Модель тракта прослушивания гидроакустических сигналов
Уважаемаякомиссия, вашемувниманиюпредоставляетсяквалификационнаяработа на тему«».
Вданной работе,мне была даназадача
Разработатьструктурутракта прослушиваниягидроакустическихсигналов навыходе сформированногопространственногоканала (каналанаблюдения)в тракте шумопеленгованияс использованиеммногоэлементнойантенной решетки;
разработатьпрограммныймакет трактапрослушивания;
установитьвзаимосвязьосновных параметровтракта прослушиванияс базовымипараметрамитракта ШП;
сиспользованиемпрограммногомакета выбратьпараметрытракта прослушиванияприменительнок заданным вТЗ на проектусловиям.
Вкачествемногоканальногодатчика гидроакустичекойинформациивыбрана линейнаяэквидистантнаяантенная решетка,состоящая из30 приемных элементовс межэлементнымрасстояниемd=0.1 метра.
Секторобзора - ±45°относительнонормали к антеннойрешетке.
Частотадискретизациивходных выборокfd=24000 Гц.
Частотныедиапазоныпрослушивания:I – (1-2.5) кГц;
II– (2-5) кГц;
III– (4-8) кГц.
Полосапропусканияусилителятракта прослушивания(0.3-4.5) кГц.
Какизвестно трактпрослушиванияявляется необходимойчастью любойГАС потомучтооператор должениметь возможностьпрослушатьсигнал и провестисубьективнуюклассификациюобьекта.
-большойкорабль илималый;
-естькавитация илинет;
-шумдизеля илииного механизма;
-числооборотов винтови число лопастейвинта;
-имеетли место перекладкарулей;
-наблюдаетсяли пуск оружия;
Цельюсозданию данноготракта являетсято что нынесуществующиеГАС ведут обработкуинформациив цифровойобласти иформированиеканала наблюдениятоже ведетсяв цифровойобласти. Прианалоговойсистеме никакихпроблем невозникало норазмеры комплексааналоговоготипа были огромные,сейчас же сразвитиемцифровой техникиразмеры даннойсистемы можносущественносократить.
Задачейформированияканала наблюденияявляется сборэнергии побольшой апертуре,с компенсациейзадержки, возникшейна элементахАР при прохождениисигнала в среде.Это формированиеможно делатьи во временнойобласти, но дляполученияхороших характеристиктакого формированиячастота дискретизациивходных выборокдолжна бытьочень большой(fd>>fв).Поэтому чащепроцедуруформированияпространственногоканала выполняютв частотнойобласти, гдечастота дискретизацииfd может бытьлишь в 2.5-3 разавыше верхнейчастоты полосыобработки.
Вданной работемы будем заниматьсясистемой формированиеканала наблюденияв частотнойобласти.
Формированиев частотнойобласти основанона известномсвойстве пр.Фурье . а именнов том что Спектрзадержанногосигнала отличаетсяот спектраисходногосигнала наличиемфазового сдвигакоторый зависитот частоты иот временизадержки.
Пустьсигнал
имеет непрерывныйспектр 
,тогда задержанныйсигнал на времяt сигналS1(t)= 
имеетспектр 
,который накаждой частотеf отличаетсяот спектраисходногосигнала лишьфазой, котораяпропорциональназадержке tи частоте f:Такимобразом, длякомпенсациивременныхзадержек сигналовна элементахАР достаточновычислитьспектры сигналови умножить ихна каждой частотена
.Тогда дляформированияПК остаетсясложить их.Перваяпроблема
Процедураформированияв частотнойобласти реализуетсяв режиме ШП сиспользованиемалгоритма БПФследующимобразом. Посколькурежим ШП предназначендля обнаруженияширокополосныхнепрерывныхсигналов снеизвестнымвременем появления,то заранееуказать временнойинтервал, втечение которогосигнал будетсуществовать,не представляетсявозможным.Поэтому всявходная информация– пространственно-временныевыборки поля– нарезаетсяна фрагментыфиксированнойдлительностии на этих фрагментахвыполняютсявсе процедурыпервичнойобработки(переход в частотнуюобласть, формированиеПК, диапазоннаяфильтрацияи т.п.). Переходв частотнуюобласть выполняетсяс использованиемпроцедуры БПФ,которая вычисляетдискретныйспектр выборкиконечной длины,циклическиразмноженнойдо бесконечности.Внесение задержекв частотнойобласти эквивалентносдвигу временнойреализации,которая в случаеиспользованияБПФ означаетциклическийсдвиг реализаций.
Такимобразом, приреализацииФХН в частотнойобласти происходитциклическийсдвиг реализацийна отдельныхприемных элементахдруг относительнодруга. В результатепосле сдвигареализациина время τmи переводасигнала вовременнуюобласть в началезадержанногофрагментапоявятся отсчетыиз его концаили, наоборот,отсчеты изначала реализацииокажутся вконце ее (взависимостиот знака вносимойзадержки). Такимобразом, каквнутри задержаннойреализации,так и на стыкахсоседних повремени фрагментоввозникаетразрыв фазы(восстановленного)сигнала. Поэтомув суммарномсигнале (навыходе процедурыФХН) часть отчетовна краях реализацииоказываетсянекорректной.Число этихотчетов напрямуюзависит отмаксимальнойвременнойзадержки, вносимойпри формированииПК. Иллюстрацияэтого эффектаприведенанарисунке, гдеизображеныреализациитональногосигнала (краснаякривая), егозадержаннаяво временнойобласти навеличину τкопия(черная линия)и она же, послевнесения задержкиτ вчастотнойобласти и переходак временномупредставлению(зеленый пунктир).Видно, чтовосстановленнаяреализацияна краю несоответствуетисходной. Величинаτв этом случаеположительная,но при формированииПК в частотнойобласти происходитсдвиг реализацийкак на положительные,так и отрицательныеτ.
Следуетотметить, чтоподобные дефектысвязаны соспособом формированияПК, а именноцифровымформированиемв частотнойобласти. Посколькудля трактапрослушиванияи операторскойклассификациинеобходимо,чтобы выходнаяинформациябыла непрерывнойи не имела искажений,привнесенныхобработкой,необходимоввести такназываемоеперекрытиевходных выбороксигнала и исключениенекорректныхотсчетов.
Длялинейной АРвеличина перекрытияможет бытьвычислена поформуле:
N= tмах*fd,где
N– Величинаперекрытия
tмах=(М-1)*d*sin(j)/c– максимальнаязадержка,
fd– частотадискретизации,
М– число приемныхэлементовлинейной АР,
d– Межэлементноерасстояние,
j- граница сектораобзора (от нормалик антеннойрешетке),
с– скоростьзвука в воде.
Длязаданных в ТЗна дипломнуюработу параметрахэта величинасоставляет:~ 25%
Поэтомупосле переходав частотнуюобласть необходимокомпенсироватьзадержки умноживих на фазирующиекоэффициентыи просуммировать.компенсироватьв среде задержкуи в результатеполучить Mкратную копиюисходногосигнала.
Нопереход в частотнуюобласть осуществляетсяс использованиемдискретногопреобразованияФурье, котороециклическипродолжаетограниченнуювременнуюпоследовательностьна бесконечности.
Врезультатепосле внесениязадержки реализацияоказываетсяциклическисдвинутой ивнутри ее возникаютразрывы фазы,что и показанона рисунке.
Исходяиз этого системойШП как правиловходные выборкиберутся в обработкус перекрытием, некорректныеотчеты должныбыть выброшеныиз обработки, а для того чтобсохранитьнепрерывностьсигнала повходу они должныбыть сдвинуты.
Втораяпроблема
Всяобработка былапоказана вовсей полосесигнала. В реальнойже системеформированиеделается вузкой полосечастот, на следующемрисунке показанокак вырезаниепрямоугольнымфильтром будетвлиять навосстановлениесигнала,
(позаданию) предназначендля прослушиваниясигналов в трехчастотныхдиапазонах(шириной 1.5, 3 и 4кГц),
Каквидим, ИПХ такогофильтра неявляется ограниченнойпо времени, такчто даже далекиепо времениотсчеты, частьиз которых, какбыло показаноранее, являетсянекорректной,оказываютвлияние нарезультатфильтрации.При этом чемшире вырезаемаяполоса, темотклик будетуже, и, следовательно,меньше требуемаявеличина перекрытия;чем уже полоса,тем большееперекрытиевходных выборокследует вводить.Поэтомув тракте ШПнеобходимопредусмотретьфильтр с частотнойхарактеристикой,отличной отпрямоугольной.К импульснойпереходнойхарактеристикетакого фильтрапредъявляетсяследующеетребование:ее уровень надалеких отчетахдолжен бытькак можно меньше,чтобы уменьшитьих влияние навосстановленныйпосле вырезанияполосы сигнал.
