль голограммы изображения источника сигнала. Голограмма позволяет определять в на основе априорной информации об угле а, а именно требования постоянства изменения скорости 1§(а). Эта априорная информация позволяет по полученной голограмме определять соБ(в) и ряд других параметров. Качество измерения определяется величиной синтезированной апертуры и величиной сектора изменения угла а, обеспечивающего в условиях опыта заметное отличие 8т(а) от 1§(а).
В настоящей работе в натурном опыте исследована возможность измерения со8(в) путем применения синтеза апертуры [2, 3]. Для обработки использованы данные опытов по локации на просвет [4]. В одной из конфигураций этого опыта сигнал движущегося рассеивателя благодаря подсветке сигналом, рассеянным взволнованной поверхностью озера, обладал широким спектром доплеровских частот. Рассеиваемый сигнал при такой подсветке эквивалентен собственному некогерентному излучению подсвечиваемого источника. В результате в этом опыте мы имели сигнал движущегося источника, излучающего некогерентный сигнал в широком спектре частот, то есть опыт, поставленный для активной локации на просвет, эквивалентен пассивной локации.
Полученные результаты позволили установить, что существует такое взаимное расположение источника подсветки, рассеивателя и приемной системы, в отличие от опытов, описанных ранее в [4], что антенна находится в зоне акустической тени
водных лучей как относительно излучателя, так и рассеивателя. Применение описываемого метода показало, что дно в этом озере отражает лучи под углом в, близким к 50°. Наиболее вероятной причиной этого служит явление полного внутреннего отражения звука от твердой породы дна, находящегося под слоем мягких донных осадков.
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА Р
Процедура когерентного синтеза апертуры по источнику некогерентного излучения [2, 3] включает формирование голограммы, представляющей собой зависимость средней разности фаз Дф(0 между приемниками антенны, определенной в момент времени t, от t. Метод формирования голограммы опыта описан в [2, 3]. Сначала для повышения помехоустойчивости метода угловой спектр сигнала антенны как функция времени усредняется некогерентно по N реализациям. Для каждого момента времени определяется максимум усредненного некогерентно углового спектра антенны. По значению номера точки углового спектра, соответствующего максимуму, как показано в [2], определяется средняя разность фаз сигналов между соседними приемниками антенны Дф(0 или голограмма изображения источника [2, 3]. Измеряемая разность фаз зависит от углов прихода сигнала к антенне. Если а — угол между нормалью к оси антенны и проекцией волнового вектора на горизонтальную плоскость, а Р — угол, под которым волновой вектор направлен к вертикали, то разность фаз Дф(0 между приемниками горизонтальной антенны определится следующей формулой:
Дф (t) = ^Ad sin (a (t))cos (p),
X
(1)
где X — длина волны; Дй — расстояние между соседними приемниками антенной решетки.
Для дальнейшего необходимо считать, что движущийся источник сигнала (или приемная антенна) перемещается прямолинейно и равномерно. Чтобы воспользоваться этой информацией, перепишем (1) в виде
Аф ^) X _
tg (a (t )) =
1
2nAd cos (Р)
i
1 -
Аф^) X
(2)
v2nAd cos (p)y
Для прямолинейного и равномерного движения положим
tg (a (t)) = vo (t - to), (3)
где v0 — скорость изменения tg(a(t)), определяемая отношением v/R, где v — проекция скорости перемещения рассеивателя на линию, вдоль которой вытянута антенна; R — расстояние от антенны до рассеивателя вдоль нормали к антенне; t0 — время пересечения рассеивателем нормали к антенне.
Выражение (2) замечательно тем, что в него, кроме голограммы Дф(0, измеряемой в опыте, и известных X и Дй, входит только один параметр ео8(Р). Таким образом, для определения одного неизвестного достаточно одного условия — чтобы выражение (2) при правильном значении параметра ео8(Р) приняло вид (3). Голограмма опыта нелинейна по t при произвольном ео8(Р), но превращается в линейную зависимость от t при истинном значении. Этим свойством можно воспользоваться для определения искомого значения ео8(Р) путем его подбора в (1).
Приведенные выше рассуждения дают способ определения трех параметров — ео8(Р), и ^ — по полученной в опыте зависимости голограммы Дф(1). Параметр ^ определяется по моменту времени, при котором разность фаз Дф(0 обращается в нуль. Таким образом, существует принципиальная возможность определения перечисленных параметров. Практически параметры определяются по голограмме (1) без приведения к виду (2) методом, описанным в [5].
ОПИСАНИЕ ОПЫТА
Опыт выполнен на оз. Санхар Владимирской области. Озеро имеет размеры глубоководной части около 0.8 км в длину и 0.5 км в ширину. Глубина озера в районе проведения опытов 10—20 м. Излучатель, непрерывно излучавший монохроматический сигнал высокой стабильности на частоте 1900 Гц, был установлен на дне озера. Рассе-иватель (один из описанных в [4]) протягивался в опыте поперек трассы распространения звука на глубине антенны на расстоянии примерно 150 м от излучателя. Приемная горизонтальная антенна установлена на расстоянии примерно 200 м от излучателя на глубине около 6 м поперек трассы распространения звука. Опыт выполнялся летом в дневное время, когда в озере существовал типичный для морских условий термоклин, отклонявший лучи в сторону дна [4].
Сигнал, принятый каждым приемником антенны, после фильтрации в полосе частот ±3 Гц от несущей частоты 1900 Гц оцифровывался с частотой квантования примерно 6 Гц. После этого каждый из сигналов преобразовывался в квадратуры путем переноса на нулевую частоту [4]. Полученные в опыте сигналы комплексных амплитуд с каждого приемника антенны записывались в файл, который затем обрабатывался.
В качестве начальной обработки сигналов опыта производилось вычисление двумерного (временного и углового — по номеру приемника) комплексного спектра сигналов в каждом приемнике антенны с помощью комплексного быстрого преобразования Фурье. Результат этих преобразований после некогерентного усреднения по номерам приемников (временной спектр) и после некоге-
(а)
-4 -3 -2 -
0 12 3 Частота, Гц
0 10 20
(б)
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5
1.0 1.5 2.0 сов(Р) вт(а)
Рис. 1. Спектры сигналов в опыте: (а) временной и (б) угловой (в зависимости от произведения со8(Р)8ш(а) в соответствии с формулой (1)) до (линии с максимумом 0 дБ) и после фильтрации (линии, уровень которых не достигает 0 дБ).
рентного усреднения по времени (угловой спектр) показан на рис. 1.
Особенности геометрии (расстояния между источником подсветки, рассеивателем и приемной антенной) привели к тому, что сигнал рассеи-вателя в этом опыте по своей физической природе не соответствовал обычной дифракционной модели сигнала, на основе которой выделялся сигнал в [4]. Максимум усредненного временного спектра располагается на нулевой доплеровской частоте, которой соответствует несущая частота 1900 Гц. Ширина спектра этого сигнала по уровню минус 20 дБ от максимума составляет около 10 мГц, что на порядок больше ширины спектра сигналов, приведенных в [4]. Это связано с тем, что в данном опыте сигнал излучателя попадал на антенну после многократных отражений от взволнованной поверхности водоема, что приводило к расширению его спектра. Несмотря на уширение, спектр прямого сигнала остался достаточно узким для возможности полного разделения спектров прямого и рассеянного сигналов, так как спектр рассеянного сигнала в этом опыте лежит в широкой полосе, значительно удаленной по частоте
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.