Разработка и экспериментальное исследование методов оценки параметров гидроакустических сигналов в условиях мелкого моря

• Автор: Орлов, Денис Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Глава 1. Измерение характеристик приемных антенных решеток

§1.1. Измерение чувствительностей гидрофонов решетки

§ 1.2. Реконструкция профиля решетки

§ 1.3. Экспериментальные результаты

§1.4. Анализ погрешностей

§ 1.5. Выводы

Глава 2. Построение траектории движущихся тональных источников

§2.1. Оценка текущих координат источника и общих параметров траектории

§2.2. Экспериментальные результаты

§2.3. Анализ погрешностей

§2.4. Выводы

% Глава 3. Акустическое портретирование протяженных источников
^ §3.1. Портретирование когерентных тональных источников
§3.2. Портретирование широкополосных движущихся источников
§3.3. Экспериментальные результаты
§3.4, Выводы
Глава 4. Оценка параметров движения рассеивателей в рамках просветного
метода локации
§4.1. Модели прямого и дифрагированного сигнала в отсутствие флуктуаций
§4.2. Характеристики помехи, определяемой флуктуациями прямого сигнала
§4.3. Оценка общих параметров движения рассеивателя
£ 4.3.1. Оценка параметров движения в области рассеяния вперед
ф 4.3.2. Оценка параметров движения в области бистатического
рассеяния
§4.4. Последовательное определение текущих положений рассеивателя
§4.5. Экспериментальные результаты
§4.6. Выводы
Заключение
Приложение. Обнаружение и оценка параметров детерминированного сигнала в
присутствии аддитивных и мультипликативных помех
Список литературы
Актуальность темы диссертации. Одной из актуальных задач гидроакустики является экспериментальное определение параметров гидроакустических сигналов. Во многих практических приложениях такими параметрами являются комплексные амплитуды тональных сигналов, спектральные плотности мощности шумовых сигналов, а также местоположение источников звука, в том числе движущихся. Подобные задачи решаются и в других областях, таких как радиолокация и связь; характерной особенностью гидроакустики является специфика распространения звука под водой, определяемая профилем скорости звука, поверхностью и т.п. В мелком море дополнительно требуется учитывать характеристики дна, существенно влияющие на распространение.
Одной из задач такого рода является реконструкция пространственно-частотных зависимостей комплексных амплитуд (в случае тональных сигналов) или спектральной плотности мощности (в случае шумовых сигналов) совокупности элементарных источников, представляющих протяженный источник. Такие зависимости называют акустическими изображениями (или акустическими портретами) источников, и они являются чрезвычайно информативными при выделении конкретных механизмов, являющихся наиболее интенсивными источниками акустического излучения автомобилей, поездов, кораблей и т.п. Акустическое портретирование может применяться как на стадии их проектирования (при исследовании масштабных моделей), так и при акустических испытаниях самих устройств.
Существующие методы выделения отдельных источников звука в составе сложных движущихся излучателей, использующие одноточечные или двухточечные приемные системы (см., например, [1-7]), имеют ограниченную применимость, так как при их использовании требуется либо накладывать существенные ограничения на спектральные и/или корреляционные свойства излучаемых сигналов, либо выполнять синхронные виброизмерения на источнике. Кроме того, эти способы требуют достаточно высоких отношений сигнал/шум. Гораздо более широкие возможности имеют приемные антенные решетки, которые благодаря своему свойству пространственной избирательности позволяют строить пространственно-частотные распределения мощности шума на протяженном источнике без упомянутых ограничений и в последние годы находят всё более широкое применение на практике [8,9]. Обычно применяются горизонтальные или вертикальные линейные решетки, имеющие такие преимущества перед более пространственно развитыми (например, планарными) решетками, как компактность, более низкая стоимость и т.п.
