АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 5, с. 526-545
ОБРАБОТКА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
УДК 681.88
ОПТИМАЛЬНЫЕ И АДАПТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (ОБЗОР)
© 2014 г. Г. С. Малышкин, Г. Б. Сидельников
ОАО "Концерн ЦНИИ "Электроприбор" 197046 Санкт-Петербург, ул. Малая Посадская 30 E-mail: glebios@mail.ru. Поступила в редакцию 09.12.2013 г.
Рассмотрены различные методы оптимальной и адаптивной обработки гидроакустических сигналов в условиях многолучевого распространения и рассеяния. Приводится анализ положительных и отрицательных сторон классических адаптивных алгоритмов (алгоритмов Кейпона, MUSIC, Джонсона) и "быстрых" проекционных алгоритмов в условиях многолучевого распространения и рассеяния сильных сигналов. Представлены классические оптимальные подходы по обнаружению многолучевых сигналов. Для обеспечения автоматического обнаружения слабых сигналов предлагается механизм контролируемого нормирования сильных сигналов. Представлены результаты моделирования работы различных алгоритмов обнаружения на линейной эквидистантной антенной решетке в условиях многолучевого распространения и рассеяния. Проводится анализ автоматического обнаружителя на основе классических или быстрых проекционных алгоритмов, проводящего оценку фона на основе медианной фильтрации или методом двустороннего пространственного контраста.
Ключевые слова: антенная решетка, классические и модифицированные нормированием адаптивные алгоритмы (Кейпона, Джонсона, MUSIC), "быстрые" проекционные алгоритмы, многолуче-вость, рассеяние, сильные и слабые сигналы, фокусирующие матрицы, автоматизированное обнаружение.
DOI: 10.7868/S0320791914050098
ВВЕДЕНИЕ
Задача настоящей статьи заключается в рассмотрении адаптивных методов гидроакустики как части общей задачи построения акустических адаптивных систем наблюдения, но с учетом особенностей, присущих как среде распространения, так и акустическим системам наблюдения.
Наиболее сложной задачей адаптивного приема в гидроакустике является получение надежных и стабильных результатов при использовании методов обработки, согласованных со средой распространения. Идеи и методы такой обработки, родившиеся более тридцати пяти лет назад, потребовали разработки новых методов описания характеристик среды и подстройки параметров опорных сигналов к свойствам принятых выборочных данных. Однако до настоящего времени не удалось найти надежные технические пути преодоления неопределенностей, связанных с неточностью знания параметров среды, что требует дальнейших научных исследований в этом направлении. Проблемы и трудности дальнейшего развития и совершенствования этого вида обработки рассматривались в обзорах [20, 21, 60] и многочисленных опубликованных источниках. Это направление находится в стадии дальнейше-
го анализа и развития для преодоления возникших трудностей.
Другое актуальное направление в области обработки гидроакустических сигналов относится к приему сигналов при их дальнем распространении, при котором происходит существенное нарушение когерентной структуры этих сигналов [18, 38—47] вследствие рассеяния при распространении. Работы в этом направлении посвящены как анализу влияния параметров среды распространения на когерентные свойства принимаемых сигналов, так и оптимизации методов приема таких сигналов в приемных трактах с различными вариантами ориентации приемных элементов. Отметим, что оптимальные методы приема этих сигналов основаны на определении ранга выборочных значений принятых выборок с последующей квадратичной обработкой и суммированием компонент сигналов. Поскольку на приемные тракты акустических систем воздействует одновременно несколько сигналов от разных источников, реализация адаптивных модификаций алгоритмов этого класса затруднена без использования априорной информации о структуре принимаемых сигналов.
Третье направление развития адаптивных методов в гидроакустике относится к обнаружению, разрешению и оценке параметров слабых сигналов в сложных помеховых ситуациях, в частности, к обнаружению слабых сигналов в режиме шумо-пеленгования при наличии сильных мешающих сигналов, что является основным содержанием настоящей работы.
Отметим, что в стабильных помеховых ситуациях методы оптимизации приема слабых сигналов, такие как максимизация коэффициента концентрации [66] и увеличение помехоустойчиво -сти вертикальных антенн в поле анизотропных шумов моря [65], рассматривались и находили практическое применение в Советском Союзе еще в шестидесятых годах прошлого столетия. Вопросы оптимального приема сигналов обсуждались на различных конференциях и семинарах, публиковались в сборниках трудов и книгах [33—37].
Следующий этап исследований, направленный на адаптивную оптимизацию методов приема в динамических ситуациях, рассматривался начиная с начала семидесятых годов, однако практические успехи в этой области невелики до сих пор. Это связано не только с известным несовершенством отечественной элементной базы, но и с недостаточным пониманием особенностей акустической среды, а также конкретных способов внедрения адаптивных методов и алгоритмов в акустические средства.
