научная статья по теме ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ УРОВНЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА НА ФОНЕ ИЗОТРОПНОГО ШУМА СРЕДЫ Метрология

Текст научной статьи на тему «ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ УРОВНЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА НА ФОНЕ ИЗОТРОПНОГО ШУМА СРЕДЫ»

534.6:519.233.5

Помехоустойчивость измерений уровня излучения движущегося акустического источника на фоне изотропного шума среды

В. В. ПЕТРОВ

Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: victorpetrow@yandex.ru

Предложена модель остаточных флуктуаций подсистемы первичной обработки, на основе которой исследуется помехоустойчивость алгоритма оценивания нестационарной дисперсии.

Ключевые слова: помехоустойчивость, проходная характеристика, модель, остаточные флуктуации, нестационарная дисперсия, гидрофон, векторный и комбинированный приемники.

The model of residual fluctuations of a subsystem of primary processing is offered. On its basis the noise-immunity of estimation algorithm a non-stationary variance is investigated.

Key words: noise-immunity, passing characteristic, model, residual fluctuations, non-stationary dispersion, hydrophone, vector and combined receivers.

Характеристики обнаружения движущихся подводных объектов существенно зависят от уровней шумоизлучения последних [1]. Распространенными характеристиками шумоизлучения акустического источника являются мощности (дисперсии) сигналов, измеренные в 1/3-октавных частотных полосах [2]. С изменением расстояния между движущимся источником и приемником дисперсия в заданной полосе принятого сигнала шумоизлучения медленно меняется во времени и носит название проходной характеристики (ПХ). В соответствии с существующей нормативной базой уровень (мощность) источника стационарного излучения, движущегося равномерно и прямолинейно относительно точки наблюдения в обесшумленной безграничной однородной среде, определяется как максимальное на измерительном галсе значение ПХ, приведенное к некоторой стандартной дистанции по сферическому закону [3].

Предположим, что дисперсия наблюдений ненаправленным гидрофоном в 1/3-октавной полосе равна о2 g(t)+ о2, где о| g (t) — ПХ (текущая дисперсия шумоизлучения в момент времени t); g(t) — известная неотрицательная функция времени, содержащая неизвестные параметры,

maxg(t) = 1; о^ — дисперсия фонового шума, о|, о2 — неизвестные постоянные. Очевидно, что максимальное зна-

чение ПХ max (о2 g(t )) = о2. Цель измерения

оценка па-

раметра ©2, которую обозначим 62.

Классический подход к решению этой задачи состоит в применении в качестве первичного преобразователя акустического сигнала ненаправленного гидрофона и разделении системы обработки на две подсистемы. Подсистема, состоящая из полосового 1/3-октавного фильтра (ПФ), квадратора и фильтра нижних частот (ФНЧ), выполняет первич-

ную обработку акустического сигнала. На ее выходе формируется оценка ПХ, искаженная неизвестной постоянной (дисперсией фонового шума) и остаточными флуктуациями, связанными с сигналом и фоном, и являющаяся входным сигналом для подсистемы вторичной обработки, осуществляющей искомую оценку максимального значения ПХ.

В методе максимального значения проходной характеристики оценкой ©2 служит максимальное значение 62

оценки ПХ, полученной в результате первичной обработки [2]. Эта оценка характеризуется высокими уровнями составляющих систематической и случайной погрешностей и целесообразна при сильном сигнале и малом отношении шум—

сигнал (NSR = о2п/ о2).

В настоящее время наиболее распространенным методом вторичной обработки является энергетическая согласованная обработка (ЭСО), предложенная В. И. Теверовс-

ким [4]. Оптимальная оценка © 2 реализует корреляцию

оценки ПХ с опорным сигналом, формируемым на основе модели д(?). Теоретический анализ свидетельствует о целесообразности использования ЭСО при слабом сигнале и высоком уровне фонового шума.

С появлением качественных, с метрологической точки зрения, векторных и комбинированных приемников возник большой интерес к их применению в условиях слабого сигнала и значительных стационарных и нестационарных фоновых шумов [3]. К настоящему времени теория анализа и синтеза таких систем обработки еще окончательно не сформирована. Представляет интерес сравнение по помехоустойчивости систем обработки с различными первичными преобразователями в рамках одной модели сигнально-помеховой ситуации. Помехоустойчивость системы измерения ©2 определяется как зависимость относительной по-

грешности измерений е = 100J D{<j 2} + (E {о2}-о;

f

от

отношения шум—сигнал, где Е{}, D{■} — соответственно символы математического ожидания и дисперсии. Для решения этой задачи воспользуемся методологией вычислительного эксперимента.

Зададим модель акустических наблюдений, построим вероятностную модель выходного сигнала подсистемы первичной обработки (ППО) и проведем многократное компьютерное моделирование вторичной обработки. Генерируя ансамбли реализаций случайных процессов в соответствии с построенной моделью, сформируем необходимую статистику результатов измерений по множеству реализаций отдельных наблюдений.

В данной статье рассмотрена оценка помехоустойчивости системы обработки в рамках следующей модели. В однородной безграничной водной среде наблюдаем дальнее поле (мнимой составляющей импенданса среды пренебрегаем) движущегося точечного источника шумового акустического излучения с заданной геометрией движения относительно комбинированного приемника, состоящего из ненаправленного гидрофона и трехкомпонентного векторного приемника (ВП) колебательной скорости [3].

Трехкомпонентный ВП можно использовать как одно-компонентный с возможностью ориентации косинусной характеристики направленности в пространстве программным способом. Если ВП откалиброван по давлению в плоской бегущей волне, то получаем направленный гидрофон диполь-ного типа. Предполагаем, что характеристика направленности такого гидрофона ориентирована на движущийся источник в каждый момент времени.

