Аналого-цифровые средства приёма и обработки акустических сигналов с применением преобразования Вигнера-Виля и функции неопределённости

Общая характеристика работы.

Конечные цели, используемые методы и техника обработки сигналов многочисленны и часто различны. Для реализации её многих функций используются различные средства как технические, так и программные.

Современные приёмные системы обработки сигналов, как правило, сочетают аналоговую и цифровую обработку. Цифровым способам отдаётся предпочтение всегда, когда для этого есть необходимые предпосылки. И, прежде всего, это возможность обработки сигналов в реальном времени. Цифровые системы стабильны, они просто адаптируются и перестраиваются. Их можно реализовать с помощью заказных (специализированных) интегральных схем, программируемой логики или цифровых процессоров. Аналоговые средства являются неотъемлемой частью приёмных устройств (ПУ), и от качества их работы во многом зависит конечный результат обработки принимаемого сигнала.

Развитие элементной базы систем обработки сигналов происходит в общем русле совершенствования технологии средств связи, телекоммуникационных и измерительных систем, систем автоматики и т. д. Общая тенденция развития приёмных устройств отражается в расширении частотного и динамического диапазонов, увеличении чувствительности, расширении многофункциональности, повышении роли модульности (см., например [1]).

Цифровая обработка, связанная с выполнением стандартных функций приёмного устройства, в значительной степени поддерживается аппаратными средствами, такими как программируемые интегральные схемы, специализированные вычислители, цифровые сигнальные процессоры и т. д. Сложные алгоритмы обработки сигналов, требующие больших объёмов памяти и вычислительных мощностей, приходится выполнять в два этапа. На первом (предварительном) этапе обрабатываемый сигнал и (7) переводится в цифровую форму и сохраняется. Основная обработка сигнала реализуется на втором этапе и целиком программными средствами. При этом специфика первого этапа заключается, главным образом, в обеспечении предварительной селекции и усилении принимаемого сигнала до уровня, при котором становится возможным его преобразование в цифровую форму,.

Одним из основных факторов, влияющих на распространение гидроакустического сигнала, является распределение градиента скорости звука по глубине. Минимумы данного распределения образуют подводные звуковые каналы (ПЗК), оси которых располагаются на глубинах от 50 до 2000 м в зависимости от географического района и сезона [2]. Излучение и приём сигнала вблизи оси ПЗК, расположенного в толще воды, является наиболее благоприятным случаем с точки зрения потерь на распространение. В данном случае потери определяются, в основном, поглощением звука в морской среде и зависят от диапазона применяемых частот и расстояния между приёмником и излучателем. Для диапазона частот 16 Гц -60 кГц энергия потерь на поглощение звука хорошо аппроксимируется зависимостью у.

3 = 0,036//2 (дБ/км), где/- частота (кГц) [3]. Наличие и глубина ПЗК зависят от конкретного географического района и сезона. В то же время практические приложения, требующие применения звукоподводной связи, как раз не предполагают размещение приёмников и передатчиков в ПЗК. Приёмники и излучатели находятся на разных уровнях глубин, часто вблизи границ (поверхность и дно) и нередко разделены слоем скачка. Рефракция, являющаяся следствием наличия градиента скорости звука (как по глубине, так и по дальности), приводит к появлению зон геометрической тени со слабой интенсивностью звука [2]. Такие зоны (имеющие периодическую структуру, зависящую от взаимного расположения приёмников и излучателей, глубины моря, вертикального разреза скорости звука [4]) приводят к неустойчивому приёму сигналов уже на небольших дистанциях между излучателем и приёмником. Влияние границ в виде поверхности и дна моря сводится к рассеянию, а в случае дна и поглощению сигналов, особенно при наличии ила и осадочных пород, где поглощение составляет 0.3−0.5дБ/м на частоте 1 кГц [3]. Влияние границ уменьшается при снижении частоты сигнала. Рассеяние звука, также, происходит в звукорассеивающих слоях [2] и на неоднородных образованиях.

