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

Актуальность темы

дисссртации. 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 связьхарактерной 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, планариыми) 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 обработкикроме 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 определенными 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 излучения.

При акустическом портретировании движущихся источников возникает задача измерения их траектории, которая может представлять и самостоятельный интерес. Обычно с этой целью на исследуемом объекте укрепляют специальный источник импульсного или тонального сигналапринятый от этого источника сигнал и используют для определения траектории. Традиционные для траекторных измерений импульсные источники имеют ряд недостатков. Наиболее существенным из них является широкополосность импульсных сигналов, приводящая к искажению измеряемых характеристик шумоизлучения. Другой недостаток состоит в том, что требуется точная временная синхронизация источника и приемной системы, что существенно усложняет измерения. Тональные источники свободны от этих недостатков и в последнее время всё чаще применяются на практике.

Процедуры оценки траекторий гидроакустических источников разрабатывались и исследовались для достаточно широкого набора сценариев. Прежде всего, необходимо отметить большой цикл работ, в котором траектория источников определялась в случае большого расстояния между источником и антенной в контексте задачи обнаружения «чужих» источников. При этом, как правило, применяются вертикальные антенные решетки и подход, известный под названием метода согласованного поля (matched-field processing) [25,26], позволяющий эффективно локализовать подводный источник путем сравнения принятого акустического сигнала с репликой, полученной в рамках определенной модели распространения звука при различных значениях неизвестных параметров, характеризующих положение источникав качестве истинных значений параметров принимаются те, при которых обеспечивается наилучшее соответствие принятого и модельного сигналов. Изначально разработанный для определения местоположения неподвижного источника [27−35], метод в дальнейшем был распространен на случай движущегося источника [36—41]. Вследствие больших расстояний в качестве модельного сигнала при этом чаще всего использовалось описание поля в виде суммы нормальных мод. Случай горизонтальной антенной решетки и ближнего поля рассматривался гораздо менее активно, так как соответствует менее распространенному сценарию, в котором источник является «своим», а траекторные измерения носят вспомогательный характер при измерении уровня подводного шума.

Для измерения траекторий в ближней зоне антенны могут использоваться как высокочастотные источники (в морских условиях — несколько кГц), так и низкочастотные (обычно 200−300 Гц). Для случая высокочастотных источников были предложены способы измерения траекторий, использующие зависимость доплеровского сдвига частоты от времени [42,43]. Однако эти способы требуют ограничений на вид траектории (как правило, ее прямолинейности и равномерности). Для низкочастотных источников эффект Доплера выявлен слабо, поэтому его использование для определения траекторий невозможно. Зато на низких частотах сильнее проявляется интерференция, которая может повысить возможности локализации источников. В [38] был предложен простой алгоритм определения параметров движения источника, движущегося прямолинейно и равномерно вблизи нескольких произвольно расположенных приемников, использующий некогерентную пространственно-частотно-временную обработку и представление поля в виде суммы двух лучей — прямого и отраженного от поверхности. В качестве параметров траектории были выбраны координаты начальной и конечной точки, поэтому этот способ применим лишь для прямолинейных и равномерных траекторий. Большой практический интерес вызывает разработка построения траектории низкочастотного тонального источника, работоспособного в случае неравномерной и/или непрямолинейной траектории и учитывающего необходимость определения текущего положения источника в реальном масштабе времени, т. е. непосредственно во время проведения эксперимента.

Задача определения параметров движения является актуальной также в случае так называемой просветной локации, в которой цель — источник рассеянного звукового поляперемещается между источником подсветки и антенной решеткой [44−57]. Такой схеме локации в последнее время уделяется всё большее внимание. Основным достоинством метода по сравнению с традиционной локацией является то обстоятельство, что сечение рассеяния в прямом направлении существенно возрастает по сравнению со случаем обратного рассеяния. Традиционно оценка параметров движения при просветной локации проводилась в окрестности пересечения трассы «источник — приемник», т. е. в области рассеяния вперед [47,48,50,51]. В то же время В. А. Зверевым было показано [52,53], что цель может весьма успешно наблюдаться на достаточно большом удалении от точки пересечения (в так называемой области бистатического рассеяния), где сила цели существенно меньше и определяется боковыми лепестками диаграммы рассеяния. Хотя сечение рассеяния в этом случае существенно уменьшается, при этом также снижаются флуктуации прямого сигнала вследствие достаточно большого доплеровского сдвига частоты дифрагированного сигнала.

