Виды обработки принимаемых сигналов

 

Во всех современных гидролокационных системах обработка сигналов относится к числу наиболее важных операций. В сочетании с операциями, выполняемыми акустическим преобразователем, она дает возможность получить информацию об окружающем пространстве в океане.

Во многих ситуациях акустическая среда, а также цели и источники звука могут обладать высокой направленностью, так что с успехом могут быть использованы методы пространственной фильтрации и совместной обработки сигналов с выходов приемной антенны.

При обработке принимаемых сигналов применяется множество различных алгоритмов и систем, хотя значительная часть этих алгоритмов базируется всего на нескольких основных идеях [6].

Так, например, во многих случаях одна компонента внешнего поля акустических сигналов представляет собой помеху, а другая - сигнал от источника, находящегося на определенном направлении. Эффективный алгоритм обработки принимаемых сигналов обеспечивает минимизацию отклика на шумовую составляющую путем минимизации перекрытия диаграммы направленности с интенсивными компонентами поля шумов и в то же время сохраняет направление ХН на цель (т.е. на источник сигнала). Все алгоритмы, обеспечивающие эту минимизацию, должны быть весьма универсальными ввиду того, что оценки акустических свойств окружающей среды следует находить в реальном времени. Сомнительно, чтобы все эти алгоритмы можно было реализовать, не применяя современной цифровой техники.

Аддитивный алгоритм формирования ПК

В простейшем виде пространственная фильтрация заключается в введении задержек на выходах преобразователей рабочего пятна для того, чтобы можно было учесть относительные задержки распространения сигнала для всех направлений источник - элемент, а затем просуммировать результаты. Сигналы, приходящие с интересующего нас направления, суммируются когерентно (т.е. синфазно), а сигналы с других направлений - некогерентно и, следовательно, ослабляются. Обычно, однако, используется более сложная обработка с неодинаковым взвешиванием (амплитудным распределением) и сдвигом фаз на выходах всех преобразователей приемной антенны. Часто все эти операции в ГАС военного назначения выполняются адаптивно при обработке сигналов с учетом получаемых данных. Основной метод формирования диаграммы направленности иллюстрируются на рисунке 3.

 

Рисунок 3 - Аддитивный алгоритм формирование ПК

 

В алгоритмах обработки принятых сигналов, основанных на представлении сигналов с помощью плоских волн, применяется преобразование Фурье, которое связывает весовые коэффициенты преобразователей с формой диаграммы направленности приемной антенны.

Формирование пространственных каналов (ПК) по приведённой схеме происходит в частотной области. Сигналы с выходов каналов антенны после перевода в частотную область и ввода фазовых множителей, суммируются с весами по элементам рабочего пятна. Дополнительно вводится накопление по времени. Выходной эффект системы обработки определяется по формуле:

 

,

 

где , Х - выход m-го элементарного канала, f - частота, A - амплитудный коэффициент, α - угол компенсации, n - количество элементарных каналов в рабочем пятне, - временная задержка, возникающая при прохождении плоского фронта сигнала на элементах приемной антенны, t - время накопления.

Взаимосвязь между физическим размером антенны и шириной ее диаграммы направленности имеет вид соотношения неопределенностей, так что чем больше размер антенны, тем уже ее диаграмма. Но на практике размеры антенны ограничены. Кроме того, свойства среды распространения, влияющие на когерентность сигналов, накладывают ограничения на максимальные размеры антенн. Из вышеизложенного и того факта, что модуль волнового вектора уменьшается при увеличении частоты звука, следует необходимость применения как можно более высоких частот для получения узких диаграмм направленности. К сожалению, влияние среды распространения и, в частности, поглощение звука ограничивают эту возможность.

Мультипликативный алгоритм формирования ПК

Теория обработки принимаемых сигналов антенны, ориентированной на линейное взвешивание и фазовый сдвиг выходных сигналов преобразователей, в значительной мере базируется на фурье-анализе. Этот естественный результат вытекает из представления поля сигналов с использованием плоских волн. В ряде важных применений используются также операции коррелирования выходных сигналов приёмников. Основная идея метода хорошо иллюстрируется на примере коррелятора с расщепленной диаграммой направленности, схема которого приведена на рисунке 4.

Выходным эффектом мультипликативного алгоритма (часто называемого корреляционным) является:

 

Т.е. при такой обработке сигналов преобразователи рабочего пятна приёмной антенны разбиваются на две группы, каждая из которых рассматривается по аддитивной схеме (1). Выходные сигналы двух групп коррелируются. Принцип работы этой системы заключается в том, что если в направлении главного лепестка диаграммы

 

Рисунок 4 - Мультипликативный алгоритм формирование ПК

 

Имеется источник сигнала, то он будет сфокусирован каждой из групп элементов и создаст идентичные (или похожие) выходные сигналы, что обеспечит высокий уровень взаимной корреляции. Напротив, если в направлении главного лепестка диаграммы энергия в сигнальном поле отсутствует, выходные сигналы будут неодинаковы и слабо коррелированны. Хотя коррелятор с расщепленной диаграммой используется достаточно часто, мультипликативные антенны (с перемножением) практически не применялись [7]. Одним из главных недостатков этого метода является то, что при небольших отношениях сигнал/шум на выходах обеих антенн операция умножения изменяет некоторые пороговые характеристики системы.

С целью улучшения обнаружения слабых целей на фоне сильных применяется обработка, в ряде случаев называемая нормированной мультипликативной обработкой.

Заключается она в нормировании (делении) выходного эффекта мультипликативной обработки (2) на модуль произведения аддитивных половинок рабочего пятна:

 

 

Известно, что достоинства мультипликативных алгоритмов в меньшей, по сравнению с аддитивными, ширине ХН. Однако, отношение сигнал / помеха мультипликативных алгоритмов меньше, чем у аддитивного на 3 дБ [8], что важно при обнаружении слабых сигналов, но может оказаться не столь существенным при решении поставленных перед ГАС ШП задач.

Следует отметить, что существуют и другие алгоритмы, обеспечивающие высокое (и сверхвысокое) пространственное разрешение, но они довольно ресурсоёмки и их применение в ГАС ШП туристической ПЛ скорее всего избыточно.

 

   
2. Технические характеристики и состав ГАС ШП ТПЛ