Одной из форм проявления свойств акустического канала связи является сильная многолучёвость. Проблемы, связанные с многолучёвостью уже давно разрешаются не только в отношении акустических каналов связи, но и в системах связи по радиоканалу. Примерами могут служить многолучёвость в беспроводных мобильных системах связи, интерференционные эффекты замирания при распространении радиоволн вдоль поверхности Земли. Здесь имеется большой теоретический и экспериментальный задел и опыт разработки технических средств, способных работать в условиях многолучевого распространения [5, 6]. Одним из средств эффективной работы в многолучевом канале связи является применение сложных шумоподобных сигналов [7, 8].

К перечисленному следует добавить действие различных по происхождению шумов. В гидроакустическом канале связи причиной появления шумового фона могут быть шумы волнения моря, сейсмическая активность Земли, а также различные шумы, порождённые промышленной деятельностью [9]. Уровень последних многократно возрос за последнее десятилетие в связи с работами на морском шельфе по поиску полезных ископаемых. Результаты проведённых с участием автора натурных морских экспериментов в 2003 — 2009 годах в Чёрном море показывают, что общий уровень шумового фона часто превышает уровень сигнала в его полосе более чем на 16 дБ.

Важным фактором, влияющим на качество приёма акустического сигнала, является низкая скорость распространения звуковых волн (в воде ~ 1500 м/с). Как следствие, увеличивается отношение и/с (где v — радиальная составляющая скорости приёмника/излучателя, с — скорость распространения звука в воде), что может приводить к большим фазовым набегам при малых скоростях взаимного перемещения излучателя и приёмника. Вследствие рефракции распространение гидроакустического сигнала происходит по сложным траекториям. Даже в случае строгой пространственной стационарности излучателей и приёмников, при расположении излучателей в относительной близости от поверхности сигнал, на пути своего распространения, испытывает многократные переотражения от нестационарной морской поверхности, приводящие к доплеровскому смещению несущей частоты [10, стр. 153 — 159].

Вышеперечисленное определяет требования, которым должны удовлетворять используемые в акустических каналах связи сигналы и методы их обработки. В частности, выбор способов модуляции и алгоритмов обработки должен исходить из условия уверенного выделения полезного сигнала и измерения его параметров при наличии изменений в пространственном расположении приёмника и передатчика, с учётом свойств среды и характера распространения. В свою очередь, приёмная аппаратура должна обеспечивать максимальное отношение сигнал/шум, что необходимо для достоверной оценки измеряемых параметров, в частности тех, по которым определяются параметры относительного движения источника и приёмника — мгновенной фазы и мгновенной частоты. В условиях многолучевого распространения к этому добавляется задача выявления числа приходящих в точку приёма лучей и оценки присущих каждому из лучей временных и частотных сдвигов с целью их дальнейшего энергетического суммирования. Учитывая изменчивый характер самого гидроакустического канала, приёмная аппаратура (особенно алгоритмы цифровой обработки), должны иметь возможность адаптации к конкретным условиям приёма. Такие лидеры в разработке гидроакустической аппаратуры, как LinkQuest Inc. (США), Teledyne Benthos (США), EvoLogics (Германия), выпуская модификации систем гидроакустической связи для различных глубин, закладывают в аппаратуру элементы адаптации для применения её в различных географических широтах, шумовых и помеховых условиях. Например, стабильность гидроакустического канала (время, в течение которого можно считать, что импульсная характеристика канала не меняется) в Чёрном море составляет 10 — 15 минут [10, стр. 75 -79], в Тихом океане на трассе Гавайи — Камчатка — около 20 минут [11], на дистанциях около 15 км в Японском море — до 2-х часов [12]. По истечении данного времени может изменяться уровень шумов, помеховая обстановка, распределение различных неоднородностей в среде, могут происходить флуктуации вертикального разреза скорости звука вдоль трассы распространения сигнала. Поэтому алгоритм адаптации приёмной аппаратуры к изменяющимся условиям приёма должен работать постоянно [13, 14].