Для построения эффективных процедур определения траектории и скорости цели как в области рассеяния вперед, так и в бистатической области необходима модель наблюдаемого сигнала, включающая как дифрагированную компоненту, так и фоновую помеху. Характеристики фоновой помехи1 могут быть определены эмпирическим путем, однако для дифрагированной компоненты это достаточно сложно сделать в реальных условиях, а модельное описание, использующее представление поля в виде нормальных мод, на практике наталкивается на серьезные трудности. Выходом из положения здесь может быть формирование такой схемы эксперимента, для которой модель дифрагированной компоненты слабо зависела бы от параметров волновода. Известно, что такая слабая зависимость имеет место для не слишком длинных горизонтальных решеток при угловых ориентациях главного максимума, не слишком отклоняющихся от нормали к решетке [58,59]. Развивая эту идею, можно проанализировать модель дифрагированной компоненты для условий волноводного распространения и найти область параметров, при которых модель будет некритична к характеристикам среды. Очевидно, однако, что даже при адекватности описания дифрагированной компоненты «полезный» сигнал будет испытывать интерференционные замирания из-за наличия спектра волновых чисел в отличие от свободного пространства, характеризуемого одним волновым числом. Тем не менее, можно ввести этот эффект в модель эвристическим путем, рассматривая незнание точного вида интерференционной структуры как случайную мультипликативную помеху с некоторым масштабом корреляции. Здесь следует отметить, что случаю мультипликативной помехи в литературе уделялось существенно меньшее внимание, чем случаю аддитивных помех. Поэтому вывод максимально правдоподобной процедуры оценки параметров в присутствии аддитивной и мультипликативной помех применительно к просветной схеме локации представляет самостоятельный интерес.

Большой практический интерес представляет как развитие существующих подходов к определению параметров движения в рамках просветного метода локации с помощью горизонтальной антенной решетки, так и создание новых методов, которые позволяли бы проводить траекторное оценивание в реальном времени.

При решении перечисленных задач, а также практически при любых измерениях, использующих приемные антенные решетки, требуется как можно более точное знание взаимного положения приемных элементов антенной решетки, т. е. ее профиля. При абсолютных гидроакустических измерениях требуется также знать чувствительность гидрофонов, которая после развертывания антенной решетки может меняться — как вследствие несовпадения температурных и прочих условий с лабораторными, так и вследствие влияния различных конструктивных элементов решетки (несущих конструкций, механических связей и т. п.) на чувствительности гидрофонов, что достаточно трудно учесть при лабораторных измерениях. Очевидно также, что в случае гибкой или полужесткой конструкции решетки ее профиль после развертывания может отличаться от требуемого.

1 Помеха в просветном методе определяется как флуктуациями прямого поля из-за рассеяния на взволнованной поверхности, объемных неоднородностях показателя преломления и т. д., так и обычными фоно.

В настоящее время известны и применяются на практике различные способы определения как абсолютных чувствительностей приемных элементов, так и профиля стационарных антенных решеток. Наиболее распространенными методами определения чувствительностей являются метод сравнения и метод взаимности [60,61], а также их многочисленные модификации (см., например, [62−66]). Подавляющее их большинство рассчитано на случай, когда измерения производятся с помощью специальных устройств и установок, таких как измерительные камеры, трубы, затушенные бассейны и т. п., в которых создаются условия, близкие к безграничному пространству. Очевидно, что после установки антенны в рабочее положение такие способы оказываются неприемлемыми. Для определения положения приемных элементов обычно используется набор источников акустического сигнала (как правило, импульсного типа) [67−74]. Однако наиболее эффективные методы определения положений приемных элементов требуют синхронизации моментов приема с моментами излучения [73], что требует соответствующих технических решений [69]. Источники без синхронизации с приемниками (как правило, обычные лампы с колбами, взрывающиеся под давлением воды или с помощью специальных приспособлений), также могут быть применены для определения профиля антенны [70,72−74], однако отсутствие синхронизации существенно ограничивает точность таких методов. В связи с этим актуальной является задача разработки метода, который позволял бы решить в натурных условиях обе поставленные задачи, и требовал бы более простых технических решений.