Такимобразом, применениепрямоугольногофильтра тожеискажает сигнала,
Чемуже прямоугольнаяхарактеристикав частотнойобласти темшире ее импульснаяхарактеристикаво временной,а для прямоугольногофильтра мывидим достаточновысокий уровеньотчетов, такимобразом, нужноподобрать такойфильтр которогоимпульснаяпереходнаяхарактеристикакоторого будетдостаточноузкой и далекиеот нулевогоотчеты которогобудут иметьнизкий уровень.Например фильтрхана . и с применениемнашего фильтрамы видим улучшениенашего спектра. но тем не менеечасть отчетовдолжна бытьисключена
Каквидим, при этомуменьшаютсяамплитудныеискажения всредней частиреализации.
Каквидно из рисунка13 частотныеокна, формакоторых отличнаот прямоугольной,вносят амплитудныеискажения накраях полосыобработки. Дляминимизациивлияния использованиячастотных оконна уровеньсигнала, с частотой,близкой к краямполосы обработки(0.3ч4.5)кГц, необходимонесколькорасширитьполосу фильтрации.
Дополнительнок тому что мыдолжны организоватьперекрытиес учетом максимальнойзадержки мыеще должныпредусмотретьфильтр.
Третьяпроблема
Припроектированиетракта прослушиваниявозникает врезультатетого что человеческоеухо слышит от0.3 до 4-5 кГц , а нашсигнал можетбыть болеевысокочастотныместь необходимостьосуществитьперенос частотв область низкихчастот . таккак операторусложно слушатьна высокихшумы,
Врезультатепроведенногомоделированиябыло установлено,что сдвигатьможно не напроизвольноеколичествоспектральныхотчетов и болеетого, не припроизвольнойвеличине перекрытия.Следующиерисунки иллюстрируютэтот эффектВотчто мы получили. то же самоеполучаетсяесли мы сдвигаемна 5 спектр отчетовтоже плохо
Итакже в результатепроведенногомоделированияустановлено,что осуществитьсдвиг частотбез потерикачествапрослушиванияможно тольков случае, есливеличина перекрытиявходных выборокявляется делителемчисла n -базы БПФ. Приэтом сдвинутьна один спектральныйотсчет или нанечетное числоотсчетов нельзяни при какойвеличине перекрытия,иначе происходятискажения инестыковкипоследовательныхфрагментоввосстановленногосигнала.
Втаблицу 1 сведеныполученныев результатепроведенногомоделированияданные о соотношениивеличины перекрытиявходных выбороки числа спектральныхотсчетов, накоторые можносдвигать (понижатьили повышать)полосу сигнала.
Наоснованиивышеизложенного,можно сделатьвыводы о том,что для устраненияэффектов, вызванныхпоявлениемнекорректныхотсчетов приформированииканала наблюденияв частотнойобласти и нево всей полосе,а в ограниченнойполосе, необходимо:
-обязательноеисключениечасти отчетовв восстановленнойреализациисигнала
издальнейшейобработки;
-применениечастотногофильтра с ЧХ,отличной отпрямоугольной;
-расширениеполосы обработки.
Приэтом величинаперекрытиявходных выборокдолжна бытьбольше суммымаксимальнойзадержки сигналана элементахАР и длительностиИПХ частотногофильтра. Другихограниченийна величинуперекрытияне накладывается.
Втоже время балавыбрана величинаперекрытияN/4 и при такойвеличине удалосьподобратьполосу прикоторой сигналвосстанавливаетсяхорошо .
Длярешения обозначенныхпроблем и выборапараметровалгоритма быларазработанамодель трактапрослушивания,в которой выполняетсянеобходимоустановитьсвязь основныхпараметров.
Программныймакет трактапрослушиваниявключает в себяследующиефункциональныеблоки:
Блокзадания параметровантенной решеткии параметровцифровой обработкив тракте ШП.
Задаютсяосновные параметрысистемы, включая:
-Скорость звука,
-Частота дискретизации,
-Задание мнимойединицы,
-Количествоэлементов АР,
-Шаг между приемнымиэлементамиАР,
-длительностьформируемогосигнала,
-Количествочастотныхдиапазонов,
-Числоточек БПФ,
-величина перекрытиявходных выборок,
-Нижняяполоса и верхняяполоса всеготракта, и разбивкана 3 диапазона.
Блокзадания параметровсигнала и параметровобработки втракте прослушивания.
Вэтом блокепроисходитвыбор типасигнала:
-тональный,
-амплитудно-модулированныйтональный,
-амплитудно-модулированныйшумовой;
Задаются:
-несущая частотасигнала,
-частотамодуляции,
-глубинамодуляции,
-числотактов обработки,
-частотныйдиапазонпрослушивания,
-уголпадения фронтаволны на элементыАР,
-частотный сдвигдля выбранногоЧД,
-степень расширенияполосы частот(количествоотсчетов),
-спектральноеокно.
Формированиепроцессов навыходе приемныхэлементов АР.Имитационноемоделированиевходного процессавключает всебя заданиемоделей полейсигнала, формированиевременнойреализациисигнала, фильтрациюее в заданномдиапазонечастот, формированиеплоского фронтасигнала наэлементах АР.
Переченьпроцедур, проводимыхв этом функциональномблоке:
расчеткоординатприемных элементовв АР,
формированиесигнала заданнойчастоты в поле,
расчетвременныхзадержек фронтаволны сигналаисходя изнаправленияего прихода,
формированиедискретизированныхс частотойfd=24000Гц сигналовна приемныхэлементах АР.
Функциональныепрограммырасчета выходногоэффекта трактапрослушивания:
Последовательныйнабор по nвременныхотсчетов сигналовна элементахАР с перекрытием25% - так называемыйтакт обработки;
Дальнейшиепроцедурывыполняютсяна каждом тактеобработки:
Переходв частотнуюобласть сиспользованиемпроцедурыБПФ;
ФормированиеПК на частотахрабочей полосы;
Вырезаниеполосы частотвыбранногочастотногодиапазона(ЧД);
Сдвигполосы частотна заранеерассчитанноедля каждогоЧД число спектральныхотсчетов;
Умножениеотсчетов спектрасформированногоканала наспектральноеокно;
Восстановлениесигнала вовременнойобласти (процедураобратногоПФ);
Отбрасываниенекорректныхотчетов изреализации– по n/8 отсчетовв начале и вконце реализации;
наборреализациибольшой длительности.
6.Выдача сигналана ЦАП, вычислениеспектра сигналас высоким разрешениемпо частоте,графическоепредставлениерезультатовобработки.
Сформированныйуказанным вышеспособом сигнална элементахантенны «нарезается»на временныефрагментыдлиной n=512точек с учетомперекрытия,которое вводитсяв модель трактакак параметр.Каждый фрагментподвергаетсяпроцедуре БПФ,в результатечего получаютсяспектры процессовна выходе приемныхэлементов. Изполучившегосянабора частотв дальнейшуюобработкуберутся толькономера частотfk,соответствующиезаданной полосеобработки(fнчfв).
Какбыло показановыше, вырезаниеполосы фильтромс прямоугольнойчастотнойхарактеристикойвносит дополнительныеискажения ввосстановленныйсигнал. Поэтомув модели предусмотренорасширениеполосы обработкиот значения(0,3-4,5) кГц до (0,05-5) кГц.
Наследующем этапепроисходитформированиеканала наблюденияв частотнойобласти путемсложения спектровреализацийс приемныхэлементов АР,умноженныхна заранеерассчитанныефазирующиекоэффициентына это направление.
ПослеФХН выполняетсявырезаниеполосы частотвыбранногочастотногодиапазона исдвиг ее назаранее рассчитанноедля каждогоЧД число спектральныхотсчетов. Затемпроводитсяпроцедура ОБПФ,на выходе которойполучаем временнуюреализацию.Как было показаноранее, для устраненияэффектов, вызванныхвырезаниемполосы частот,необходимоперед восстановлениемсигнала вовременнуюобласть ввестичастотное окно,вид которогов модели можновыбирать иззаранее созданныхфайлов либоиз имеющегосяв системе MatLabбанка частотныхфильтров, атакже задаватьих параметры.В модели трактапрослушиванияпараллельноформируютсяи обрабатываютсясигналы, восстановленныес применениемчастотногоокна и без него.
Восстановленныйсигнал содержитв себе некорректныеотсчеты. Фазирующиекоэффициенты,используемыепри формированиивеера пространственныхканалов, таковы,что длительность“испорченных”фрагментовреализациив начале и вконце ее приблизительноодинакова.Поэтому изреализацииисключаютсянекорректныеотсчеты в началеи в конце кусочкареализациидлиной nотсчетов.
Длясокращениявремени моделирования,а также экономиивнутреннейпамяти MatLabсигнал на приемныхэлементах АРмоделируетсяна ограниченномвременноминтервале,причем длинаэтого интерваладолжна бытьдостаточнойдля формированияоценки спектральнойплотностимощности процессас требуемымчастотнымразрешением.Длина такойреализациив программеопределяетсяавтоматическис учетом необходимогоколичестваточек перекрытияи количестваточек.