Современные системы звукоподводной связи являются цифровыми [7,8, 15]. В условиях сложного канала передачи именно такие системы обеспечивают наибольшую устойчивость связи, т.к. работают с ограниченным набором дискретных импульсных сигналов, представляющих цифры, из которых формируется конечный алфавит, априорно известный приёмнику. Необходимость применения цифровой обработки в этих устройствах продиктована прежде всего тем, что она повышает стабильность и расширяет функциональные возможности приёмного устройства, в частности, возможность осуществления программными средствами сложных процедур, реализующих функции адаптации ПУ к условиям приёма поступающего на его вход сигнала. Немаловажным фактором является контролируемость параметров ПУ, а также простота механизма перестройки. Критерием качества цифровых систем связи является вероятность неверного детектирования цифры или вероятность ошибки РЕ [15]. Задачей выбора типов модуляции передаваемых сигналов и цифро-аналоговых алгоритмов обработки является снижение вероятности ошибки РЕ, достигаемое максимизацией отношения сигнал/шум на выходе канала обработки. Особенностью многих звукоподводных систем связи является их автономность, т. е. данные системы не обслуживаются человеком из-за сложности доступа к ним, и, как следствие, большинство из них имеют свои источники питания. Поэтому одним из важных требований к подобной аппаратуре связи является требование энергосбережения что, в свою очередь, приводит к ряду особенностей при проектировании электронной аппаратуры и построении самого канала передачи информации.

Энергосбережение аппаратуры обеспечивается, в первую очередь, подбором соответствующей электронной компонентной базы и, как следствие, общим построением алгоритма обработки сигналов. Использование микропроцессоров с низкой частотой тактирования позволяет снизить энергопотребление, но накладывает жёсткие требования к частотно-избирательным свойствам аналогового тракта, которые достигаются схемотехническими решениями с оптимальными характеристиками.

Ширина звукоподводного канала передачи информации и его частотный диапазон зависят от дальности. Например, для передачи информации на расстояние около 3.5 км используются несущие частоты порядка 25 кГц при ширине частотной полосы канала до 10 кГц [16]. Для связи на расстояния более 10 км несущие частоты не превышают 25 кГц [17], где потери на поглощение звука и расширение фронта волны (без учета влияния границ и других факторов) составляют около 95″ дБ [4]. Для расстояний около 50 км несущие частоты выбираются порядка 7 кГц, ширина полосы сигналов около 200 Гц [18, 19]. В связи с низкочастотностью и узостью полосы пропускания не представляется возможным передавать большие объемы данных по звукоподводному каналу связи, как это делается по радиоканалу. Поэтому при работе на дистанциях более 10 км протокол связи строится на основе кодовых сообщений, формируемых из конечного алфавита сигналов, априорно известных приёмнику.

В условиях изменчивости параметров измеряемых сигналов и при действии различных помех применимы адаптивные способы обработки. Применение адаптивных измерительных систем (ИС) особенно эффективно при отсутствии априорной определённости в характеристиках шумов в канале связи и действующих в нем помех.

Существенное улучшение качества работы ИС достигается при использовании цифровых методов обработки сигналов [20−25]. В практике таких систем наибольшее распространение получили системы, работающие по двум критериям оптимизации: по критерию максимума отношения сигнал/шум (эквивалентным ему критерием является критерий максимума вероятности правильного обнаружения сигнала при фиксированной вероятности ложной тревоги [26 — 33]) и по критерию минимума среднеквадратичной ошибки [6, 34−39].

Большое число работ посвящено созданию адаптивных систем управления. Среди них следует выделить работы, касающиеся адаптивных систем с эталонной моделью [40,41]. Известны системы, в которых отсутствовала эталонная модель и не требовалась детальная априорная информация о параметрах исследуемого объекта. Тем не менее, системы позволяли осуществлять идентификацию параметров объекта в реальном масштабе времени [39,42,43]. Здесь процесс идентификации эквивалентен процессу, осуществляемому посредством градиентного метода оценивания параметров [25,44]. По такому принципу строятся адаптивные фильтры [37, 45 -49], автоматические компенсаторы эхо-помех [50- 54] и т. п. В таких системах обработка заключается в суммировании сигналов и шумов с весами. Однако вычисление значений оптимальных весов оказывается весьма громоздким, поскольку количество необходимых арифметических операций пропорционально третьей степени числа весовых коэффициентов [35].

