CC BY
32
СРАВНЕНИЕ УСЛОВИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ В РАДИОТЕХНИКЕ И ГИДРОАКУСТИКЕ Казаков М.Н. Email: Kazakov1174@scientifictext.ru
Казаков Михаил Наумович - инженер, пенсионер, г. Санкт-Петербург
Аннотация: в статье показано, что условия использования сложных сигналов в радиотехнике и гидроакустике существенно отличаются. Радиоволны в приземной атмосфере распространяются прямолинейно и, как правило, не касаются поверхности Земли. Искажения сигналов не происходит, поэтому могут использоваться сложные сигналы с максимальной базой (база равна произведению ширины спектра сигнала на его длительность). Гидроакустические сигналы в вертикальной плоскости распространяются криволинейно. В результате звуковой луч при реальной работе в большинстве случаев касается границ среды (поверхности и дна моря). Волнующаяся поверхность и неровности дна рассеивают сигнал (величина рассеяния зависит от отношения размера неровностей к длине волны сигнала). В результате возникает реверберация, уровень сигнала уменьшается, интервал когерентности становится меньше длительности сигнала. Показано, что в этих условиях оптимальной является комбинированная обработка сигналов (частично корреляционная обработка и энергетическое суммирование). По сложности распространения акустические волны близки к электромагнитным волнам при их распространении в верхних слоях атмосферы Земли.
Ключевые слова: радиотехника, гидроакустика, отношение сигнал/помеха, рассеяние сигналов, корреляционная обработка.
COMPARISON OF THE CONDITIONS FOR USING COMPLEX SIGNALS IN RADIO ENGINEERING AND HYDROACOUSTICS
Kazakov M.N.
Kazakov Mikhail Naumovich - Engineer, Retired, SAINT-PETERSBURG
Abstract: the article shows that the conditions for using complex signals in radio engineering and hydroacoustics differ significantly. Radio waves in the surface atmosphere propagate in a straight line and, as a rule, do not touch the Earth's surface. Signal distortion does not occur, therefore complex signals with a maximum base can be used (base is equal to the product of the signal spectrum width by its duration). Hydroacoustic signals in the vertical plane propagate curvilinearly. As a result, the sound beam in real work in most cases touches the boundaries of the medium (surface and bottom of the sea). The wave surface and bottom irregularities scatter the signal (the amount of scattering depends on the ratio of the irregularity size to the signal wavelength). As a result, reverberation occurs, the signal level decreases, the coherence interval becomes shorter than the signal duration. In terms of the complexity of propagation, acoustic waves are close to electromagnetic waves when they propagate in the upper layers of the Earth's atmosphere. Keywords: radio engineering, hydroacoustics, signal-to-noise ratio, signal scattering, correlation processing.
УДК 623 983
Вторая половина прошлого века ознаменовалась рядом достижений, которые стали фундаментом дальнейшего развития радиотехники. Прежде всего, было установлено, что для полного знания сигнала, не обязательно знать все его мгновенные значения. Вся информация о сигнале содержится в мгновенных отсчётах, отстоящих один от другого на интервал времени, равный 1/ 2*f max , где f max - верхняя частота спектра сигнала (теорема отсчётов [1]). В 1950 году было установлено, что для эффективного выделения сигналов из
46
помех приёмник должен содержать фильтр, частотная характеристика которого комплексно сопряжена со спектром ожидаемого сигнала (согласованный приём) [2]. Позднее выяснилось, что согласованному приёму эквивалентна взаимная корреляционная обработка принимаемого сигнала с эталонной копией излучаемого сигнала (корреляционный приём). В дальнейшем корреляционный приём получил более широкое распространение, так как позволял оперативно изменять параметры используемого сигнала. В 1960 году в радиотехнику начали внедряться статистические методы расчёта параметров радиотехнических систем. В частности, расчёт пороговых отношений сигнал/помех при обнаружении сигналов, который ранее определялся экспериментально, стал вычисляться по заданным вероятностям ложных тревог и пропусков сигналов [3].