Рассчитыватькоэффициентсдвига будемпроводить поформуле
Где
нижнеезначение частотногодиапазона, 
=коэффициентфильтра, 
-число сдвигаспектральныхотсчетов.7– коэффициентминимальнойчастоты переносаспектра = 300 ГЦ
Врезультатеработы программымы получаемследующиерезультаты
Каквидно из финальныхплакатовразработаннаяи смоделированнаяструктураработает чтоподтверждаютграфики . дляпервого диапазонана частоте2000Гц , установленавзаимосвязьосновных параметровтракта прослушиванияс базовымипараметрамитракта ШП.
Врезультатесмоделированнойситуации сигналсобранный сэлементов АРи задержанныйпроходит стадиювырезанияполосы и сдвигачастоты безкаких либопомех чтоподтверждаютграфики. Также мы здесьвидим имп.пер.хар.фильтра созданногоспециальнодля данногочастотногодиапазона ивнешний видфильтра.
Тоже самое мывидим и длядругих Частотныхдиапазоновна плакатах2 и 3 .
Докладокончен
Тема:Модель трактапрослушиваниягидроакустическихсигналов
Оглавление
Введение
Местотракта прослушиванияв структурережима ШП типовойГАС
Формированиеканала наблюденияв частотнойобласти
3Факторы, влияющиена восстановлениесигнала
3.1Перекрытиевходных выборокв тракте прослушивания
3.2Сужение полосычастот восстановленногосигнала
3.3Частотный сдвигпри пониженииполосы частотпрослушивания
4Программныймакет трактапрослушивания
4.1Структурнаясхема алгоритмаобработки втракте прослушивания
4.2Структурнаясхема программногомакета трактапрослушивания
4.3Расчет выходныхэффектов тракта
5Результатырасчетов
Приложение1. Текст программыв Matlab
Заключение
Списоклитературы
Введение
Кодной из важнейшихнаучно-техническихпроблем современностиможно отнестиосвоение водногопространства.
Освоениеокеана повлекломножествотехническихпроблем. Однойиз них являласьневозможностьзаглянуть вглубины океана,узнать особенностидна, наличиеи особенностиподводныхобитателей.С появлениемсудов и устройств,способныхпребывать подводой болееили менее долго,возникла проблемапередачи информации:связь с другимиобъектами,сканированиеокружающегопространстваи прочее.
Акустические(звуковые) волны,благодаря своейприроде, свойствамводной среды,способны возбуждатьсяпри сравнительномалых затратахэнергии, ираспространятьсяна большиерасстояния,при некоторыхусловиях натысячи и десяткитысячи километров.
Спомощью гидроакустическихсредств (ГАС)производяткартографированиедна морей иокеанов, обнаруживаютпредметы (эхолотыи гидролокаторыбокового обзора),осуществляютводную связь(средствагидроакустическойсвязи), обеспечиваютбезопасностьплавания судов,измерениескорости ходаи глубины подкилем (средствосудовождения),производятпоиск скоплениярыб, управлениеавтономнымиподводнымиприборами,доставляющимиинформациюо состоянииподводнойобстановки(средств телеметриии телеуправления),обнаруживаюти определяюткоординатыподводныхобъектов.
Процесспреобразованияакустическойэнергии вэлектрическую(и наоборот)выполняютподводныеэлектроакустическиеприёмники иизлучатели,входящие всостав антенны,и называемыегидроакустическимипреобразователями(ГАП).
Конструкциюантенны определяют,в основном, еёназначениеи местоположение.Так, антеннысудовых гидроакустическихсистем можноразмещать накорпусе судна,буксироватьили опускатьза борт; антенныстационарныхгидроакустическихстанций устанавливаютна фундаментальныхопорах в прибрежныхрайонах, у входовв порты, в районахрейдовых стояноки т.п.
Техническимипараметрамигидролокационныхстанций (ГАС)являются: рабочаячастота (отединицы додесятков килогерц),излучаемаяакустическаямощность (отсотен ватт досотен киловатт),ширина диаграммынаправленностиантенны в режимахизлучения иприема в главныхплоскостях,форма и длительностьизлучаемыхимпульсов,уровень усиленияприемноготракта, ширинаполосы частотприемноготракта. ТехническимипараметрамиГАС, которыене излучаютакустическуюэнергию ипредназначеныдля обнаруженияи определенияпеленга (курсовогоугла) подводногообъекта попроизводимомуим шуму, в частностидвижущегосясудна (пассивныесредства ШПС),являются: полосарабочих частот,ширина диаграммынаправленностиантенны, коэффициентусиления приемноготракта.
Сначала развитияподводногофлота трактпрослушиванияявлялся неотъемлемыми единственнымсредствомобнаруженияи классификациисигналов.Первоначальноэтот трактсостоял изодиночныхприемников,которые размещалисьс левого и правогоборта, либогде-то в носусудна. Это былиодиночныеприемники ивсе сигналы,которые поступалина вход этихприемников,оператор имелвозможностьпрослушать.И по разностиприхода сигналас разных гидрофоновоператор определял,с какого бортаидет цель. Трактпрослушиваниясуществуетстолько же,сколько существуети подводноеплавание, таккак есть необходимостьпрослушиватьсигналы, обнаруживать,откуда онипришли, и определять,что это за цель,противник либобезопасныйобъект. Несмотряна наличие всовременныхГАС режимаобъективнойклассификации,значение трактапрослушиваниятак же велико.Гидроакустикиво время поискаобъекта хотятиметь возможностьсамостоятельнопрослушиватьсигнал и чащевсего именноони и оцениваютпараметры цели.
Такимобразом, вовсех ТЗ на ГАСи ГАК обязательноприсутствуеттребованиео наличии трактапрослушиваниясигналов ипомех с любогонаправленияв заданномсекторе обзораГАС.
Кчислу основныхзадач, решаемыхгидроакустическимисредствамиподводных лодок(ПЛ) при освещенииокружающейобстановки,относитсяосвещениеподводной,надводной ивоздушнойобстановкив интересахсамообороныПЛ. Для наблюденияза морскимицелями ПЛ должнаобладать мощнымгидроакустическимкомплексом,работающимпреимущественнов пассивныхрежимах (шумопеленгование,обнаружениегидроакустическихсигналов - ОГС).
При наблюденииза ПЛ ПЛО возникаетдуэльная ситуация“ПЛ против ПЛ”,выигрыш в которойопределяетсясоотношениемкомплексапараметровпротивоборствующихПЛ и их гидроакустическихкомплексов(ГАК): акустическаяшумность ПЛ,уровень корабельныхакустическихпомех работесобственногоГАК, энергетическийпотенциал ГАК,совершенствоцифровоговычислительногокомплекса ГАК,в том числеалгоритмови программногообеспечения.
В большинствесовременныхГАС и ГАК цифроваяобработкаинформации,принятой антеннойрешеткой,осуществляетсяв частотнойобласти. Это,как будет показанов работе, приводитк необходимостиуточненияалгоритмаобработки вканала прослушиванияи согласованияпараметровэтого алгоритмаи базовых параметроврежима шумопеленгования.
Цельюдипломногопроектированияявляется разработкатракта прослушиваниядля ГАС обнаружениягидроакустическихсигналов поих шумоизлучениюв звуковомдиапазонечастот. Трактобнаруженияпроектируетсядля работы втрех частотныхдиапазонах,рассчитанныхпод обнаружениецелей на различныхдальностях,при этом необходимообеспечитьнаилучшиеусловия дляпрослушиваниясигнала целидля каждогоиз трех частотныхдиапазонов.Поскольку, какизвестно,человеческоеухо наилучшимобразом воспринимаетчастоты в полосеот ~300 Гц до 3-4 кГц,возникаетзадача понижатьчастоту прослушивания,то есть нужновыделить (вырезать)требуемуючастотнуюполосу и перенестиее (гетеродинировать)в область частот,наиболее комфортнуюдля оператора.
Вданной работетребуется:
Разработатьструктурутракта прослушиваниягидроакустическихсигналов навыходе сформированногопространственногоканала (каналанаблюдения)в тракте шумопеленгованияс использованиеммногоэлементнойантенной решетки;
разработатьпрограммныймакет трактапрослушивания;
установитьвзаимосвязьосновных параметровтракта прослушиванияс базовымипараметрамитракта ШП;
сиспользованиемпрограммногомакета выбратьпараметрытракта прослушиванияприменительнок заданным вТЗ на проектусловиям.
Вкачествемногоканальногодатчика гидроакустичекойинформациивыбрана линейнаяэквидистантнаяантенная решетка,состоящая из30 приемных элементовс межэлементнымрасстояниемd=0.1 метра.
Секторобзора - ±45°относительнонормали к антеннойрешетке.
Частотадискретизациивходных выборокfd=24000 Гц.
Частотныедиапазоныпрослушивания:I – (1-2.5) кГц;
II– (2-5) кГц;
III– (4-8) кГц.
Полосапропусканияусилителятракта прослушивания(0.3-4.5) кГц.
1Место трактапрослушиванияв структурережима ШП типовойГАС
Обобщеннаяструктурнаясхема ГАСшумопеленгованияпредставленана рисунке 1.
Рис.1Структурнаясхема ГАСшумопеленгованияаналоговоготипа
антенноеустройство,содержащеенесколькогидрофонов.