Практически приемлемой альтернативой является итерационная (адаптивная) асимптотически-оптимальная процедура, которая позволяет отыскать оптимальные весовые коэффициенты методом последовательных приближений. При этом должны быть известны характеристики сигнала, но не нужны характеристики шумов и помех, а количество арифметических операций пропорционально числу весовых коэффициентов [35]. В работах [34−39, 55 — 59] рассматриваются такого рода алгоритмы адаптивной обработки сигналов применительно к задачам радиосвязи и радиолокации.

Борьба с помехами средствами адаптивной обработки, как правило, предполагает селекцию сигнала по измеряемому параметру. Примером служит временная (по фазе, частоте повторения и длительности) селекция, применяемая в импульсных радиолокаторах[60 — 62]. В работах [28,63] рассмотрена адаптивная фильтрация сигналов в системах селекции движущихся целей. Суть её сводится к стробированию приёмного тракта на время действия принимаемых сигналов. Само по себе это средство эффективно в отношении синхронных помех, но не исключает мешающее воздействие помех несинхронных. Характерным признаком последних является их нестационарность, при которой мощность флуктуирует по априорно неизвестному закону. В связи с этим была и остаётся актуальной задача создания мобильных ИС, способных самостоятельно оценивать создаваемые помехами условия обработки сигналов и по мере их изменения принимать необходимые решения. Эффективность таких решений, с одной стороны, зависит от наличия способов или признаков, используя которые помеху можно было бы отделить (или отличить) от сигнала, а с другой — от требуемых для реализации механизма адаптации ресурсов (временных, частотных или каких-либо других).

В диссертации представлены два направления исследований. Первое посвящено цифровым методам спектрально-временной обработки и цифровым адаптивным системам. Второе — методам синтеза аналоговых устройств, предназначенных для работы во входных цепях приёмных систем. Целью данной работы явилось создание, а затем и использование в научных экспериментах методов и средств обработки акустических сигналов.

При решении задач, связанных с определением спектрального содержимого изменяющихся во времени сигналов, наибольшей точностью обладают методы, основанные на получении совместных время-частотных распределений (ВЧР). В силу их разнообразия имеется проблема выбора, которая усложняется ещё и тем, что получаемые распределения различаются по виду и каждое из них обладает только ему присущими свойствами [64, 65]. Несмотря на различие, способы получения время-частотных распределений имеют то общее, что основаны они на выявлении корреляции исследуемого сигнала либо с самим сигналом, но с измененной зависимостью от времени и частоты посредством сдвига или инверсии, либо с дополнительным опорным сигналом.

В диссертации рассмотрены разновидности спектрально-временного анализа (СВА), связанные с функцией неопределённости Вудворда и с преобразованием Вигнера-Виля (ПВВ), которое связано с функцией неопределённости двумерным (по времени и частоте) преобразованием Фурье.

Известно, что метод Вигнера-Виля (ВВ) обеспечивает высокое частотно-временное разрешение [64, 66]. По этой причине он нашёл широкое применение в геофизической разведке [67], океанологии [68], при проектировании акустических приборов [69] и т. д. Однако вычисление распределения Вигнера-Виля (РВВ) основано на нелинейном интегральном преобразовании, что вносит значительные интермодуляционные искажения в получаемые спектрально-временные распределения. Подобное свойственно и функции неопределённости. В связи с этим актуальна задача разработки методов СВА, не имеющих интермодуляционных искажений, каковыми являются линейные методы на основе взаимных функции неопределённости и преобразования Вигнера-Виля, что явилось одним из направлений представленных в диссертации исследований. Побудительным стимулом к разработке таких методов послужило то, что они позволяют получать информацию о мгновенной фазе и мгновенной частоте, не прибегая к использованию систем синхронизации, например, систем фазовой автоподстройки.