Считаем, что сигнальная составляющая в точке приема является широкополосным гауссовым случайным процессом (ГСП) с медленной нестационарностью по дисперсии. Сигнал статистически независим от фонового шума среды, широкополосного гауссова стационарного изотропного случайного поля [2]. Это предположение приводит к тому, что фоновые составляющие процессов на выходах гидрофонов, входящих в состав комбинированного приемника, — некоррелированные между собой стационарные случайные процессы, причем дисперсия фоновой составляющей в направленном гидрофоне в три раза меньше, чем в ненаправленном [3]. Сигнальные составляющие в гидрофонах одинаковые. Пространственная фильтрация шумов среды направленного гидрофона и некоррелированность шумовых добавок в обоих гидрофонах и сигналом обеспечивают эффективное мультипликативное комплексирование наблюдений, что существенно улучшает оценку ПХ; также ППО, проводящая оценку текущей дисперсии акустического сигнала, содержит двухвходной перемножитель, ПФ на входах и ФНЧ на выходе перемножителя.

Ниже проведен теоретический анализ ППО на основе преобразования спектров [5]. Предположим, что обработка проходит в непрерывном времени, блоки подсистемы не взаимодействуют друг с другом, а ПФ и ФНЧ имеют единичные коэффициенты передачи и идеальные амплитудно-частотные характеристики. Обозначим: /0 — центральная частота ПФ; А/ — ширина его полосы; /с — частота среза ФНЧ. Интервал времени стационарности, в течение которого дисперсия сигнала значимо не меняется, много больше постоянных времени ПФ и ФНЧ, равных соответственно (А/)-1,

f-1, т. е. допустим квазистационарный подход к анализу [2].

В результате этого анализа находим спектральную плотность мощности процесса на выходе перемножителя. Высокочастотные флуктуации со спектром в области удвоенной частоты 2/0 отфильтровывает ФНЧ, остается низкочастотная составляющая флуктуаций со спектром в области, примыкающей к нулевой частоте / = 0.

Рассмотрим выходные процессы ненаправленного х1(?) = = s(f) + п1(?) и направленного х2(?) = s(f) + п2(?) гидрофонов. Здесь s(f) — сигнальная составляющая, обусловленная источником излучения; п1(?), п2(?) — помеховые составляющие, определяемые фоновым шумом среды. Полагаем, что s(f), п1(?), п2(?) — стационарные и стационарно связанные полосовые (с постоянной спектральной плотностью мощности в пределах полосы пропускания фильтров А/) ГСП, независимые в совокупности, для которых

Е{^)} = Е{п^)} = Е{п2 Ц)} = 0; )} = о2; 0{п^)} = 0^

0{п2(?)} = о2; Е{х^)} = Е^2^)} + Е{п^)} = 0; Е{х2(*)} = 0;

)} = о2 + о2; 0{х2^)} = о2 +о2. Выходной сигнал перемножителя у(?) = х1(?) х2(?),

Е{у (*)} = Е ^)} + E{s(f) (п^) + n2(f))} + Е{п^) n2(f)} = о2.

Ковариационная функция процесса у(?) при перемножении стационарных ГСП х1(?), х2(?) имеет вид [5]:

Ку(т) = Е{[у(0 - Е(у(0)] [у(? + т) - Е(у(? + т))]} = ^(т) «2(1) +

+ «12(Т) «21(Т) + ЕЗД Е(х2(г)} [«12(Т) + «21(Т)] +

+ (Е{х1(г)})2 «2(т) + Е{х2(г)}2 «1(т) = *1(т) «2(т) + «12(т)«21(т),

где К1(т), К,(т) — ковариационные функции процессов х1(/), х2(*); К12(т) = Е{[х1(г) - Е(х1(г))] [х2(?+т) - Е(х2(?+ т))]} — взаимно-ковариационная функция тех же процессов.

Найдем спектральную плотность мощности флуктуаций

Sy (/) = | Ку (т) ехр(- 2 п/т) сГ

Рассмотрим полосовой ГСП с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией. Его двухсторонняя спектральная плотность мощности S0(f) = М0 = (2А/)-1 при /0 - А//2 < |/| < /0 + А//2. Для всех остальных / выполняется равенство S0(f) = 0.

Обозначим ковариационную функцию этого процесса

к(т) = | S0 (/) ехр (i 2п/т) йт, его дисперсия к(0) = 1. Очевидно,

что аналогичный полосовой ГСП с дисперсией о2 имеет ковариационную функцию о2к(т) и спектральную плотность о^0(/). Поэтому

ОД=(©2 +©2)к(т); К2(т)=(©2 + ©2)к(т); ^ = ©2 к(т); К12(т) = Е{^) s(t + т)} + Е{^) т + п0 + т)]} + +£{п1(<) п20 + т)} = ©2к(т). Таким образом Ку (т) = Dy к2(т). Дисперсия y(t) будет

Dy = D {у(*)} = Ку (0) = (©2+ ©2) (©2 + ©2) + ©4; Sy(/) = |Ку(т)ехр(н2п/т)Чт=Dy |к2(т)exp(-i2/Чт.

Последний интеграл равен свертке

Sc (/) = So (/) ® So (/) = Jso (/-д) So (д) Чд,

изображенной на рис. 1.

Sc (0) = ] So (0 - д) So (д) Чд = 2 ] д) Чд = 2^ М= (2А^)-1.

Таким образом, ГСП с ковариацией к2(т) имеет дисперсию к2(0) = 1, причем дисперсия низкочастотной соста

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.

Показать целиком