предварительныйширокополосныйусилитель.
устройствоформированияхарактеристикнаправленности,техническивыполняемоев виде линийзадержки исумматоров.
основныеусилители ичастотныефильтры
детекторыс интеграторами
пороговыеустройства
устройствоизмеренияугловых координат
устройствовторичнойобработкиинформации
Непрерывныеэлектрическиесигналы отэлементов АРпоступают навход аппаратурыпредварительнойобработки(АПО), основнымифункциональнымиузлами которойявляютсяпредварительныеусилители (ПУ)и диапазонныефильтры (ДФ). Сточки зрениясистемногопостроенияГАС, АПО разбиваетсяна ряд отдельныхтрактов, приэтом каждойантенной решеткеили группеоднородныхантенных решетоксоответствуетсвой тракт. Вотдельныхслучаях в составАПО включаютустройстваформированияхарактеристикнаправленностина базе аналоговыхили дискретно-аналоговыхлиний задержки,то есть элементы,относящиесяк первичнойобработке.
Прианалоговомформированииканала наблюденияпроблем сорганизациейпо его выходупрослушиванияне возникало,поскольку всяобработкавыполняласьво временнойобласти. Однакоаналоговоеформированиестатическоговеера пространственныхканалов, выполняемоена антеннахбольших размеровв широком диапазонеуглов, представляетсобой довольносложную техническуюзадачу. Поэтому,начиная с 70-хгодов 20 века,в связи с бурнымразвитиемцифровой техникиобработкагидроакустическойинформацииот многоэлементныхАР ведется вцифровой области.
Вэтом случаедискретныепо пространству(принятые дискретнойАР) процессыс выхода АПОподвергаютсядискретизациис помощьюаналого-цифровыхпреобразователей(АЦП) и поступаютна вход ЦВК,где реализуютсяалгоритмыпервичной ивторичнойцифровой обработкисигналов.
Системапервичной илипространственно-временнойобработкисигналов (СПВО),подключеннаяк выходам каналовпредварительнойобработкисигналов, решаетзадачи максимизацииОСП, пороговогообнаруженияполезных сигналови определенияугловых координатих источниковс последующейвыдачей информациив систему вторичнойобработки.ПроцессорыСПВО выполняютдве основныефункции:
-пространственнуюфильтрациюсигналов(формированиеХН антеннойрешетки);
-временнуюобработкусигналов(спектральныйанализ и оценивание).
Порезультатампервичнойобработкиустанавливаетсяфакт наличияполезногосигнала в поступающейна вход ГАСсмеси сигналаи помехи, т.е.осуществляетсяобнаружениецели.
Сопровождениеобнаруженныхцелей по углус точным измерениемтекущего пеленгаи ВИП в интересахцелеуказанияоружию осуществляетсясистемой АСЦ.
Системавторичнойобработкиоперирует ужене с сигналами,принятымиантенной ГАС,а с формализованнойинформациейо фактах обнаружениясигналов, превысившихпорог, а такжео параметрахсигналов. Кчислу основныхзадач, решаемыхаппаратуройвторичнойобработкиинформации,относятся:классификацияцелей, определениеих координати параметровдвижения,формированиетрасс движенияцелей и их анализ.В системахвторичнойобработкинакапливаетсяинформацияот всех подсистемГАК, в связи счем возникаетзадача комплекснойобработкиданных. Аппаратуравторичнойобработкидолжна подготовитьданные дляиндикации ихна дисплеяхсистемы отображения,регистрации,документированияи управления(СОРДиУ).
Ккатегориинаиболее сложныхзадач вторичнойобработкиинформациив ГАК относитсязадача классификациицелей – однаиз проблем,информацияо которых (методы,алгоритмы,средства решения),считаетсянаиболееконфиденциальной.Классификацияпредставляетсобой одну изнаиболее сложныхи длительныхпроцедур, требующихзначительныхусилий отоператора-гидроакустикаи мощной вычислительнойподдержки.
Приклассификациив режиме ШПпроцедураначинаетсяпри малых отношенияхсигнал/помехаи продолжаетсяв течение всехпоследующихэтапов наблюденияза обстановкой.По мере сближенияс целью и увеличенияОСП появляетсявозможностьотнести обнаруженнуюцель к одномуиз следующихклассов: торговоесудно, военныйкорабль, ПЛ,торпеда, сформированнаясредствамиГПД ложнаяцель; шумы портов,гаваней, плавучихплатформ; морскиеживотные.
Различаютсубъективнуюклассификацию,осуществляемуюоператором-гидроакустикомпри большихотношенияхсигнал/помеха,и объективнуюавтоматизированнуюклассификациюс помощью средствЦВТ. В современныхГАК несмотряна оснащениеих мощными ЦВКс развитымалгоритмическими программнымобеспечениемдо сего временисохранилсятракт прослушивания.С его помощьюопытныйоператор-гидроакустикпосле обнаружениясигнала можетдать ответ наследующиевопросы:
-большойкорабль илималый;
-естькавитация илинет;
-шумдизеля илииного механизма;
-числооборотов винтови число лопастейвинта;
-имеетли место перекладкарулей;
-наблюдаетсяли пуск оружия;
-необусловленли наблюдаемыйсигнал использованиемсредств ГПД;
-неимеет ли обнаруженныйсигнал биологическуюили сейсмическуюприроду;
-какведет себяцель;
-наскольковелик уровеньсигнала и вскольких ХНон наблюдается.
Крометого, на основаниинаблюдаемогозначения ВИП(величина измененияпеленга) операторможет определитьдополнительно:
-близколибо далеконаходится цель;
-закономерноли себя ведетпеленг на цель;
можетли цель идтитак быстро илитак медленно.
Структурнаясхема режимаШП типовой ГАСцифрового типапредставленана рисунке 2.
Рис2. Структурарежима ШП типовойГАС цифровоготипа
ТрактАСЦ (трактавтоматическогосопровожденияцели) содержит:
-блок формированиядвух диаграммнаправленностипо половинамапертурногоокна;
-Дискриминаторугла, вырабатывающийоценку рассогласованиямежду угломнаведениятракта АСЦ иуглом приходасигнала;
-Сглаживающийфильтр с поправкамина крен и дифферент;
-блок формированиясуммарногоканала в частотнойобласти.
Информацияс выхода трактаАСЦ поступаетв тракт прослушиванияи в системуклассификации.
Втракте одновременногосекторногообзора дляобнаруженияширокополосныхсигналов (ОСО– ШП) выполняется:
-формированиевеера каналовнаблюдения(пространственныхканалов – ПК);
-квадратичноедетектирование;
-формированиечастотныхдиапазонов;
-накопленияпо времени;
-предындикаторнаяобработка.
Информацияс одного извыходов системыформированиявеера каналовнаблюдениятракта ОСО-ШПтакже можетпоступать втракт прослушивания.
Такимобразом, операторможет выбирать,какой сигналслушать: трактаАСЦ или трактаОСО-ШП.
Общаяструктураобработкисигнала в трактепрослушиванияпредставленана рисунке 3
Рис.3 Общая структураобработкисигнала в трактепрослушивания
-Аналого-цифровойпреобразователь
-БыстроепреобразованиеФурье
-ФормированиеХарактеристикнаправленности
-Сдвигполосы частот
-Обратноебыстрое преобразованиеФурье
-Стыковкареализаций
-Цифро-аналоговоепреобразование
Вреальном трактеструктурадополняетсяблоками : предварительныйусилитель ,диапазонныйфильтр и другие.
2Формированиеканала наблюденияв частотнойобласти
Задачейформированияканала наблюденияявляется сборэнергии побольшой апертуре,с компенсациейзадержки, возникшейна элементахАР при прохождениисигнала в среде.Это формированиеможно делатьи во временнойобласти, но дляполученияхороших характеристиктакого формированиячастота дискретизациивходных выборокдолжна бытьочень большой(fd>>fв).Поэтому чащепроцедуруформированияпространственногоканала выполняютв частотнойобласти, гдечастота дискретизацииfd может бытьлишь в 2.5-3 разавыше верхнейчастоты полосыобработки.
Основанаэта процедурана следующемсвойствепреобразованияФурье.
Пустьсигнал
имеет непрерывныйспектр 
,тогда задержанныйсигнал на времяtсигнал S1(t)= 
имеетспектр ,который накаждой частотеfотличаетсяот спектраисходногосигнала лишьфазой, котораяпропорциональназадержке tичастоте f:
.Такимобразом, длякомпенсациивременныхзадержек сигналовна элементахАР достаточновычислитьспектры сигналови умножить ихна каждой частотена
.Тогда дляформированияПК остаетсясложить их:
,получивМ-кратную копиюспектра исходногосигнала.
Расчетзадержек
прихода фронтаволны сигнала,приходящегос направления,определяемогоуглами (j,q)в сферическойсистеме координат,на элементыАР возникающихпроводим поформуле :
Рис.4 Координатыэлементов АР
Где
– направляющаякосинуса нормалик фронту волны.Зависитот плоскогофронта сигналаи координатприемных элементовАР.