Специфика применения двух названных выше методов СВА состоит в том, что ПВВ наиболее эффективно в отношении непрерывно модулированных по частоте сигналов, а функция неопределённости — в отношении сложных шу-моподобных сигналов (ШПС-сигналов), каковыми являются, например, фазо-манипулированные по псевдослучайному закону сигналы. Последние широко применяются в системах связи с кодовым разделением [7, 8, 15]. Возможности методов СВА по локализации энергии импульсных сигналов на время-частотной плоскости позволяют исследовать их частотную и фазовую структуры. На этом основана рассмотренная в диссертации возможность оценки влияния среды распространения, а также возможность измерения параметров относительного движения источников и приёмников сигналов.

Подобным образом (с привлечением взаимного ПВВ) решались задачи, связанные с измерением параметров сигналов, поступающих от мобильных объектов. Одной из таких задач являлась вибродиагностика мобильного объекта по поступающим от него сигналам. Проведённые исследования показали, что диагностику с применением взаимного ПВВ можно выполнять также в реальном масштабе времени с применением цифровых спецвычислителей и цифровых процессоров сигналов [70].

Подобным образом можно исследовать сигналы, применяемые при активном зондировании диффузных сред, выделяя в них вызванные средой изменения. В диссертации обсуждается возможность применения взаимного ПВВ для исследования частотных и фазовых характеристик сигналов, прошедших через среду с дисперсией, основываясь на сопоставлении частотно-временных параметров принятого сигнала с параметрами исходного воздействия.

Одним из способов достижения необходимого качества работы гидроакустического канала связи является использование сложных (например, фазома-нипулированных по псевдослучайному закону) сигналов [11, 71]. Применение таких сигналов обусловлено тем, что на результат обработки значительно влияет мобильность приёмника и передатчика, нестационарность среды распространения звука (подвижность границ, изменчивость температурных слоев и т. д.), также наличие помех. Для их обработки применены адаптивные системы:

— система реального времени, разработанная для применения в каналах связи, допускающих изменение частоты несущего колебания из-за эффекта Доплера в пределах, не приводящих к изменению внутренней структуры сигнала, за исключением изменения временного масштаба (общего сжатия или расширения);

— система, предназначенная для обработки сигналов, поступающих от быс-троподвижных и совершающих сложные движения объектов с масштабами, значительно превышающими длину излучаемой волны. Её работа предполагает предварительную запись принимаемого сигнала и последующую обработку методом синтеза параметров опорного сигнала.

Относительно простыми средствами решается задача адаптации, когда помехи по мощности превосходят сигнал. В этом случае задачу отделения помех от сигнала можно решить с помощью порогового обнаружителя. Способ оценки помеховой ситуации зависит от алгоритма адаптации [72 — 85].

В диссертации представлены алгоритмы адаптации, реализованные цифровыми методами с применением в качестве вычислителей микроконтроллеров и цифровых процессоров сигналов.

Рассмотрена адаптивная приёмная система, в которой передаваемые сигналы модулируются кодовыми псевдослучайными последовательностями (ПСП), принадлежащими заданному алфавиту символов. Алгоритм адаптации построен как сочетание адаптивного RLS-алгоритма (Recursive Least SquareRLS) с последующим вычислением взаимной функции неопределённости (ВФН) на предмет соответствия продетектированного сигнала заданному алфавиту символов и алгоритма адаптивной калмановской фильтрации [86, 87].

При обработке сигналов от мобильных объектов, совершающих сложные крупномасштабные движения, излучаемые (или переизлучаемые) сигналы изменяются настолько, что традиционные, основанные на измерении фазового временного) и частотного сдвигов, методы приёма становятся неработоспособными. В такой ситуации приходится использовать методы обработки, основанные на выявлении характера изменений параметров сигнала, вызванных движением источника. В диссертации рассмотрен один из таких методов, в основу которого положена количественная оценка корреляции принимаемого сигнала с синтезируемым с помощью поискового алгоритма опорным колебанием. Согласованное с сигналом опорное колебание находится путём синтеза его параметров, дающих максимальное значение модуля ВФН [64, 70].

