. (30)
И тогда соотношение сигнал/шум сводится к
. (31)
Учитывая, что и , окончательно получим
. (32)
Полученное соотношение (32) полностью совпадает с известным соотношением сигнал/шум в случае согласованной фильтрации, или корреляционной обработки [1,2,4]. Вместе с тем необходимо отметить, что в рассмотренном методе как обнаружение объекта, так и измерение его дальности проводятся в частотной области.
Рассмотрим более подробно работу устройства измерения дальности, блок-схема которого представлена на рис. 1.
Представленное устройство содержит следующие элементы:
SG1 - генератор зондирующего сигнала, формирует сигнал в дискретном виде;
DAC - цифро-аналоговый преобразователь, преобразует цифровой сигнал в аналоговый;
BF1 - полосовой фильтр, удаляет помехи и выделяет аналоговый сигнал в заданной полосе;
Amp.1 - усилитель, усиливает сигнал перед подачей его на излучатель;
Amp.2 - усилитель, усиливает принятый эхо-сигнал;
BF2 - полосовой фильтр, выделяет эхо-сигнал в заданной полосе;
ADC - аналого-цифровой преобразователь, проводит дискретизацию аналогового сигнала;
mixer - смеситель, осуществляет перемножение референтного сигнала и эхо-сигнала;
LF - низкочастотный фильтр, выделяет низкочастотную составляющую разностной частоты, которая содержит информацию о дальности;
SDP - блок вычисления спектральной плотности мощности, ось частот является шкалой дальности и градуируется в единицах длины;
CU - устройство управления, предназначено для синхронизации работы отдельных блоков;
PC - персональный компьютер, функции блоков, охваченных пунктирной линией, могут быть реализованы в персональном компьютере.
Генератор зондирующего сигнала (SG1) по команде из устройства управления (CU) формирует в цифровом виде ЛЧМ сигнал с заданными параметрами (начальная частота, полоса частот, длительность). Цифро-аналоговый преобразователь (DAC) преобразует сигнал из цифровой формы в аналоговую и подает его в полосовой фильтр (BF1). Так как в результате преобразования “цифра-аналог” появляются помехи, то BF1 выделяет сформированный аналоговый сигнал в заданной полосе частот, после чего сформированный зондирующий ЛЧМ сигнал усиливается в усилителе (Amp.1) и излучается. В это же время по команде CU запускается генератор референтного ЛЧМ сигнала, который имеет такие же начальную частоту и коэффициент девиации, что и зондирующий сигнал, но отличающийся длительностью и полосой частот, которые определяются по заданному диапазону дальности.
Принятый эхо-сигнал усиливается усилителем (Amp.2) и подается в полосовой фильтр (BF2), где сигнал отфильтровывается в заданной полосе от шума среды. Далее сигнал подается в аналого-цифровой преобразователь (ADC), где он приводится к цифровому виду, и затем поступает в смеситель (mixer). В смесителе эхо-сигнал перемножается с референтным, который подается из SG2. В результате образуются две составляющие сигнала. Одна составляющая разностной частоты, которая используется для измерения дальности, и другая высокочастотная составляющая суммарной частоты. Низкочастотный фильтр (LF), куда сигнал подается с выхода смесителя, выделяет низкочастотную разностную составляющую и подавляет высокочастотную составляющую. Далее низкочастотная составляющая подается в блок вычисления спектральной плотности мощности (SDP). Операция вычисления спектральной плотности мощности реализуется на основе алгоритма Быстрого Преобразования Фурье (БПФ), когда вычисляется ДПФ (Дискретное Преобразование Фурье) и затем вычисляется его квадрат модуля [3]. При этом частотная ось градуируется в единицах измерения дальности. Синхронизация работы отдельных блоков устройства осуществляется устройством управления (CU).
Заключение
В современных гидролокаторах для решения задач обнаружения сигналов и измерения их параметров, несущих информацию о дальности и скорости цели, используют различные виды сигналов и методы их обработки. При этом основным методом является метод согласованной фильтрации, или корреляционный метод. Метод корреляционной обработки позволяет сжимать сигнал во времени, концентрируя энергию сигнала в узком диапазоне и увеличивая тем самым отношение сигнал/шум на выходе приемника, что ведет к повышению вероятности правильного обнаружения, улучшению разрешающей способности и точности измерений. При решении определенных задач и, соответственно, выборе для этого некоторого сигнала проводится анализ потенциальных возможностей сигналов с применением основных положений функции неопределенности, из которых следует, что наилучшими сигналами в задачах “обнаружение-измерение” являются такие, у которых функция неопределенности имеет кнопочный вид [1,2,4]. В то же время такие сигналы имеют особенность, когда их временная структура чувствительна к искажениям канала распространения. Поэтому для успешного применения техники корреляционной обработки необходим банк копий сигналов, определенным образом учитывающих влияние канала, что непросто сделать для сигналов со сложенной фазовой модуляцией. В противном случае ожидаемого положительного эффекта не будет.
Влияние гидроакустического канала на распространение звука заключается в наличии таких факторов, как многолучевость, что может приводить к федингу в случае простых гармонических сигналов, и в наличии ложно заполненных пассивных отражателей, что вызывает реверберацию. В ряде работ проведен анализ обработки сигналов для указанных факторов и получены результаты, указывающие, что сигнал в таком случае должен иметь плоскую спектральную плотность [1,5,6]. Сигналом, удовлетворяющим такому требованию, является ЛЧМ сигнал.
В выполненной работе приведен метод корреляционной обработки ЛЧМ сигнала. Суть этого метода заключается в преобразовании временного сдвига сигнала в частотный. Для этого в приемнике формируется специальный референтный сигнал с параметрами, которые зависят от параметров зондирующего и от диапазона измеряемой дальности, что отличает этот метод от известных методов корреляционной обработки. Данный метод отличается от известных отсутствием банка копий (или многоканальности) и простотой реализации. При этом он сохраняет все достоинства техники корреляционной обработки. Метод активной корреляции кроме обнаружения сигналов, позволяет измерять дальность до целей с высокой разрешающей способностью, что делает возможным применять в задачах томографии.
Устойчивость структуры ЛЧМ сигналов к искажениям в гидроакустическом канале позволяет применять их и при решении задач навигационного ориентирования подводных аппаратов. Однако при наличии доплеровского эффекта данный метод будет давать ошибку по дальности, хотя и небольшую. Но так как подводные аппараты имеют, как правило, скорости не более 3 узлов, то метод активной корреляции вполне применим для их навигационного ориентирования.
Литература
гидролокатор импульс излучатель кодирование
1. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. М.: Сов. Радио. 1971.
2. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М.: Сов. Радио. 1970.
3. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир. 1978.
4. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь. 1983.
5. Kay S., Optimal Signal Design for Detection of Gaussian Point Targets in Stationary Gaussian Clutter/Reverberation. Kingston, University of Rhode Island, 2007.
6. Ван Трис Г., Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т 3., М.: Сов. Радио. 1977.