При решении вышеупомянутых задач большое значение имеет выбор способа определения характеристик источников по совокупности результатов измерений гидроакустического поля с учетом того, что «полезные» сигналы от источников принимаются на фоне помехи. Актуальным и современным подходом является здесь использование методов оценки параметров сигналов [75−80]. Такой подход предполагает, что структура принимаемого сигнала является известной с точностью до нескольких числовых параметров — в данном случае положений и амплитуд источников. Соответственно, вначале строится математическая модель принимаемого сигнала (в общем случае — многомерная плотность распределения вероятности, характеризующая совокупность отсчетов), а затем уже выводятся процедуры оценки чисел, представляющих неизвестные параметры плотности распределения вероятности. В отличие от обычного инженерного подхода, связанного с формированием диаграммы направленности антенной решетки или ее фокусировкой, фильтрацией принятых сигналов и т. д. (см., например, [60,81]), методы оценки обычно реализуют наилучшую в данной конкретной обстановке (тип помехи, диапазон частот и т. д.) точность определения параметров, поскольку чаще всего используются так называемые выми шумамипри достаточной мощности излучателя первая составляющая существенно преобладает. эффективные (неулучшаемые) или асимптотически эффективные оценки. Заметим, что не во всех случаях выведенные таким путем алгоритмы обработки сигналов можно трактовать в терминах формирования диаграммы направленности, фильтрации и т. п. [80].

Цель работы. В соответствии с изложенным выше кругом проблем, основной целью диссертационной работы является:

• разработка и экспериментальное исследование методов определения положений и амплитуд либо спектральных плотностей мощности источников звука в условиях мелкого моря при относительно небольших дистанциях с использованием линейных приемных решеток, в том числе:

— оценка чувствительностей и профиля линейных решеток гидрофонов,.

— оценка параметров траектории движущихся низкочастотных тональных источников звука,.

— оценка комплексных амплитуд или спектральной плотности мощности совокупности линейной цепочки элементарных источников звука, представляющей протяженный источник;

• разработка и экспериментальное исследование методов оценки параметров движения источников рассеянного поля в рамках локации «на просвет» в условиях дальнего распространения звука в мелком море.

Научная обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается применением к решению поставленных задач метода параметрического оценивания с привлечением современной теории обработки сигналов. Особое внимание в диссертации было уделено экспериментальной апробации предложенных методов и алгоритмов, которая подтвердила их эффективность, а также исследованию погрешностей.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Для многоэлементных приемных антенных решеток, развернутых в мелком море, разработан и экспериментально исследован метод диагностики, включающей определение чувствительностей гидрофонов и трехмерного профиля решетки, с использованием тестового широкополосного источника звука и эталонного гидрофона.

2. Разработан и экспериментально исследован метод определения траектории источника низкочастотного тонального сигнала, движущегося в мелком море относительно горизонтальной приемной антенной решетки на расстоянии, сопоставимом с глубиной места и длиной приемной решетки.

3. Разработаны и экспериментально исследованы процедуры акустического портретиро-вания, состоящего в оценке амплитуд когерентных тональных протяженных источников и спектральной мощности широкополосных движущихся протяженных источников, с использованием горизонтальной приемной антенной решетки.

4. Разработаны и экспериментально исследованы процедуры определения параметров движения рассеивателя, пересекающего трассу между источником тональной акустической подсветки и горизонтальной приемной антенной решеткой, в условиях дальнего распространения звука в мелком море.

Практическая значимость. Разработанный в диссертации метод диагностики антенных решеток позволяет значительно повысить точность самых разнообразных гидроакустических измерений, поскольку позволяет определять чувствительности и координаты гидрофонов после установки антенной решетки в рабочее положение. При решении практических задач, связанных с контролем шумоизлучения распределенных источников звука (в том числе движущихся), могут быть использованы процедуры акустического портретирования, предложенные в диссертации. Разработанные методы определения параметров движения при просветной локации могут применяться в системах, предназначенных для защиты от несанкционированного проникновения в охраняемые акватории. Экспериментальная апробация разработанных методов и алгоритмов показала их высокую эффективность, и они могут быть использованы в гидроакустических приборах и системах, развертываемых в условиях мелкого моря.

Результаты диссертации были использованы в ряде НИР, НИЭР и НИОКР по гидроакустике, выполняемых в ИПФ РАН, при выполнении проектов в рамках грантов РФФИ и Минпромнауки, а также при проведении работ по ряду международных контрактов.

Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Кроме непосредственной теоретической разработки методов, автор активно участвовал в их программной реализации и экспериментальной апробации, включая личное участие в проведении натурных экспериментов, в том числе в морских условиях.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем работы — 110 страниц, включая 40 рисунков и список литературы из 115 наименований.

Основные результаты диссертации.

1. Для многоэлементных приемных антенных решеток, работающих в условиях мелкого моря, разработан метод определения чувствительностей гидрофонов и трехмерного профиля решетки. Метод основан на использовании тестового широкополосного источника звука и эталонного гидрофона. Метод успешно апробирован в натурных условиях, теоретически и экспериментально исследованы его погрешности.

2. Разработан метод определения траектории источника низкочастотного тонального сигнала, движущегося в мелком море относительно горизонтальной приемной антенной решетки на расстоянии, сопоставимом с глубиной места и длиной приемной решетки. Метод основан на оценке текущих положений источника в горизонтальной плоскости путем фокусировки элементов решетки с учетом небольшого числа лучей и может использоваться в случае неравномерных и/или непрямолинейных траекторий, в том числе в реальном времени. Для прямолинейных траекторий оценка общих параметров движения находится путем дополнительной обработки совокупности оценок текущих положений. Метод успешно апробирован в натурных условиях, исследованы его погрешности.

3. Разработаны процедуры акустического портретирования протяженных источников с использованием горизонтальной приемной антенной решетки, позволяющие определить пространственно-частотные зависимости амплитуд когерентных тональных источников и спектральных плотностей мощности широкополосных движущихся источников. В качестве экспериментальной апробации метода проведено потретирование цилиндрических оболочек со сложной структурой, возбуждаемых изнутри тональным источником силы, и надводных движущихся судов, корпус которых вместе с работающими механизмами представляет сложный распределенный источник шума.

4. Предложены и экспериментально исследованы методы определения параметров движения рассеивателя, пересекающего трассу между источником тональной акустической подсветки и горизонтальной приемной антенной решеткой, в условиях дальнего распространения в мелком море. Методы основаны на когерентной пространственно-временной обработке совокупности принимаемых сигналов. В том числе предложены:

— метод оценки общих параметров движения (момент пересечения трассы, скорость и т. д.) в области рассеяния вперед, использующий адаптивное подавление флуктуаций прямого сигнала;

— метод оценки параметров движения в области бистатического рассеяния, определяемой боковыми лепестками диаграммы рассеяния, основанный на когерентной обработке внутри временных окон определенной длительностина основе экспериментальных данных показано, что имеет место оптимальная длина временного окна, определяемая масштабами интерференционной структуры поля и боковых лепестков диаграммы рассеяния;

— метод последовательной оценки текущих положений рассеивателя во время его движения с последующим определением общих параметров движения по совокупности полученных оценок, который может быть использован в случае непрямолинейных и/или неравномерных траекторий, а также в реальном времени;

— максимально правдоподобная процедура оценки параметров движения в присутствии мультипликативной и аддитивной помехина экспериментальных данных продемонстрирована ее работоспособность.

Обработка большого объема экспериментальных данных (-100 пересечений трассы неоднородностями в различных погодных условиях) продемонстрировала возможность уверенного обнаружения и оценки параметров движения неоднородностей методами пространственно-временной когерентной обработки для горизонтальной приемной решетки с вероятностями, превышающими 0,9, в ситуации, когда уровень дифрагированного сигнала существенно ниже (на 20 дБ) уровня прямого сигнала, флуктуации которого представляют основную помеху наблюдениям.

Рекомендации по практическому использованию основных результатов диссертации.

Разработанный в диссертации метод диагностики антенных решеток позволяет значительно повысить точность самых разнообразных гидроакустических измерений, поскольку позволяет определять чувствительности и координаты гидрофонов после установки антенной решетки в рабочее положение. При решении практических задач, связанных с контролем шумоизлучения распределенных источников звука (в том числе движущихся), могут быть использованы процедуры акустического портретирования, предложенные в диссертации. Разработанные методы определения параметров движения при просветной локации могут лечь в основу гидроакустических систем, предназначенных для защиты от несанкционированного проникновения в охраняемые акватории. Экспериментальная апробация разработанных методов и алгоритмов показала их высокую эффективность, и они могут быть использованы в гидролокационных приборах и системах, развертываемых в условиях мелкого моря.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение сформулируем основные результаты диссертации и приведем рекомендации по их практическому использованию.