Поисходным данныммы строим плотныйвеер ХН длясигнала приходящегос известногонам направления.
Реализацияалгоритмаобнаруженияширокополосногосигнала предполагаетфазированиеАР в широкойполосе частот.На практикеширина полосыобработкииногда составляет2-3 октавы и более.Направлениефазированияосей ХН принадлежатсекторы обзора(α–r,αr), в которомформируется2R+1пространственныхканала с шагомпо углу
Рис.5Веер ХН на линейнойАР
АлгоритмфазированияАР на направлении
, 
,и алгоритмформированияХН имеет вид:Впространственно- частотнойобласти:
гдевыходные величины
вычисляютсяна всех частотах 
изполосы обработки 
.Далеемы будем работатьс одним направлениемв секторе обзора,с которого уоператора можетвозникнутьжелание прослушатьсигнал.
3Факторы влияющиена восстановлениесигнала
3.1Перекрытиевходных выборокв тракте прослушивания
Процедураформированияв частотнойобласти, описаннаяв предыдущемразделе, реализуетсяв режиме ШП сиспользованиемалгоритма БПФследующимобразом. Посколькурежим ШП предназначендля обнаруженияширокополосныхнепрерывныхсигналов снеизвестнымвременем появления,то заранееуказать временнойинтервал, втечение которогосигнал будетсуществовать,не представляетсявозможным.Поэтому всявходная информация– пространственно-временныевыборки поля– нарезаетсяна фрагментыфиксированнойдлительностии на этих фрагментахвыполняютсявсе процедурыпервичнойобработки(переход в частотнуюобласть, формированиеПК, диапазоннаяфильтрацияи т.п.). Переходв частотнуюобласть выполняетсяс использованиемпроцедуры БПФ,которая вычисляетдискретныйспектр выборкиконечной длины,циклическиразмноженнойдо бесконечности.Внесение задержекв частотнойобласти эквивалентносдвигу временнойреализации,которая в случаеиспользованияБПФ означаетциклическийсдвиг реализаций.
Такимобразом, приреализацииФХН в частотнойобласти происходитциклическийсдвиг реализацийна отдельныхприемных элементахдруг относительнодруга. В результатепосле сдвигареализациина время τmи переводасигнала вовременнуюобласть в началезадержанногофрагментапоявятся отсчетыиз его концаили, наоборот,отсчеты изначала реализацииокажутся вконце ее (взависимостиот знака вносимойзадержки). Такимобразом, каквнутри задержаннойреализации,так и на стыкахсоседних повремени фрагментоввозникаетразрыв фазы(восстановленного)сигнала. Поэтомув суммарномсигнале (навыходе процедурыФХН) часть отчетовна краях реализацииоказываетсянекорректной.Число этихотчетов напрямуюзависит отмаксимальнойвременнойзадержки, вносимойпри формированииПК. Иллюстрацияэтого эффектаприведена нарис.6, где изображеныреализациитональногосигнала (краснаякривая), егозадержаннаяво временнойобласти навеличину τкопия(черная линия)и она же, послевнесения задержкиτ вчастотнойобласти и переходак временномупредставлению(зеленый пунктир).
Рис.6 Иллюстрацияэффекта, возникающегопри восстановлениисигнала послеФХН в частотнойобласти
Видно,что восстановленнаяреализацияна краю несоответствуетисходной. Величинаτв этом случаеположительная,но при формированииПК в частотнойобласти происходитсдвиг реализацийкак на положительные,так и отрицательныеτ.
Нарисунках 7а и7б приведены:исходный сигналво временнойобласти и егоспектр, на рисунках8а и 8б: сигнал,полученныйв результатестыковки фрагментоввосстановленногосигнала послевнесения задержекв частотнойобласти, а такжеего спектр. Каквидно из графиков,при внесениизадержки накраях реализацийпоявляютсянестыковки,что приводитк искажениюспектра сигнала.
Очевидно,что из дальнейшейобработкинеобходимоубирать некорректныеотсчеты какв начале реализации,так и в концеее, чтобы независеть отвеличины задержкисигнала.
Следуетотметить, чтоподобные дефектысвязаны соспособом формированияПК, а именноцифровымформированиемв частотнойобласти. Посколькудля трактапрослушиванияи операторскойклассификациинеобходимо,чтобы выходнаяинформациябыла непрерывнойи не имела искажений,привнесенныхобработкой,необходимоввести такназываемоеперекрытиевходных выбороксигнала и исключениенекорректныхотсчетов.
Рис.7а Исходныйсигнал во временнойобласти
Рис.7б Спектр исходногосигнала
Рис.8а Стыковкавосстановленныхво временнуюобласти фрагментовсигнала навыходе сформированногоканала (безотбрасываниянекорректныхотсчетов)
Рис.8б Спектр восстановленногосигнала (стыковкабез исключениянекорректныхотсчетов)
Величинаперекрытиявходных выборокдолжна бытьне меньшемаксимальнойзадержки междулюбыми 2-мя приемнымиэлементами,возникающейпри приходесигнала с любогонаправленияв заданномсекторе обзорарежима ШП.
Длялинейной АРвеличина перекрытияможет бытьвычислена поформуле:
N= tмах*fd,где
N– Величинаперекрытия
tмах=(М-1)*d*sin(j)/c– максимальнаязадержка,
fd– частотадискретизации,
М– число приемныхэлементовлинейной АР,
d– Межэлементноерасстояние,
j- граница сектораобзора (от нормалик антеннойрешетке),
с– скоростьзвука в воде.
Длязаданных в ТЗна дипломнуюработу параметрахэта величинасоставляет:~ 25%
3.2Сужение полосычастот восстановленногосигнала
Приведенныев предыдущемразделе рисункисоответствуетвосстановлениюсигнала во всейполосе (|ΔF|=fd/2).Реальные сигналына входе трактаШП после усиленияи фильтрацииимеют ограниченнуюполосу, трактпрослушивания(по заданию)предназначендля прослушиваниясигналов в трехчастотныхдиапазонах(шириной 1.5, 3 и 4кГц), что такжевлияет на качествовосстановленногосигнала. Нарисунке 9 изображенывходной сигнал(черная пунктирнаялиния) и восстановленныйпосле вырезаниятребуемойполосы прямоугольнымокном в частотнойобласти (синяякривая).
Рис.9 Иллюстрацияэффекта, возникающегопри вырезанииполосы фильтромс прямоугольнойЧХ
Каквидно из рисунков,вырезаниеполосы фильтромс прямоугольнойчастотнойхарактеристикойискажает амплитудувосстановленногосигнала.
Нарисунке 10 приведенаимпульснаяпереходнаяхарактеристика(ИПХ) фильтрас прямоугольнойчастотнойхарактеристикой.
Рис.10 ИПХ фильтрас прямоугольнойчастотнойхарактеристикой
Каквидим, ИПХ такогофильтра неявляется ограниченнойпо времени, такчто даже далекиепо времениотсчеты, частьиз которых, какбыло показаноранее, являетсянекорректной,оказываютвлияние нарезультатфильтрации.При этом чемшире вырезаемаяполоса, темотклик будетуже, и, следовательно,меньше требуемаявеличина перекрытия;чем уже полоса,тем большееперекрытиевходных выборокследует вводить.
Поэтомув тракте ШПнеобходимопредусмотретьфильтр с частотнойхарактеристикой,отличной отпрямоугольной.К импульснойпереходнойхарактеристикетакого фильтрапредъявляетсяследующеетребование:ее уровень надалеких отчетахдолжен бытькак можно меньше,чтобы уменьшитьих влияние навосстановленныйпосле вырезанияполосы сигнал.
Наследующемрисунке 11 приведеныИПХ некоторыхфильтров (частотныхокон): краснаялиния – окноХана, черная– окно Хэмминга,зеленая – Кайзера.
Нарисунке 12 представленысоответствующиеамплитудно-частотныехарактеристикиэтих окон: краснаялиния – окноХана, черная– окно Хэмминга,зеленая – Кайзера.
Рис.11 ИПХ фильтровХанна, Хэмминга,Кайзера
Рис.12 Вид частотныхокон Ханна,Хэмминга иКайзера
Всепредставленныеокна имеютобщий параметр– размер окнаL, которыйравен 27 частотнымотсчетам, чтосоставляетпримерно 5 % отполосы принимаемогосигнала.
Нарисунке 13 приведенрезультатвосстановлениясигнала приприменениичастотногоокна Хэмминга:
Чембольше n,тем большаядоля энергии,сосредоточеннаяв главном лепесткеспектра (и темшире этот главныйлепесток), итем меньшеуровень боковыхлепестков.Черная пунктирнаялиния – исходныйсигнал, синяя– восстановленныйсигнал приприменениичастотногоокна Хэмминга.
Рис.13 Иллюстрацияэффекта, возникающегопри вырезанииполосы фильтромХэмминга
Каквидим, при этомуменьшаютсяамплитудныеискажения всредней частиреализации.
