Нижний Новгород, 2014, 100 с.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
01.04.03 – радиофизика
Цель работы. В соответствии с изложенным выше кругом проблем, основной целью диссертационной работы является:
теоретическое и экспериментальное исследование возможностей синтеза апертуры за счёт движения одиночного приёмника или антенной решётки в пассивной локации для:
большого набора неизвестных параметров задачи, таких как пеленг, дистанция, компоненты скорости источника и т.п.;
различных траекторий движения;
различного типа излучаемых источником сигналов: тональных, узкополосных и т.п.;
случая, когда антенная решетка подвержена действию сильной близкорасположенной акустической помехи;
разработка и экспериментальная апробация метода оценки уровня фонового шума
моря с помощью антенной решётки в присутствии сосредоточенных источников помехи;
разработка и апробация метода оценки временной формы полезного сигнала источника с помощью антенной решётки в присутствии набора пространственно распределённых помех при наличии неточно заданного вектора направлений.
Научная обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается применением к решению поставленных задач аппарата математической статистики, статистической радиофизики, а также методов современной теории оценки параметров сигналов. Особое внимание в диссертации уделено апробации предложенных методов и алгоритмов на данных численных и натурных экспериментов, которая подтвердила их эффективность, а также исследованию погрешностей.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
На основе границ Крамера–Рао получены аналитические выражения для дисперсий оценок неизвестных параметров, которые определяют возможности пеленгации источников чисто тонального сигнала с использованием движущейся линейной антенной решётки
(то есть возможности апертурного синтеза). Рассмотрены сценарии, когда источник сигнала находится в зоне Френеля или Фраунгофера синтезированной апертуры и когда оцениваемыми параметрами являются пеленг, частота, дистанция источника. Отдельно проанализирован случай, когда источник может двигаться с неизвестной постоянной скоростью в плоскости траектории приёмной системы. Проведённый анализ включает как случай равномерного прямолинейного движения, так и криволинейного движения приёмной системы. Экспериментальная апробация апертурного синтеза в подводной акустике для условий, характерных для мелкого моря, подтвердила его эффективность в соответствии с полученными теоретическими результатами.
Предложен метод апертурного синтеза для пассивной локации источников узкополосных случайных сигналов, использующий движение одиночного приемного элемента. Показано, что определение координат и проекций скоростей источников в этом случае осуществляется за счет текущих оценок доплеровского сдвига частоты. На основе границ Крамера–Рао выполнен анализ точности определения неизвестных параметров источника, движущегося по окружности, в зависимости от размеров синтезируемой апертуры, ширины полосы излучаемого сигнала, отношения «сигнал-помеха» и т.п. Даны численные оценки, показывающие перспективность предложенного способа, в частности, в подводной акустике.
Разработан метод оценки уровня фонового акустического шума моря с помощью линейной эквидистантой антенной решётки в присутствии некоррелированного шума и помехи, создаваемой набором источников, находящихся вблизи приёмной системы. Метод
основан на аппроксимации пространственного спектра Кейпона принятого сигнала с помощью модели, включающей сумму изотропного шума и некоррелированной помехи. С помощью численного моделирования показано, что при увеличении мощности близко расположенных источников помех погрешность оценки уровня изотропного акустического шума стремится к определенному пределу. Результаты апробации на данных натурного эксперимента подтверждают эффективность подавления близко расположенного источника помехи, что позволяет оценивать уровень изотропного акустического шума с высокой точностью.
Разработан метод выделения узкополосного сигнала источника с помощью набора приёмников в присутствии пространственно распределённых помех и независимого на элементах шума. Предложенный метод основан на использовании метода максимального правдоподобия в случае, когда в качестве модели корреляционной матрицы помехи используется матрица в виде суммы M диад, составленных из произвольных неизвестных векторов. Предложен оригинальный способ оценки эффективного числа М источников помехи. Для апробации предложенного метода рассмотрена задача выделения речевого сигнала одного из источников из набора пространственно распределенных источников звука. Результаты апробации на данных численных и натурных экспериментов демонстрируют высокую эффективность предложенного метода. Показано, что предложенный метод обладает значительной устойчивостью по отношению к несоответствию используемой
модели вектора направлений на полезный источник реальным условиям. При этом использование метода в данных условиях не требует привлечения априорных сведений о величине и характере отклонения от модели, что является значительным преимуществом по сравнению с известными методами.
Практическая значимость. Проведённые в диссертации исследования в рамках апертурного синтеза в пассивной локации могут быть использованы при создании гидроакустических локационных систем. Разработанный в диссертации метод оценки мощности фонового шума в присутствии мощных близкорасположенных помех может быть использован так же в гидроакустике в различных системах обнаружения и дальности пеленгации сигналов (сонары, шумопеленгаторы, системы, предназначенных для защиты от несанкционированного проникновения в охраняемые акватории и т.д.). Экспериментальная апробация разработанных методов и алгоритмов показала их высокую эффективность; они могут быть использованы в гидроакустических приборах и системах, развертываемых в условиях мелкого моря. Разработанный метод оценки временной последовательности сигнала на фоне помех может быть использован в системах беспроводной связи, различных акустических приложениях.
Результаты диссертации были использованы в ряде НИЭР и ОКР по гидроакустике, выполняемых в ИПФ РАН, при выполнении проектов в рамках грантов РФФИ и Минпромнауки.
Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Кроме непосредственной теоретической разработки методов, автор активно участвовал в их программной реализации и
экспериментальной апробации, включая личное участие в проведении натурных экспериментов.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
01.04.03 – радиофизика
Цель работы. В соответствии с изложенным выше кругом проблем, основной целью диссертационной работы является:
теоретическое и экспериментальное исследование возможностей синтеза апертуры за счёт движения одиночного приёмника или антенной решётки в пассивной локации для:
большого набора неизвестных параметров задачи, таких как пеленг, дистанция, компоненты скорости источника и т.п.;
различных траекторий движения;
различного типа излучаемых источником сигналов: тональных, узкополосных и т.п.;
случая, когда антенная решетка подвержена действию сильной близкорасположенной акустической помехи;
разработка и экспериментальная апробация метода оценки уровня фонового шума
моря с помощью антенной решётки в присутствии сосредоточенных источников помехи;
разработка и апробация метода оценки временной формы полезного сигнала источника с помощью антенной решётки в присутствии набора пространственно распределённых помех при наличии неточно заданного вектора направлений.
Научная обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается применением к решению поставленных задач аппарата математической статистики, статистической радиофизики, а также методов современной теории оценки параметров сигналов. Особое внимание в диссертации уделено апробации предложенных методов и алгоритмов на данных численных и натурных экспериментов, которая подтвердила их эффективность, а также исследованию погрешностей.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
На основе границ Крамера–Рао получены аналитические выражения для дисперсий оценок неизвестных параметров, которые определяют возможности пеленгации источников чисто тонального сигнала с использованием движущейся линейной антенной решётки
(то есть возможности апертурного синтеза). Рассмотрены сценарии, когда источник сигнала находится в зоне Френеля или Фраунгофера синтезированной апертуры и когда оцениваемыми параметрами являются пеленг, частота, дистанция источника. Отдельно проанализирован случай, когда источник может двигаться с неизвестной постоянной скоростью в плоскости траектории приёмной системы. Проведённый анализ включает как случай равномерного прямолинейного движения, так и криволинейного движения приёмной системы. Экспериментальная апробация апертурного синтеза в подводной акустике для условий, характерных для мелкого моря, подтвердила его эффективность в соответствии с полученными теоретическими результатами.
Предложен метод апертурного синтеза для пассивной локации источников узкополосных случайных сигналов, использующий движение одиночного приемного элемента. Показано, что определение координат и проекций скоростей источников в этом случае осуществляется за счет текущих оценок доплеровского сдвига частоты. На основе границ Крамера–Рао выполнен анализ точности определения неизвестных параметров источника, движущегося по окружности, в зависимости от размеров синтезируемой апертуры, ширины полосы излучаемого сигнала, отношения «сигнал-помеха» и т.п. Даны численные оценки, показывающие перспективность предложенного способа, в частности, в подводной акустике.
Разработан метод оценки уровня фонового акустического шума моря с помощью линейной эквидистантой антенной решётки в присутствии некоррелированного шума и помехи, создаваемой набором источников, находящихся вблизи приёмной системы. Метод
основан на аппроксимации пространственного спектра Кейпона принятого сигнала с помощью модели, включающей сумму изотропного шума и некоррелированной помехи. С помощью численного моделирования показано, что при увеличении мощности близко расположенных источников помех погрешность оценки уровня изотропного акустического шума стремится к определенному пределу. Результаты апробации на данных натурного эксперимента подтверждают эффективность подавления близко расположенного источника помехи, что позволяет оценивать уровень изотропного акустического шума с высокой точностью.
Разработан метод выделения узкополосного сигнала источника с помощью набора приёмников в присутствии пространственно распределённых помех и независимого на элементах шума. Предложенный метод основан на использовании метода максимального правдоподобия в случае, когда в качестве модели корреляционной матрицы помехи используется матрица в виде суммы M диад, составленных из произвольных неизвестных векторов. Предложен оригинальный способ оценки эффективного числа М источников помехи. Для апробации предложенного метода рассмотрена задача выделения речевого сигнала одного из источников из набора пространственно распределенных источников звука. Результаты апробации на данных численных и натурных экспериментов демонстрируют высокую эффективность предложенного метода. Показано, что предложенный метод обладает значительной устойчивостью по отношению к несоответствию используемой
модели вектора направлений на полезный источник реальным условиям. При этом использование метода в данных условиях не требует привлечения априорных сведений о величине и характере отклонения от модели, что является значительным преимуществом по сравнению с известными методами.
Практическая значимость. Проведённые в диссертации исследования в рамках апертурного синтеза в пассивной локации могут быть использованы при создании гидроакустических локационных систем. Разработанный в диссертации метод оценки мощности фонового шума в присутствии мощных близкорасположенных помех может быть использован так же в гидроакустике в различных системах обнаружения и дальности пеленгации сигналов (сонары, шумопеленгаторы, системы, предназначенных для защиты от несанкционированного проникновения в охраняемые акватории и т.д.). Экспериментальная апробация разработанных методов и алгоритмов показала их высокую эффективность; они могут быть использованы в гидроакустических приборах и системах, развертываемых в условиях мелкого моря. Разработанный метод оценки временной последовательности сигнала на фоне помех может быть использован в системах беспроводной связи, различных акустических приложениях.
Результаты диссертации были использованы в ряде НИЭР и ОКР по гидроакустике, выполняемых в ИПФ РАН, при выполнении проектов в рамках грантов РФФИ и Минпромнауки.
Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Кроме непосредственной теоретической разработки методов, автор активно участвовал в их программной реализации и
экспериментальной апробации, включая личное участие в проведении натурных экспериментов.