close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Томский государственный университет;pdf

код для вставкиСкачать
XXVII сессия Российского акустического общества,
посвященная памяти ученых-акустиков
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
А. В. Смольякова и В. И. Попкова
Санкт-Петербург,16-18 апреля 2014 г.
И.А. Селезнев1), доцент, д.т.н., А.А. Янпольская2) , Буй Чыонг Занг3)
1) ОАО «Концерн «Океанприбор»», Санкт-Петербург, Россия, тел. +7911 905 4937, эл.
почта: [email protected]
2) ОАО «Концерн «Океанприбор»», Санкт-Петербург, Россия, тел. +7905 252 3011, эл.
почта: [email protected]
3) СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», СПб, Россия, тел. +7951 675 1663, эл. почта:
[email protected]
ОЦЕНКА
ВЛИЯНИЯ
ЗАКОНА
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ШУМОВ
НА
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ЛИНЕЙНЫХ АНТЕНН
В докладе рассмотрено влияние шумов с различными законами распределения
(нормальный, Стьюдента, Накагами и т.д.) на помехоустойчивость вертикальных
линейных антенн. Приведены результаты моделирования как при формировании
характеристики направленности (ФХН) в предположении плоских волн, так и с
учетом частичного согласования с каналом распространения для случая волновода
Пекериса. Отмечается перспективность разработанного подхода для анализа
помехоустойчивости при большом числе шумообразующих факторов.
Ключевые слова: модель Пекериса, согласование, канал распространения,
закон распределения, помехоустойчивость.
ВВЕДЕНИЕ
Поле помех вносит большой вклад в работу любой из гидроакустических систем
(ГАС), в том числе стационарных систем, работающих в режиме шумопеленгования
(ШП). Рассматривается влияние помех на алгоритмы формирования характеристик
направленности (ФХН) антенны как традиционные, так и частично согласованные с
каналом распространения (адаптивных).
Исходя из модели Крона и Шермана [1], морские помехи образуются бесконечным
количеством независимых источников излучения на поверхности моря (при котором ни
один из этих источников не является доминирующим), поэтому по центральной
предельной теореме поле, обусловленное влиянием поверхностного морского
волнения, является суммой таких источников, и распределено по нормальному закону.
Шум дальнего судоходства нельзя считать гауссововыми, поскольку его
источником является работа машин и механизмов. С другой стороны за счет
многолучевости, когда в точке наблюдения сходится множество переотраженных
откликов от различных целей, особенно в районах активного судоходства, он
нормализуется. В случае не интенсивного судоходства, в работе [2] исследованы
негауссовские шумы корабля и предполагается, что поле таких шумов подчиняется
распределению  2 . Другим примером может служить поле шума дальнего судоходства
в условиях мелкого моря Бразилии [3]. Результаты практических исследований
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
2
_________________________________________________________________________________________
показывают, что распределение амплитуд собственных шумов в этом районе не
подчиняется гауссовскому закону, но хорошо согласуется с законом Стьюдента.
В случае шума турбулентных потоков (гидроакустические шумы), в работе
Смольякова А.В. [4] показано, что они описываются довольно сложным образом, но не
подчиняются гауссовым законам, особенно для антенн в обтекателе, вследствие
возбуждения последнего набегающим потоком.
I. НЕГАУССОВЫЕ ШУМЫ
В данной работе рассмотрим район мелкого моря Вьетнама, с названием "залива
Бакбо", гидролого-акустические условия которых подробно описаны в работах [5-7].
Это район обладает некоторыми особенностями, характеризующимися важной
акваторией мелководья и играет важную роль в политической и экономической
деятельности Вьетнама, а тоже является районом установки стационарной ГАС.
В качестве приемной антенны предлагается использовать конструкцию, собранную
из вертикально размещенных дискретных антенных линеек, с 50 элементарными
приемниками каждая, расстояние между приемными элементами в линейке
d  0.5   ( f ср ) (м) (  ( f ср ) – акустическая длина волны на средней частоте рабочего
диапазона частот (ДЧ) системы, который составляет 500-3000 Гц). Верхний приемник
антенны прогружен на глубине 15 м. В зависимости от требуемого сектора углов
обзора конструкция антенной системы может быть различна, в случае обеспечения
обзора в горизонтальном секторе углов 3600 вертикальные линейки располагаются по
образующей цилиндра.
С учетом характеристик данной системы рассчитывались источники помех, внесшие
большой вклад в ДЧ: 500-3000 Гц. При этом поле помех на входе акустической
антенны ГАС в данной акватории рассматривалось как аддитивная смесь независимых
компонентов: динамических шумов моря (собственного шума моря, в частности,
течений), шумов дальнего судоходства, а также не менее важных для этого района
гидродинамических помех, непосредственно влияющих на гидрофоны.
В работе в качестве канала распространения сигнала используется модель
волновода Пекериса (модель двухслойного волновода с верхней мягкой границей и
поглощением в дне) [8] т.к. она обладает всеми основными характерными свойствами
мелководного волновода, и применение которой позволяет избежать исключительно
сложных и трудоемких расчетов и легко изменять параметры моделируемой морской
среды.
На основе вышеизложенного были сформированы программные модели шумов. С
помощью разработанной авторами программы в среде MATLAB, реализована
имитационная модель, учитывающая законы распределения спектров и значения
спектральных плотностей давления (СПД) аддитивных компонентов шумов, которые
приведены ниже.
1. Динамические шумы моря: вносят основной вклад в общее поле помех в этом
районе и обусловленные ветровым волнением с уровнями (степеням) больше 3-х
_________________________________________________________________________________________
И.А. Селезнев, А.А. Янпольская , Буй Чыонг Занг
Оценка влияния закона распределения шумов на помехоустойчивость линейных антенн
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
3
_________________________________________________________________________________________
баллов. Расчеты СПД динамических шумов для ветрового волнения 3-х баллов
производились с использованием математического выражения
1.25
2.4  10
3
Pд.ш ( f ) 
 f 
  
 f0 
2.5
f 

f 0 
(1)