Каквидно из рисунка13 частотныеокна, формакоторых отличнаот прямоугольной,вносят амплитудныеискажения накраях полосыобработки. Дляминимизациивлияния использованиячастотных оконна уровеньсигнала, с частотой,близкой к краямполосы обработки(0.3ч4.5)кГц, необходимонесколькорасширитьполосу фильтрации.
3.3Частотный сдвигпри пониженииполосы частотпрослушивания
Итогомработы трактапрослушиванияявляется возможностьдать операторупрослушатьсигнал полученныйв результатеобработки.Посколькучеловеческоеухо лучшевоспринимаетзвук в диапазонеот 0,3 до 4 кГц товозникаетнеобходимостьпереноса полученногосигнала в областьболее низкихчастот, чтовлечет за собойряд дополнительныхпроблем.
Врезультатепроведенногомоделированиябыло установлено,что сдвигатьможно не напроизвольноеколичествоспектральныхотчетов и болеетого, не припроизвольнойвеличине перекрытия.Следующиерисунки 14-17 иллюстрируютэтот эффект.
Рис.14а.Спектр восстановленногосигнала послесдвига егополосы в частотнойобласти на 2Δf.Перекрытиевходных выборок50%
Рис.14б. Спектрвосстановленногосигнала послесдвига егополосы в частотнойобласти на 3Δf.Перекрытиевходных выборок50%
Рис15а. Состыкованнаяреализациявосстановленногосигнала послесдвига егополосы в частотнойобласти на 4Δf.Перекрытиевходных выборок50%
Рис15б. Состыкованнаяреализациявосстановленногосигнала послесдвига егополосы в частотнойобласти на 3Δf.Перекрытиевходных выборок50%
Рис.16а Спектр восстановленногосигнала послесдвига егополосы в частотнойобласти на 4Δf.Перекрытиевходных выборок25%
Рис.16б Спектр восстановленногосигнала послесдвига егополосы в частотнойобласти на 4Δf.Перекрытиевходных выборок17%
Рис17а. Состыкованнаяреализациявосстановленногосигнала послесдвига егополосы в частотнойобласти на 4Δf.Перекрытиевходных выборок25%
Рис17б. Состыкованнаяреализациявосстановленногосигнала послесдвига егополосы в частотнойобласти на 5Δf.Перекрытиевходных выборок25%
Итакже в результатепроведенногомоделированияустановлено,что осуществитьсдвиг частотбез потерикачествапрослушиванияможно тольков случае, есливеличина перекрытиявходных выборокявляется делителемчисла n -базы БПФ. Приэтом сдвинутьна один спектральныйотсчет или нанечетное числоотсчетов нельзяни при какойвеличине перекрытия,иначе происходятискажения инестыковкипоследовательныхфрагментоввосстановленногосигнала.
Втаблицу 1 сведеныполученныев результатепроведенногомоделированияданные о соотношениивеличины перекрытиявходных выбороки числа спектральныхотсчетов, накоторые можносдвигать (понижатьили повышать)полосу сигнала.
Таблица1 . Взаимосвязьминимальнойполосы частотногосдвига от величиныперекрытиявходных выборок
Наоснованиивышеизложенного,можно сделатьвыводы о том,что для устраненияэффектов, вызванныхпоявлениемнекорректныхотсчетов приформированииканала наблюденияв частотнойобласти и нево всей полосе,а в ограниченнойполосе, необходимо:
-обязательноеисключениечасти отчетовв восстановленнойреализациисигнала
издальнейшейобработки;
-применениечастотногофильтра с ЧХ,отличной отпрямоугольной;
-расширениеполосы обработки.
Приэтом величинаперекрытиявходных выборокдолжна бытьбольше суммымаксимальнойзадержки сигналана элементахАР и длительностиИПХ частотногофильтра. Другихограниченийна величинуперекрытияне накладывается.
Традиционноинформация,используемаяв тракте шумопеленгования,берется с перекрытиемвходных выборокна величинуη. Этореализуетсяв интересахследующих задачи трактовгидроакустическогокомплекса:
трактыавтоматическогосопровожденияцели (АСЦ) ивыработкиклассификационнойинформациипо ним;
трактобнаружениядискретныхсоставляющихсигнала вовсем сектореобзора;
задачавыделенияогибающейсигналов вовсем сектореобзора.
Однакодля трактапрослушиваниясигналов ипомех, в которомдля удобстваоператорареализована(в цифровойобласти) возможностьпонизить частотупрослушивания,оказалось, чтовеличина перекрытиявходных выборокдолжна бытьделителем числаn - количествоточек БПФ.
Посколькудля процедурыБПФ обычновыбирают числоn, являющеесястепенью 2: n=2x,
гдеx – целое положительноечисло, то и величинаперекрытиядолжна бытьтоже степенью2, так как другихпростых делителейу n нет.
4Программныймакет трактапрослушивания
4.1Структурнаясхема алгоритмаобработки втракте прослушивания
Структурнаясхема алгоритмаобработки втракте прослушиванияцифровой ГАСс формированиемканалов наблюденияв частотнойобласти приведенана рисунке 18.
Рис.18 Структурнаясхема алгоритмаобработки втракте прослушивания
1)АР – антеннаярешетка, M– количествоее приемныхэлементов;
2)АПО – фильтрациясигнала, предварительноеусиление;
3)АЦП – аналого-цифровоепреобразованиес частотойдискретизации24000Гц, процессов,принятых наМ приемныхэлементахантенны; получаемдискретизированныепо пространствуи по временивыборки входногополя;
4)Набор реализацийс перекрытием25 % точек;
5)БПФ – n-точечноебыстрое преобразованиеФурье по всемМ каналам. Частотноеразрешениесистемы df=fd/n;
6)ФПК – формированиепространственногоканала: осуществляетсяв частотнойобласти умножениемна фазирующиекоэффициентыи суммированиемвыходов задержанныхреализаций.Получаем одинвыход в полосеот 1 до 8 кГц, границамполосы частотсоответствуютномера частотныхотсчетовКн=[1000/df]=21 иКв=[8000/df+0.5]=171.
7)Вырезаниеполосы частот,соответствующейзаданномуоператоромномеру частотногодиапазона Nd(от 1 до 3):
Iчд - от Кн= 21 доКв=53,
IIчд - от Кн= 42 доКв=106,
IIIчд - от Кн= 85 доКв=171;
8)Сдвиг полосыв область от0.3 кГц (для удобстваоператора);сдвиг осуществляетсяна величину:
4Δf= 187 Гц - в Iчд,
32Δf= 1497 Гц – во IIчд,
76Δf= 3556 Гц – в IIIчд;
9)Умножение наспектральноеокно, в нашемслучае окноХанна с числомточек, зависящимот ширины частотногодиапазона:
K=53– в I чд,
K=81– во II чд,
K=99– в III чд ;
10)Восстановлениесигнала вовременнуюобласть сиспользованиемпроцедуры ОБПФна те же самыеn точек;
11)Отбрасываниенекорректныхотсчетов – поn/8 точек вначале и в концереализации;
12)Стыковка реализаций;
13)Цифро-аналоговоепреобразование(ЦАП) с частотойдискретизации24000кГц;
14)Вывод результатовна динамик иливыносныеаудиосистемы.
4.2Структурнаясхема программногомакета трактапрослушивания
Всоответствиис описаннымив предыдущихразделах алгоритмамифункционированиятракта прослушиваниядля выборапараметрови уточненияалгоритмовобработки всреде инженерныхрасчетов MatLabбыла написанамоделирующаяработу этоготракта программа.Язык программированиясреды MatLabявляется наиболееудобным дляработы с матричнымиструктурамиданных, а такжесодержит большоечисло вспомогательныхфункций и операцийнад матрицамии многомернымимассивамиданных. Крометого, MatLabобладает широкимивозможностямипо графическомуотображениюрезультатов.
Структурнаясхема программногомакета трактапрослушиванияприведена нарисунках 19 и20.
Программныймакет трактапрослушиваниявключает в себяследующиефункциональныеблоки:
Блокзадания параметровантенной решеткии параметровцифровой обработкив тракте ШП.
Задаютсяосновные параметрысистемы, включая:
-Скорость звука,
-Частота дискретизации,
-Задание мнимойединицы,
-Количествоэлементов АР,
-Шаг между приемнымиэлементамиАР,
-длительностьформируемогосигнала,
-Количествочастотныхдиапазонов,
-Числоточек БПФ,
-величина перекрытиявходных выборок,
-Нижняяполоса и верхняяполоса всеготракта, и разбивкана 3 диапазона.
Блокзадания параметровсигнала и параметровобработки втракте прослушивания.
Вэтом блокепроисходитвыбор типасигнала:
-тональный,
-амплитудно-модулированныйтональный,
-амплитудно-модулированныйшумовой;
Задаются:
-несущая частотасигнала,
-частотамодуляции,
-глубинамодуляции,
-числотактов обработки,
-частотныйдиапазонпрослушивания,
-уголпадения фронтаволны на элементыАР,
-частотный сдвигдля выбранногоЧД,
-степень расширенияполосы частот(количествоотсчетов),
-спектральноеокно.