Подобного рода задачам в гидроакустике уделялось достаточно много внимания. Наиболее распространенным методом реконструкции распределенных источников с помощью антенных решеток является метод ближнеполевой акустической голографии (near-field acoustic holography) [10-15]. В этом методе используются, как правило, планарные антенные решетки, по сигналу с которых восстанавливают распределения источников на трехмерной поверхности заданной формы, ограничивающей источник. Большинство процедур, разработанных в рамках этого метода, применимы при однородности среды, неподвижности исследуемого источника, а также высоком отношении сигнал/шум. Введение в него фоновой помехи [16] и движения источника [17,18] усложняют процедуры обработки; кроме того, полезный сигнал в этих модификациях предполагался детерминированным, в то время как акустическое излучение движущегося корабля представляет собой шумовой процесс.
Значительного упрощения методов обработки можно добиться, если представить реконструируемый излучатель в виде набора элементарных источников, расположенных вдоль его оси (нитевидный источник). Такое приближение соответствует случаю источника звука, «вытянутого» вдоль одной из координат, и в низкочастотном диапазоне хорошо описывает акустическое излучение кораблей. В этом случае для реконструкции распределения источников достаточно линейной антенной решетки, а алгоритмы реконструкции могут быть построены с помощью метода параметрического оценивания на основе модели, в которую включена фоновая помеха и подразумевается движение источника. Такой подход был применен в работах [19-24]; при этом, однако, учет движения источника сводился к дополнительному суммированию с определенньми весами «мгновенных» оценок распределений источника с вычитанием среднего, связанного с присутствием помехи. Большой практический интерес вызывает построение процедур, изначально рассчитанных на портретирование движущихся широкополосных источников в присутствии помехи, которая может значительно превышать уровень измеряемого шумоизлучения. Предполагается, что исследуемый источник движется примерно параллельно горизонтальной антенной решетке на небольшом от нее расстоянии.
Другой ситуацией, в которой требуется решение задачи портретирования, является исследование так называемых масштабных моделей, изготавливаемых для проектируемых устройств (как правило, в масштабе 1:10-1:30). Обычно такие модели представляют собой оболочку с находящимися внутри источниками вибрации, имитирующими различные внутренние механизмы. Эти источники являются, как правило, тональными с перестраиваемой частотой, поэтому характеризуются пространственным распределением комплексных амплитуд на заданной частоте, и в этом случае акустический портрет представляет собой зависимость комплексной амплитуды от координаты вдоль модели и частоты излу-
*(м)
Рис. 3.2. Сфокусированные диафаммы направленности антенны на частоте 1,6 кГц; 1 - источник напротив левого края антенны, 2- напротив центра антенны. Вертикальными линиями показаны края и центр антенны.
сфокусированной диаграммы направленности несколько расширяется при смещении источника к краю антенны; уровни боковых лепестков сфокусированных диаграмм направленности примерно такие же, как у «типовой» диаграммы направленности линейной антенны sin х / х.
§3.2. Портрстнрование широкополосных движущихся источников
В данном параграфе рассматривается портретирование протяженного источника звука, движущегося прямолинейно (вектор скорости направлен по осевой линии источника) в присутствии фоновой акустической помехи, статистические свойства которой считаются постоянными в течение периода измерений. Предполагается, что источник является стохастическим (гауссовым) и широкополосным; траектория его движения считается известной. При построении акустического портрета источника весь исследуемый интервал частот разбивается на узкие полосы, для каждой из которых обработка производится независимо: входной сигнал подается на узкополосный фильтр с соответствующей частотной характеристикой, после чего проходит однотипную для каждой частотной полосы обработку, описанную ниже (зависимость различных величин от частоты ниже не указывается). Полоса фильтра при этом выбирается из условия отсутствия декорреляции сигнала на приемной апертуре.
Исходными данными для построения акустического портрета является совокупность случайных нормально распределенных векторов ру,у = 1,каждый вектор длиной N(N, как и ранее, - количество приемных элементов в антенне) представляет собой j-й отсчет по времени векторного сигнала с антенны после полосового фильтра, J- число используемых при портретировании отсчетов. Предполагается, что временные отсчеты выпол-