Возникающие в процессе распространения изменения в передаваемом сигнале, с одной стороны, приводят к искажениям передаваемой информации, а с другой, возникшие в принятом сигнале изменения могут быть использованы в целях диагностики среды распространения. Представленные в диссертации методы обработки позволяют решать как задачи, связанные с передачей информации по акустическому каналу связи, так и задачи диагностики среды, основываясь на выявлении характера вариаций параметров, возникших на пути к точке приёма. Для решения сформулированных выше задач обработки сигналов, особенно задач связанных с диагностикой среды распространения, приёмный тракт должен обладать строго заданными частотными свойствами. Создание таких устройств требует соответствующих средств проектирования, позволяющих синтезировать частотно-избирательные цепи с заданными амплитудно-частотными (АЧХ) и фазо-частотными (ФЧХ) характеристиками.

В современной гидроакустической аппаратуре частотная селекция обеспечивается активными 7? С-фильтрами (АФ). Расчёт АФ проводился с использованием программного продукта для многофункционального синтеза на основе метода поисковой оптимизации, который имеет существенные отличия от широко используемых средств разработки, например программных пакетов ОгСАЭ, Мюгс^ауе, МаЦЬаЬ и др. Таким отличием является возможность синтеза устройств с произвольно задаваемыми АЧХ и ФЧХ. В большинстве программных средств, используемых при разработке АФ, применяются стандартные методы синтеза, базирующиеся на заранее задаваемых, посредством полиномиальной аппроксимации, АЧХ с нерегулируемыми фазо-частотными характеристиками. Процедуре синтеза АФ предшествует стадия выбора одного из стандартных схемотехнических решений, среди которых наиболее распространенными являются схемы с многопетлевой обратной связью, эллиптические схемы, АФ как источники напряжения управляемые напряжением, биквадратные схемы. При таком методе синтеза невозможно обеспечение требуемых амплитуднои фазо-частотных характеристик приёмного тракта. Такая задача не только сложна, но часто невыполнима из-за отсутствия необходимой точности и дискретности номиналов навесных элементов, используемых при реализации АФ. Всё это потребовало применения таких методов синтеза АФ, которые были бы способны обеспечить создание фильтров с заданными АЧХ и ФЧХ без ограничений на их форму при заданных ограничениях на номиналы входящих в них элементов.

Многофункциональный синтез на основе численных методов поисковой оптимизации инвариантен относительно синтезируемого объекта и не имеет принципиальных ограничений [88 — 90]. В диссертации таким методом синтезировались параметры опорного колебания, предназначенного для обработки сигналов, поступающих от быстроподвижных и совершающих сложные движения объектов.

При синтезе АФ поисковая оптимизация осуществляется на базе математической модели с учётом всей совокупности требований к функциональным характеристикам синтезируемого устройства и к технологическим допускам на составляющие его элементы. Завершающим этапом является практическая реализация и экспериментальная проверка синтезируемой системы. На этой стадии выявляется погрешность модели и погрешности, обусловленные технологией изготовления устройства. При необходимости решение задачи синтеза может быть продолжено при новых уточнённых параметрах модели и коррекции технической реализации.

Актуальность работы.

Задачи приёма/передачи информации через гидроакустический канал связи, исследование поведения подводных объектов на основе принятых от них сигналов, а также диагностика водной среды актуальны и имеют приложение в области морских исследований, океанографии, морской добычи полезных ископаемых, сбора научных данных, навигации, устройствах вибродиагностики, в геологои сейсморазведке. Данные задачи актуальны в других областях науки и техники, связанных с приёмом и обработкой сигналов с большой базой, а также в приложениях, требующих высокого время-частотного разрешения.

Цель работы.

Создание, теоретическое обоснование и использование в научных экспериментах и практических приложениях в области акустики и гидроакустики методов и средств обработки сигналов, используемых при передаче информации, контроле состояния, зондировании и диагностике физических объектов.

Задачи работы.