Формированиепроцессов навыходе приемныхэлементов АР.Имитационноемоделированиевходного процессавключает всебя заданиемоделей полейсигнала, формированиевременнойреализациисигнала, фильтрациюее в заданномдиапазонечастот, формированиеплоского фронтасигнала наэлементах АР.
Переченьпроцедур, проводимыхв этом функциональномблоке:
расчеткоординатприемных элементовв АР,
формированиесигнала заданнойчастоты в поле,
расчетвременныхзадержек фронтаволны сигналаисходя изнаправленияего прихода,
формированиедискретизированныхс частотойfd=24000Гц сигналовна приемныхэлементах АР.
Функциональныепрограммырасчета выходногоэффекта трактапрослушивания:
Последовательныйнабор по nвременныхотсчетов сигналовна элементахАР с перекрытием25% - так называемыйтакт обработки;
Дальнейшиепроцедурывыполняютсяна каждом тактеобработки:
Переходв частотнуюобласть сиспользованиемпроцедурыБПФ;
ФормированиеПК на частотахрабочей полосы;
Вырезаниеполосы частотвыбранногочастотногодиапазона(ЧД);
Сдвигполосы частотна заранеерассчитанноедля каждогоЧД число спектральныхотсчетов;
Умножениеотсчетов спектрасформированногоканала наспектральноеокно;
Восстановлениесигнала вовременнойобласти (процедураобратногоПФ);
Отбрасываниенекорректныхотчетов изреализации– по n/8 отсчетовв начале и вконце реализации;
наборреализациибольшой длительности.
6.Выдача сигналана ЦАП, вычислениеспектра сигналас высоким разрешениемпо частоте,графическоепредставлениерезультатовобработки.
4.3Расчет выходныхэффектов тракта
Сформированныйуказанным вышеспособом сигнална элементахантенны «нарезается»на временныефрагментыдлиной n=512точек с учетомперекрытия,которое вводитсяв модель трактакак параметр.Каждый фрагментподвергаетсяпроцедуре БПФ,в результатечего получаютсяспектры процессовна выходе приемныхэлементов. Изполучившегосянабора частотв дальнейшуюобработкуберутся толькономера частотfk,соответствующиезаданной полосеобработки(fнчfв).
Какбыло показановыше, вырезаниеполосы фильтромс прямоугольнойчастотнойхарактеристикойвносит дополнительныеискажения ввосстановленныйсигнал. Поэтомув модели предусмотренорасширениеполосы обработкиот значения(0,3-4,5) кГц до (0,05-5) кГц.
Наследующем этапепроисходитформированиеканала наблюденияв частотнойобласти путемсложения спектровреализацийс приемныхэлементов АР,умноженныхна заранеерассчитанныефазирующиекоэффициентына это направление.
Рис.19 Структурнаясхема программногомакета трактапрослушивания
Рис.20Обработка вканале прослушивания
ПослеФХН выполняетсявырезаниеполосы частотвыбранногочастотногодиапазона исдвиг ее назаранее рассчитанноедля каждогоЧД число спектральныхотсчетов. Затемпроводитсяпроцедура ОБПФ,на выходе которойполучаем временнуюреализацию.Как было показаноранее, для устраненияэффектов, вызванныхвырезаниемполосы частот,необходимоперед восстановлениемсигнала вовременнуюобласть ввестичастотное окно,вид которогов модели можновыбирать иззаранее созданныхфайлов либоиз имеющегосяв системе MatLabбанка частотныхфильтров, атакже задаватьих параметры.В модели трактапрослушиванияпараллельноформируютсяи обрабатываютсясигналы, восстановленныес применениемчастотногоокна и без него.
Восстановленныйсигнал содержитв себе некорректныеотсчеты. Фазирующиекоэффициенты,используемыепри формированиивеера пространственныхканалов, таковы,что длительность“испорченных”фрагментовреализациив начале и вконце ее приблизительноодинакова.Поэтому изреализацииисключаютсянекорректныеотсчеты в началеи в конце кусочкареализациидлиной nотсчетов.
Длясокращениявремени моделирования,а также экономиивнутреннейпамяти MatLabсигнал на приемныхэлементах АРмоделируетсяна ограниченномвременноминтервале,причем длинаэтого интерваладолжна бытьдостаточнойдля формированияоценки спектральнойплотностимощности процессас требуемымчастотнымразрешением.Длина такойреализациив программеопределяетсяавтоматическис учетом необходимогоколичестваточек перекрытияи количестваточек.
5Результатырасчетов
Чтобысформироватьсигнал на элементахАР нужно рассчитатьзадержки накаждом элементеи сымитироватьих.
Исходяиз заданныхнами параметров,система формируетприходящийна АР сигналпод определеннымуглом.
Рис.22Приход сигналапод углом наэлементы АР
Обработкав канале прослушивания
Блокосновныхвычислительныхопераций подробнобудет рассмотрендалее.
Выводграфическихи аудио результатов
Послеобработки мыможем прослушатьи наглядноувидеть графикисигналов, изначальнопришедших наэлементы АР,и вычисляемспектры восстановленныхсигналов свысоким частотнымразрешением,частное разрешениесистемы определяетсядлительностьюреализациивзятой в обработку.
Посформированнымвходным воздействиямреализуетсяобработка вканале прослушивания.
Сформированныйсигнал на элементахАР
Исходяиз заданныхнами параметров,система формируетприходящийна АР сигналпод определеннымуглом.
БПФс перекрытием
ВыполняетсяБПФ с перекрытием,перекрытиезадаетсяпроизвольным,либо кратночислу точекБПФ (как и выяснилосьв результатемоделирования),но задать перекрытиемы можем произвольно.Выполняетсяперекрытиена каждом приемномэлементе АР.
Умножениена фазирующиекоэффициенты
Этаппроцедурыформирования.внесение задержекв частотнойобласти
Суммированиепо элементамАР
Вырезаниеполосы
Посколькуу нас частотноеокно имеетспады на краяхдиапазона, мырасширяемполосу сигнала,чтобы не сильнозарезать энергетикусигнала.
Сдвиг
Впервом частотномдиапазонеполоса частот1-2,5 кГц это соответствуетспектральнымотсчетам: Книжнее =21, К верхнее=53. В соответствиис такой закономерностьюсдвигать привыбраннойвеличине перекрытиямы можем толькопорциями по4Δfзначит первыйспектральныйотсчет ,длятого чтобыпопасть в полосу3-3.5 кГц долженбыть сдвинутна 4 отсчетов. Соответственнодля второгодиапазона 2-5кГц : К нижнее=42, К верхнее =107 ,32 отсчетов. Длятретьего 4-8 Кгц:К нижнее =85, Кверхнее =171, 76 отсчетов.
Рассчитыватькоэффициентсдвига будемпроводить поформуле
Где
нижнеезначение частотногодиапазона, =коэффициентфильтра, -число сдвигаспектральныхотсчетов.7– коэффициентминимальнойчастоты переносаспектра = 300 ГЦ
Умножениена спектральноеокно
Длякаждого из трехдиапазоновмы выбираемсвои параметрыфильтра . В даннойслучае будемменять лишьпараметрыфильтра Ханна(53 81 99). Полученныепо формуле:
K=kB-kH+2*kl+1
ОБПФ
ОбратноепреобразованиеФурье с количествомточек равнымв БПФ
Отбрасываниенекорректныхотсчетов
Формированиеделалось такимобразом, чтобынекорректныеотчеты равномернораспределялисьвначале и вконце реализациипоэтому половинуотчетов мыубираем изначала реализациии из конца.
Стыковкареализаций
Врезультатеполучаем реализациюбольшой длительности,которая подвергаетсяпреобразованиюФурье.
MATLAB- это интерактивнаясистема, в которойосновным элементомданных являетсямассив. Этопозволяетрешать различныезадачи, связанныес техническимивычислениями,особенно вкоторых используютсяматрицы и вектора,в несколькораз быстрее,чем при написаниипрограмм сиспользованием"скалярных"языков программирования,таких как Сиили Фортран.
Врезультатеработы программымы получаемследующиерезультаты:
Дляпервого частотногодиапазона(1-2.5) Khz
Каждыйчастотныйдиапазонсоответствуетспектральнымотсчетам k1=[21]k2=[53]
Уголприхода сигналаберем равныйPi/4
Сдвигполосы в областьот 0.3 ,4Δf= 187 Гц
Умножениена спектральноеокно K=53
Частотасигнала 2000 Гц
Спектрисходногосигнала Спектрвосстановленногосигнала
сосдвигом
Исходныйсигнал во временнойобласти Восстановленныйсигнал во
временнойобласти
Длявторого частотногодиапазона (2-5)Khz
Каждыйчастотныйдиапазонсоответствуетспектральнымотсчетам k2=[42]k2=[107]
Уголприхода сигналаберем равныйPi/4
Сдвигполосы в областьот 0.3 ,32Δf= 1500 Гц
Умножениена спектральноеокно K=81
Частотасигнала 3500Гц
Спектрисходногосигнала Спектрвосстановленного
сигналасо сдвигом
Исходныйсигнал воВосстановленныйсигнал
временнойобласти вовременнойобласти
Длятретьего частотногодиапазона (4-8)Khz
Каждыйчастотныйдиапазонсоответствуетспектральнымотсчетам k2=[85]k2=[171]
Уголприхода сигналаберем равныйPi/4
Сдвигполосы в областьот 0.3 ,76Δf= 3570 Гц
Умножениена спектральноеокно K=99
Частотасигнала 5000 Гц
Спектрисходногосигнала Спектрвосстановленного
сигналасо сдвигом
Исходныйсигнал во временнойВосстановленныйсигнал
областиво временнойобласти
Видычастотных оконХанна ИПХ фильтровХанна
длятрех диапазоновдля трех диапазонов
Дляпервого диапазона(1-2.5) кГц
Длявторого диапазона(2-5) кГц
Длятретьего диапазона(4-8) кГц.