Разработка принципиально новой элементной базы (микросхем), а так же появление вычислительных машин во всех областях техники [4], позволило в активной радиотехнике (в радиолокации и радиосвязи) использовать сложные сигналы, причём, любой сложности, вплоть до псевдошумовых. Сложными сигналами называют такие сигналы, произведение ширины спектра которых F на их длительность T много больше 1, то есть F*T>>1. Это произведение называется базой сигнала B = F*T. Максимальное значение базы определяется возможностями передающего устройства (генератора и антенной системы) и скоростью взаимного сближения корреспондентов в режиме связи и радиолокатора с объектом локации. База простых сигналов равна B ~ 1 (тональные импульсы). Сложные сигналы имеют следующие основные преимущества перед простыми сигналами [5]:
- Помехоустойчивость. При совпадении фаз принятого сигнала с фазами эталонного сигнала на выходе коррелятора формируется автокорреляционный пик. Отношение сигнал/помеха на выходе корреляционного приёмника равно отношению корреляционного пика (удвоенной энергии сигнала) к спектральной плотности помех:
q = 2*E/N0, (1)
где: E - Энергия сигнала, E = Pc*T (Pc- мощность сигнала);
N0 - Спектральная плотность помех, N0 = P0 /F (P0 - мощность помех, F - ширина спектра помех, совпадающая шириной спектра сигнала).
Подставляя значения E и N0 в (1), находим:
q = 2*B*p, (2)
р = Pc /P0, (3)
где: р - Отношение сигнал/помеха на входе корреляционного приёмника. Выигрыш вследствие корреляционной обработки равен 2*B.
Обнаружение простых сигналов возможно только по превышению мощности сигнала над мощностью помех на выходе приёмника (энергетический прием).
- Высокая разрешающая способность. Продолжительность автокорреляционного пика равна т = 1/F = T/B, то есть в B раз короче истинной длительности сигнала. Это позволяет разделять расположенные близко друг к другу объекты и отстраиваться от локальных помех.
Как правило, радиоантенны устанавливаются на мачтах, высоты которых значительно превышают длины используемых радиоволн. Поэтому поверхность Земли не оказывает существенного влияния на распространение радиоволн. В приземной атмосфере радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью (свободное распространение) [7]. Если радиолучи всё же касаются добавочными лепестками своих характеристик направленности поверхности Земли, то это создаёт лишь слабые помехи прямому лучу, который всегда существует. В радиолокации эти помехи называются отражениями от местных предметов. Поскольку радиосигналы не искажаются при распространении, преимущества сложных сигналов реализуются полностью.
После освоения сложных сигналов в радиотехнике сложные сигналы стали использоваться в гидроакустике (в гидролокации и гидроакустической связи) [6], [10], [19]. Однако условия распространения звуковых волн в океане существенно отличаются от условий распространения электромагнитных волн в атмосфере. Прежде всего, звуковые лучи в океане прямолинейно не распространяются. Звуковые лучи в вертикальной плоскости имеют форму последовательности дуг окружностей. Это связано с тем, с глубиной в океане
47
растет статическое давление, а с ней растёт и скорость звука. Кроме того, на скорость звука влияет солёность воды и её температура. Излучённый горизонтально, луч отклоняется к поверхности или ко дну моря в зависимости от градиента скорости звука в точке излучения, а достигнув границы и отразившись от неё (или претерпев полное внутреннее отражение), движется к другой границе и т.д. Свободным распространением в гидроакустике можно назвать движение луча в подводном звуковом канале, при движении в котором луч не касается границ среды. В [17] приведены типовые вертикальные разрезы скорости звука (ВРСЗ), которые определяют ход звуковых лучей. Таких типовых разрезов 5 и только один из них формирует подводный звуковой канал. Таким образом, в большинстве случаев практического применения гидроакустики звуковой луч касается границ среды.