1) Исследование метода спектрально-временного анализа на основе взаимного преобразования Вигнера-Виля, включая оценку его частотно-временного разрешения, помехоустойчивости и работоспособности посредством теоретического обоснования, экспериментальных исследований в лабораторных и реальных условиях и численного моделирования.

2) Исследование возможности применения взаимного преобразования Вигнера-Виля в системах вибродиагностики и системах, контролирующих мелкомасштабные (меньше длины волны) перемещения мобильных объектов.

3) Теоретическое исследование и экспериментальная проверка возможности применения взаимного преобразования Вигнера-Виля для определения дисперсионных свойств среды методом активного зондирования.

4) Исследование, разработка, экспериментальная проверка адаптивных методов и алгоритмов для приёмных систем звукоподводной связи, функционирующих в условиях действия помех, многолучевого распространения и мобильности приёмо-передающих устройств.

5) Исследование применимости взаимной функции неопределённости с синтезируемым поисковым методом опорным колебанием для обработки сложных шумоподобных сигналов от быстроподвижных объектов в условиях, когда движение объекта вызывает сильные изменения закона модуляции.

6) Создание активных фильтров с заданными частотными и фазовыми характеристиками при учёте ограничений, обусловленных технологическим разбросом параметров элементной базы, на основе метода многофункционального параметрического синтеза.

Научная новизна.

В диссертационной работе предложены:

1. методы и средства спектрально-временной обработки с повышенным частотно-временным разрешением на основе взаимного преобразования Вигнера-Виля, предназначенные.

— для измерения параметров угловой модуляции сигналов с большой базой,.

— для измерения параметров мелкомасштабных движений мобильных объектов,.

— для измерения частотно-временных характеристик сигналов от импульсных источников в волноведущих средах,.

— для исследования дисперсионных свойств акустической среды, особенно сред со слабой дисперсией;

2. адаптивная гидроакустическая система для приёма кодированных заданным набором (алфавитом) символов фазоманипулированных сигналов со случайным временем прихода от источников с малой скоростью перемещения, В основу работы системы положено последетекторное вычисление взаимной функции неопределённости с заданным алфавитом символов;

3. способ обработки сложных сигналов, основанный на синтезе опорного колебания поисковым методом с целью определения параметров исследуемого сигнала по критерию максимума модуля взаимной функции неопределённости при нулевом смещении по времени и по частоте;

4. методика многофункционального синтеза активных фильтров по совокупности требуемых частотных и фазовых характеристик с учётом дискретности и технологического разброса параметров элементной базы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. метод обработки сигналов с применением взаимного преобразования Вигнера-Виля позволяет увеличить частотно-временное разрешение и устойчивость к помехам приёмных устройств в гидроакустических каналах связи, повышает точность измерения параметров движения мобильных объектов и применим для исследования дисперсионных свойств сред распространения сигналов, особенно сред со слабой дисперсией;

2. адаптивный метод обработки сложных сигналов, основанный на синтезе параметров опорного сигнала поисковым методом с критерием максимума модуля взаимной функции неопределённости при нулевом смещении по времени и по частоте, позволяет измерять параметры сложных фазоманипулированных сигналов от быстроподвижных объектов, движение которых вызывает значительные изменения закона модуляции;

3. методика многофункционального синтеза активных фильтров позволяет создавать фильтрующие звенья со строго заданными частотными и фазовыми характеристиками при наличии дискретности и технологического разброса параметров элементной базы.

Практическая значимость работы.

Полученные в работе результаты и предложенные средства аналоговой и цифровой обработки сигналов могут быть использованы при разработке приёмных устройств каналов связи, гидролокационных систем и программно-аппаратных средств, предназначенных для определения параметров движения мобильных объектов и для исследования свойств среды распространения сигналов.

Предложенная методика дискретного многофункционального синтеза активных аналоговых фильтров значительно упрощает их разработку и позволяет синтезировать фильтры с заданными амплитуднои фазо-частотными характеристиками с учётом ограничений на номиналы используемой элементной базы.