Заключение
Вданной работебыла разработанаструктуратракта прослушиваниягидроакустическихсигналов навыходе сформированногопространственногоканала (каналанаблюдения)в тракте шумопеленгованияс использованиеммногоэлементнойантенной решеткидля трех частотныхдиапазонов.
Разработанпрограммныймакет трактапрослушивания,удовлетворяющийвсем требованиядля моделированиясигналов ипроцессов ихобработки втракте ШП.
Установленавзаимосвязьосновных параметровтракта прослушиванияс базовымипараметрамитракта ШП.
Требованиязадания полностьювыполнены иподтвержденыграфиками,полученнымив результатемоделирования.
Списоклитературы
ЛипатовВ.В. Электромагнитныеполя в морскойводе [Книга]. -Ленинград :ГМТУ, 1990.
РогожниковК. И. Морскиеинформационныесистемы [Книга]. -Санкт-Петербург :АМУР-ПРЕСС,2002. - стр. 106.
ЛоскутоваГ.В., ПолкановК.И. Пространственно-частотныеи частотно –волновые методыописания иобработкигидроакустическихполей. [Книга].- Санкт-Петербург .:Наука, 2007.-239с.
Ю.А.Корякин,С.А. Смирнов,Г.В.Яковлев.Корабельнаягидроакустическаятехника: состояниеи актуальныепроблемы.-СПб.:Наука.-410с.
Марпл-мл.С.Л.Цифровойспектральныйанализ и егоприложения.М.: Мир, 1990.
СмарышевМ.Д. Направленностьгидроакустическихантенн. Л. Судостроение,1973.
ГусевВ.Г. Системыпространственно-временнойобработкигидроакустическойинформации.Л.: Судостроение,1988 г.
ДьяконовВ.П., MATLAB 6 универсальнаяинтегрированнаясистема компьютернойматематики.С-Пб: Питер, 2001 г.
ЛазаревЮ.А. Моделированиепроцессов исистем в MATLAB.СПб.: Питер, 2005 г
ПоршневС.В. MATLAB 7. Основыработы и программирования.М.: Бином-Пресс,2006 г.
СергиенкоА.Б. Цифроваяобработкасигналов. СПб.:Питер, 2003 г.
Приложение1. Текст программыв Matlab
fd=24000;
dt=1/fd;
t=(0:dt:2);
d=0.1;
c=1500;
n=512;
M=30;
jk=sqrt(-1);
df=fd/n;
fk=df*(0:n-1);
f=input('введитечастотусигнала(1-2.5)kHz-I чд,(2-5)kHz-IIчд,(4-8)kHz-III чд=');
fk0=floor(f/df+0.5);
nd=input('Введитеномердиапазона=');
k1=[2142 85];
k2=[53107 171];
k0_=[710 7];
kl_=[108 6];
kH=k1(nd);
kB=k2(nd);
kl=kl_(nd);
k0=k0_(nd);
fm=5;
am=0.0;
al=-pi/4;
s=cos(2*pi*f*t);
s=cos(2*pi*f*t).*(1+am*cos(2*pi*fm*t));
tau0=d/c*sin(al);
tau=(0:M-1)'*tau0;
Ttau=repmat(tau,1,size(t,2));
%sound(s,fd)
T=repmat(t,M,1);
x=cos(2*pi*f*(T-Ttau)).*(1+am*cos(2*pi*fm*(T-Ttau)));
fk1=[fk(1:n/2+1)fk(n/2+2:n)-fd];
kolf=exp(jk*2*pi*tau*fk1);
fo=zeros(1,n);
fo(kH-kl:kB+kl)=hann (kB-kH+2*kl+1);
Ro=repmat(fo,M,1);
Per=1*n/2;
n_per=n-Per;
K=Per/2+1;
fori=1:100;
In=(i-1)*n_per+1;
Ik=In+n-1;
Y0=fft(x(:,In:Ik),n,2);
Y=Y0.*Ro;
z=sum(Y.*kolf,1);
V=zeros(1,n);
V(k0:k0+kB-kH+2*kl)=z(kH-kl:kB+kl);
U=ifft(z,n);
Ik1=i*n_per;In1=(i-1)*n_per+1;
w(In1:Ik1)=real(U(K:K+n_per-1));
U=ifft(V,n);
w1(In1:Ik1)=real(U(K:K+n_per-1));
end
nBCE=size(w,2);
figure,plot(fd/nBCE*(0:nBCE-1),20*log10(abs(fft(w))));
xlabel('Гц')
ylabel('дБ')
figure,plot (w)
xlabel('T/dt')
sound(w,fd);
figure,plot(fd/nBCE*(0:nBCE-1),20*log10(abs(fft(w1))));
xlabel('Гц')
ylabel('дБ')
figure,plot (w1)
xlabel('T/dt')
sound(w1,fd);
figure,plot(abs(ifft(fo,512))),gridon;
figure,plot(fo);
fd=24000;
dt=1/fd;
t=(0:dt:2); %массив времен
d=0.1;% шаг между приемниками АР
c=1500;
n=512; % число точек БПФ
M=30; %кол во элементов АР (линейная)
jk=sqrt(-1); %мнимая еденица
df=fd/n; %частотное разрешение системы
fk=df*(0:n-1); %массив частот после преобр фурье
f=input ('введите частоту сигнала (1-2.5)kHz-I чд,(2-5)kHz-II чд,(4-8)kHz-III чд =');
fk0=floor(f/df+0.5);
nd=input('Введите номер диапазона=');
k1=[21 42 85];%Начальные номера диапазонов
k2=[53 107 171];%Конечные номера длиапазона
k0_=[7 10 7];
kl_=[10 8 6];
kH=k1(nd);
kB=k2(nd);
kl=kl_(nd);
k0=k0_(nd);
fm=5;
am=0.0;
al=-pi/4; % угол прихода сигнала
s=cos(2*pi*f*t); % сигнал в поле в точке значения
s=cos(2*pi*f*t).*(1+am*cos(2*pi*fm*t));
tau0=d/c*sin(al); %Задержка сигнала между соседними приемными элементами
tau=(0:M-1)'*tau0;% массив задержек
Ttau=repmat(tau,1,size(t,2)); %формируем массив задержек размножаем на все моменты времени на 1 сек
%sound (s,fd)
T=repmat(t,M,1);% размножили время на M приемных элементов
x=cos(2*pi*f*(T-Ttau)).*(1+am*cos(2*pi*fm*(T-Ttau))); %сигнал на элементах АР приходящий с направления альфа
%figure,image(x(:,1:200)*70), shading interp;
fk1=[fk(1:n/2+1) fk(n/2+2:n)-fd];
kolf=exp(jk*2*pi*tau*fk1);
fo=zeros(1,n);
fo(kH-kl:kB+kl)= hann (kB-kH+2*kl+1); % вырезание полосы
Ro=repmat(fo,M,1); %Размножение матрицы
Per=1*n/2;%144%перекрытие
n_per=n-Per;
K=Per/2+1;
for i=1:100;
In=(i-1)*n_per+1;
Ik=In+n-1;
Y0=fft(x(:,In:Ik),n,2);
Y=Y0.*Ro;%вырезание полосы частот
z=sum(Y.*kolf,1); %Процедура формирования канала наблюдения
% сдвиг полосы частот
V=zeros(1,n);
V(k0:k0+kB-kH+2*kl)=z(kH-kl:kB+kl);
%Восстановление сигнала
U=ifft(z,n);
Ik1=i*n_per; In1=(i-1)*n_per+1; % изменить
w(In1:Ik1)=real(U(K:K+n_per-1));
U=ifft(V,n);
w1(In1:Ik1)=real(U(K:K+n_per-1));
end
nBCE=size(w,2); % число отсчетов в реализации
figure,plot(fd/nBCE*(0:nBCE-1),20*log10(abs(fft(w))));
xlabel('Гц')
ylabel('дБ')
figure, plot (w)
xlabel('T/dt')
sound (w,fd);
figure,plot(fd/nBCE*(0:nBCE-1),20*log10(abs(fft(w1))));
xlabel('Гц')
ylabel('дБ')
figure, plot (w1)
xlabel('T/dt')
sound (w1,fd);
figure,plot(abs(ifft(fo,512))),grid on;
figure,plot (fo);