Если бы поверхность моря была совершенно гладкой, она представляла бы собой идеальный отражатель звука. При волнении поверхности моря, которое в разной степени наблюдается всегда, потери не равны нулю. Величина потерь зависит от неровности (шероховатости) поверхности. Критерием неровности поверхности служит параметр Рэлея [11]:
R = 0, (4)
где: к=2яЛ - волновое число (X - длина волны сигнала),
Н - Высота волн (среднеквадратичное значение).
0 - Угол скольжения.
Коэффициент отражения К от нерегулярной поверхности, определяемый как отношение амплитуды когерентного зеркального отражения (полезного сигнала) к амплитуде падающей волны равен:
К = ехр (- R) (5)
При R << 1 поверхность моря является почти идеальным отражателем и создаёт зеркальное когерентное отражение под углом, равным углу паления. При R >> 1 значительная часть отражения от поверхности представляет собой некогерентное рассеяние с распределением по пространству, зависящим от характера неровностей поверхности. Колебания поверхности моря вызывают расширение спектра сигнала и вариации его амплитуды.
Отражение и рассеяние звука дном моря так же может быть характеризовано параметром Рэлея. Однако, часть энергии сигнала дном поглощается. Величина поглощения зависит от характеристик дна. Потери могут составлять от 4 до16 дБ (камень, ил соответственно).
Малые частицы, находящиеся в слоях воды (газовые пузырьки, твёрдые взвешенные частицы, термические неоднородности и т. д.) также вызывают рассеяние звука (объёмное рассеяние), однако уровень объёмного рассеяния по сравнению с уровнем рассеяния граничными поверхностями невелик.
Некогерентное рассеяние воздействует на вход гидролокационного приёмника и создаёт помехи приёму сигналов. Это явление в гидролокации называется реверберацией [9]. Максимальный уровень реверберации соответствует моменту начала излучения сигнала. Затем ее уровень спадает, однако реверберация наблюдается в течение всего времени приёма сигнала.
В глубоком море период касания границ среды может составлять десятки километров, в мелком море этот период часто всего несколько километров. При распространении звукового луча происходит несколько касаний границ. При каждом из этих касаний искажается фазовая структура сигнала. Фазовая структура сигнала искажается и в том случае, когда луч претерпевает полное внутреннее отражение [12], [13], то есть и при распространении в подводном звуковом канале. При искажении фазовой структуры интервал когерентности принимаемого гидролокатором сигнала становится меньше длительности излучённого сигнала. Некогерентная часть сигнала становится помехой приёму [8].
В этих условиях эффективным может оказаться способ обнаружения сигналов (назовём его комбинированным) предложенный в [14, частично-когерентная обработка, ЧКО], [15, частично когерентная обработка], [16, гибридная обработка]. Этот способ заключается в следующем [14]:
- Эхо-сигнал при обработке разбивается на m одинаковых частей (блоков), частотно-временные параметры которых, сохраняют высокие корреляционные свойства с аналогичными частями зондирующего сигнала в текущих условиях наблюдения;
- Каждая из m частей эхо-сигнала обрабатывается когерентно;
- После обработки каждого блока выходные сигналы блоков энергетически суммируются.
Оценим отношение сигнал/помеха qk при использовании комбинированного способа приёма сигналов. При этом примем, что сигнал псевдошумовой. Это позволит считать, что отношение сигнал/помеха на входе корреляторов отдельных блоков такое же, как у единственного коррелятора до разбиения сигнала на блоки и равно р (3). Определим степень коррелированности помех в блоках. Для того, чтобы корреляционная обработка в блоках повышала отношение сигнал/помеха, сигналы в блоках должны оставаться сложными. То есть должно обеспечиваться неравенство:
(F*T/m) >>1, (6)
где: m - число блоков. Из (6) следует, что:
т = 1/F << T/m, (7) где: т - интервал корреляции помех (совпадает с продолжительностью корреляционного пика).
Из (7) следует, что помехи блоков взаимно некоррелированы. При суммировании отдельных участков принятого сигнала (корреляционных выбросов отдельных блоков) и некоррелированных помех блоков отношение сигнал/помеха возрастает в m раз [18]. Следовательно, отношение сигнал/помеха при комбинированной обработке равно:
qk = 2(F*T/m)* p*m = 2*B* р = q (8) Таким образом, комбинированная обработка позволяет получить при частичной когерентности принятого сигнала такое же отношение сигнал/помеха, как и при его полной когерентности. Однако комбинированная обработка требует в m раз большей производительности вычислительных средств.