Предлагаемые методы цифровой обработки могут найти применение в устройствах вибродиагностики, в геологои сейсморазведке, в областях науки и техники, связанных с приёмом и обработкой сигналов с большой базой, а также в измерительных системах с высоким время-частотным разрешением.

Результаты работы могут быть внедрены в учебный процесс в ННГУ и НГТУ при разработке и проведении лекционных курсов и лабораторных занятий. Можно рекомендовать использование разработанных в диссертации методов спектрально-временной обработки сигналов в НИРФИ, ННГУ, ИПФ РАН (г. Н. Новгород), ОАО ГНПП «Регион» (г. Москва), ОАО «Концерн «МПО — Гидроприбор» (г. С-Петербург).

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на XXVI отраслевой научно-технической конференции «МПО-МС 2007», Санкт-Петербург, 2007;

• на научной конференции по радиофизике, Нижний Новгород, 2007;

• на научной конференции по радиофизике, Нижний Новгород, 2008;

• на международной научно-технической конференции ИСТ-2008, Нижний Новгород, 2008;

• на международном симпозиуме INTELS'2008, Нижний Новгород, 2008.

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 6 печатных публикациях [70, 87, 100, 117, 124, 130]. Все статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 41 рисунок, 4 таблицы и список литературы из 135 наименований.

Результаты работы могут быть внедрены в учебный процесс в ННГУ и НГТУ при разработке и проведении лекционных курсов и лабораторных занятий. Можно рекомендовать использование разработанных в диссертации методов спектрально-временной обработки сигналов в НИРФИ, ННГУ, ИПФ РАН (г. Н. Новгород), ОАО ГНПП «Регион» (г. Москва), ОАО «Концерн «МПОГидроприбор» (г. С-Петербург).

Заключение

.

Основные полученные в диссертации результаты сводятся к следующему.

1. Исследованы методы и средства спектрально-временной обработки с повышенным частотно-временным разрешением на основе взаимного преобразования Вигнера-Виля, предназначенные.

— для измерения параметров угловой модуляции сигналов с большой базой,.

— для измерения параметров мелкомасштабных движений мобильных объектов,.

— для измерения частотно-временных характеристик сигналов от импульсных источников в волноведущих средах,.

— для исследования дисперсионных свойств акустической среды, особенно сред со слабой дисперсией.

Дана оценка их частотно-временного разрешения и устойчивости к воздействию помехо.

2. Разработана адаптивная гидроакустическая система для приёма кодированных заданным набором (алфавитом) символов фазоманипулированных сигналов со случайным временем прихода от источников с малой скоростью перемещения, В основу работы системы положено последетекторное вычисление взаимной функции неопределённости с заданным алфавитом символов;

3. Предложен способ обработки сложных сигналов, основанный на синтезе параметров опорного сигнала поисковым методом с критерием максимума модуля взаимной функции неопределённости при нулевом смещении по времени и по частоте;

4. Предложена методика многофункционального синтеза активных фильтров по совокупности требуемых частотных характеристик с учётом дискретности параметров элементной базы.

Рекомендации по практическому использованию основных результатов диссертации.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке аппаратуры связи и гидролокационной аппаратуры, включая средства аналого-цифровой обработки сигналов, а также при исследовании параметров движения мобильных объектов и при исследовании свойств среды распространения сигналов.

Предложенная методика дискретного многофункционального синтеза активных аналоговых фильтров значительно упрощает их разработку и позволяет синтезировать фильтры с заданными амплитуднои фазо-частотной характеристиками с учётом ограничений на номиналы используемой элементной базы.

Предлагаемые методы цифровой обработки могут найти применение в устройствах вибродиагностики, в геологои сейсморазведке и других областях науки и техники, связанных с приёмом и обработкой сигналов с большой базой, а также в приложениях, требующих высокого время-частотного разрешения.

Результаты диссертации использовались автором при выполнении ряда НИР и ОКР в области разработки гидроакустической аппаратуры. Синтезированные предложенными методами аналоговые активные фильтры, а также цифровые адаптивные алгоритмы используются в приемных трактах выпускаемой аппаратуры.