Основными особенностями среды распространения гидроакустических сигналов при их адаптивном приеме являются:
— относительно малая скорость распространения, что приводит к частичному нарушению когерентной структуры широкополосных сигналов при распространении вдоль крупногабаритных антенн;
— сложная среда распространения, характеризующаяся условиями многолучевого распространения и наличием сильного рассеяния;
— широкий диапазон используемых частот;
— малое соотношение (много меньше единицы на выходе антенны) сигнал/помеха при обнаружении в режиме шумопеленгования наиболее слабых приоритетных сигналов, что в результате приводит к необходимости длительного накопления принимаемых сигналов в пространстве, по частоте и во времени, так что объем выборок на выходе крупногабаритных антенн достигает значений в десятки тысяч и более;
— широкий диапазон постоянно присутствующих более интенсивных мешающих сигналов, различающихся по интенсивности, направлению прихода, динамическим характеристикам, требующих быстрого обнаружения, оценки параметров и классификации, а также уменьшения их маскирующего действия;
— на результаты адаптивного приема оказывают сильное влияние технические параметры антенн, спектральной обработки, способы организации вычислительного процесса, учитывающие (или не учитывающие) особенности физических характеристик как слабых, так и мешающих сигналов;
— гидроакустические средства реализуются как широкополосные многоканальные, многоярусные системы наблюдения, их преимущества реализуются при обеспечении адаптивной защиты всей многоканальной многоярусной системы наблюдения, при этом критерием качества таких систем является обеспечение непрерывности наблюдения за слабыми сигналами в сложных ситуациях;
— при построении адаптивных алгоритмов их важнейшими характеристиками является быстрота реакции на изменение окружающей обстановки, возможность автоматизации процесса обнаружения и оценки параметров сигнала, устойчивость к вариациям параметров приемных трактов, искажениям при установке на объекте.
Методы и результаты разрешения достаточно сильных плосковолновых сигналов, подробно проанализированные в многочисленных работах по адаптации ([33, 34, 48, 49] и др.), показали достаточно оптимистическую картину возможности разрешения и сверхразрешения сигналов при больших отношениях сигнал/помеха.
Однако применительно к гидроакустическим сигналам сформулированные физические факторы вносят существенные негативные коррективы в эти результаты, полученные в рамках более простых моделей, что требует корректировки и самих адаптивных методов приема гидроакустических сигналов.
В данной статье анализ особенностей адаптивной обработки рассматривается как при формировании адаптивных пеленгационных рельефов в пределах используемого частотного диапазона, так и на этапе их обработки для автоматического обнаружения слабых сигналов и представления результирующей информации оператору.
В связи с этим рассматриваются классические методы адаптации и оцениваются их сильные и слабые стороны с позиций акустических приложений (раздел 1), пути совершенствования этих алгоритмов посредством контролируемого нормирования сильных сигналов (раздел 2). После анализа классических и быстрых проекционных алгоритмов сформулирован подход к применению последних для подавления сильных мешающих и последующего выделения слабых сигналов с использованием особенностей акустического поля (раздел 3). Далее, в разделе 4 на основе имитационного моделирования производится сравнение классических и "быстрых" алгоритмов
адаптации при построении пеленгационных рельефов и индикаторного устройства системы отображения обстановки.
В качестве модели сигнала далее используется смесь случайного центрированного гауссова процесса, обладающего пространственной корреляцией (полезный сигнал), и некоррелированного шума. Эта модель усложняется введением многолучевого распространения, эффекта Доплера, канала с рассеянием, учетом анизотропии результирующего фона и пространственной, временной и частотной корреляции флуктуаций сигнала.
1. КЛАССИЧЕСКИЕ АЛГОРИТМЫ АДАПТАЦИИ
Произведем, прежде всего, классификацию классических алгоритмов адаптации, рассматриваемых в дальнейшем, к которым относятся:
— алгоритмы когерентной компенсации мешающих сигналов [2, 11, 12, 50, 51];
— несобственноструктурные алгоритмы, основанные на обращении выборочных оценок корреляционных матриц входных выборок в элементах антенны или в сформированных пространственных каналах [5, 7—9, 48, 49];
— собственноструктурные алгоритмы, основанные на спектральном разложении выборочных оценок корреляционных матриц входной смеси в элементах антенны, в том числе проекционные алгоритмы этого класса [4—6, 10];
— "быстрые" проекционные алгоритмы, основанные на формировании проекционных матриц при непосредственном использовании входной выборки в элементах антенны без проведения пространственног
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.