Перед гидроакустической связью стоят не менее сложные задачи, чем перед гидролокацией. Хотя гидроакустическая связь имеет дело с «прямыми сигналами», она, как всякая связь, наряду с обнаружением ответного сигнала, должна обеспечить достоверность принимаемых сообщений. Выводы
Из изложенного видно, что условия распространения акустических волн в океане значительно сложнее условий распространения электромагнитных волн в приземных слоях атмосферы, скорее они близки к условиям распространения электромагнитных волн в верхних слоях атмосферы. То же искривление лучей, отражение от границ среды, полное внутреннее отражение, интенсивное рассеяние, многолучёвое распространение, интерференция, частичная когерентность сигналов.
С целью более полного учета характеристик среды и разработки рекомендаций по использованию различных типов сигналов следует продолжить исследования условий распространения звуковых волн в различных районах океана. Необходимо обеспечить возможность оперативной перестройки технических средств согласно рекомендациям, полученным в результате исследований.
Список литературы /References
1. Котельников В.А. [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://ru.wikipedia.org/wiki/Котельников_Владимир_Александрович/ (дата обращения: 14.11.2020).
2. Быховский М.А. Пионеры информационного века. История развития теории связи. М. Техносфера, 2006. С. 370.
3. Ширман Я.Д., Голиков В.Н. Основы теории обнаружения радиолокационных сигналов и измерения их параметров. М. Советское радио, 1963. С. 278.
4. Казаков М.Н. Развитие аппаратуры обнаружения гидроакустических сигналов в период с1950 по 2005 годы//Наука, техника и образование, 2019. № 9 (62). С. 22-35.
5. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М. Радио и связь, 1985. С.385.
6. Гидроакустический комплекс МГК-400ЭМ (экспортный, модернизированный). Решаемые задачи. Основные характеристики. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.oceanpribor.ru/docs/mgk-400em.pdf/ (дата обращения 16.11.2020).
7. Родос Л.Я. Электродинамика и распространение радиоволн. СПб.Издательство СЗТУ, 2007. С. 89.
8. Ольшевский В.В. Характеристики обнаружения эхо-сигналов при использовании корреляционного и квадратичного детектирования. // Акустический журнал, 1973. Том 19, Вып. 1. С. 60-66.
9. Ольшевский В.В. Статистические свойства морской реверберации. М. Наука, 1966. С. 202.
10. Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации. Л. Судостроение, 1983. С .280.
11. УрикДж.Р. Основы гидроакустики. Л. Судостроение, 1978. С. 446.
12. БреховскихЛ.М. Волны в слоистых средах. М. Наука, 1973. С. 343.
13. Тюрин А.М., Сташкевич А.П., Таранов Э.С. Основы гидроакустики. Л. Судостроение, 1966. С. 296.
14. Илларионов А.А., Козловский С.В., Корякин А.Б., Щерба С.А. К оценке уровня реверберационной помехи при частично-когерентной обработке эхо-сигналов // Известия ЮФУ. Технические науки, 2015. № 12.
15. Школьников И.С., Яковлев А.Д. Зондирующие сигналы современных гидролокаторов // Гидроакустика, 2013. Вып. 17 (1). С. 86-93.
16.Ходжес Ричард. Подводная акустика. [Электронный ресурс]. Режим доступа: Underwater Acoustics Analysis, Design and Performance of Sonar by Richard P. Hodges (z-lib.org)/ (дата обращения: 29.10.2020).
17. Евтютов Ф.П. и др. Справочник по гидроакустике. Л. Судостроение, 988. С. 550.
18. Тюрин А.М. Введение в теорию статистических методов в гидроакустике. Л. ВМОЛА. 1963. С. 252.
19. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб. Наука, 2004. С. 411.