1  

здесь f 0 =350 Гц – частота, на которой СПД достигает максимального значения.
На рис. 1. показаны СПД динамических шумов, распределенных по нормальному
закону и по законом Стьюдента. На рис.1 показаны СПД формирующих таких шумов,
вычисленные по выражению (1) при распределении по нормальному закону и закону
Стьюдента со степеням свободы v=5.
а)
б)
Рис. 1. СПД формирующих динамических шумов
(а – распределен по нормальному закону, б – распределен по закону
Стьюдента)
2. Шумы дальнего судоходства: также оказывают определенное влияние на
характеристики суммарных помех. Кроме того, движение судов по судоходным
трассам, располагающимся в непосредственной близости от района возможного
размещения ГАС, будет являться источником локальных помех, что, в свою очередь,
определяет необходимость оценки (на качественном уровне) влияния проходящих
судов на помеховую обстановку [6]. Это непростая задача, которая может быть решена
эмпирически, при точном знании конкретного места установки ГАС, не
рассматривается в данной работе. Интенсивность таких шумов в этом районе
соответствует развитому и плотному судоходству и зависит от количества судов в
районе в различные времена года.
Расчет и оценка СПД шумов дальнего судоходства развитой интенсивности в
данном районе произведены в соответствии с выражением:
1.6
 f 
5  10   
 f0 
Pсд ( f ) 
3.2
 f 
1   
 f0 
2
(2)
_________________________________________________________________________________________
И.А. Селезнев, А.А. Янпольская , Буй Чыонг Занг
Оценка влияния закона распределения шумов на помехоустойчивость линейных антенн
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
4
_________________________________________________________________________________________
здесь f 0 =55 Гц – частота, на которой СПД достигает максимального значения.
На рис. 2. показаны СПД динамических шумов, распределенных по нормальному
закону и по закону 2 .
а)
б)
Рис. 2. СПД формирующего шума дальнего судоходства
2
(а – распределен по нормальному закону, б – распределен по закону  )
3. Гидродинамические шумы
Для данной стационарной системы основной причиной таких шумов являются
течения. Такой шум создается давлениями, возникающими в турбулентном потоке и
действующими на лицевую поверхность гидрофона, окруженного турбулентным
пограничным слоем. Формула частотной зависимости шума потока была получена на
основании [9].
V 
5.5  103   
 V0 
Pгд 
1  45.2  f 2
3
(3)
где Pгд  давление гидродинамического шума [Па]; V0  4 м / с  эталонная скорость;
V=1 м/с  скорость потока.
а)
б)
Рис. 3. СПД формирующего гидродинамического шума
(а – распределен по нормальному закону, б – распределен по закону
Накагами)
_________________________________________________________________________________________
И.А. Селезнев, А.А. Янпольская , Буй Чыонг Занг
Оценка влияния закона распределения шумов на помехоустойчивость линейных антенн
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
5
_________________________________________________________________________________________
На рис. 3. показаны СПД гидродинамических шумов, распределенных по
нормальному закону и закону Накагами с параметрами (m=5, v=1).
II. ВЛИЯНИЯ ВКЛАДА ОТДЕЛЬНЫХ ШУМОВ И ИХ ТИПОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
В данной работе использованы традиционный метод и фазовый (адаптивный) метод ,
согласованный с каналом распространения сигналов, подробно описанный в работе
[10]. Это алгоритм представляет собой вариант согласованной обработки, поскольку в
алгоритме предполагается использовать информацию о форме волнового фронта
сигнала, и информацию о фазовом составляющем функции Грина. При этом без учета
ковариационной матрицы помех, мощность на выходе пространственного канала
антенны описывается следующим образом
WP 
 P
f Fд xA
f
 
1
H
 f , x
2
(4)
где Pf  S f  N f , S f и N f – поля сигнала и помехи в виде СПД соответственно; Fд –
множество дискретных частот; A – пространственная дискретная область наблюдений,
определяемая координатами приемных элементов антенны, задание которых, в свою
1
очередь, формирует конфигурацию антенны; H  f , x  – матрица, элементы которой
являются обратными значениями элементов фазовой части функции Грина H  f , x 
(т.е. только формы волновых фронтов);   – операция поэлементно умножения.
Сначала рассмотрим влияние для каждого типа помех предположений о их законах
распределения на значение отношения сигнал/помеха (ОСП) традиционного метода и
адаптивного метода обработки сигналов, обеспечивающее фазовое распределение на
элементах антенны согласованное по сигналу со средой.
Для удобства анализа влияния законов распределения рассматривались как
вырожденные случаи, когда последовательно моделировались только один из типов
шумов и предполагалось, что остальные отсутствуют, так и смесь рассмотренных выше
шумов в различных соотношениях. Далее приведены примеры зависимостей, из можно
видеть тенденции влияния законов распределения на ОСП и устойчивость алгоритмов
ФХН относительно априорных ошибок.
1. При влиянии только динамических шумов
На рис. 4. приведено сравнение ОСП для традиционного и фазового адаптивного
методов в зависимости от предполагаемых глубин волновода (от 80-110 м) при точном
задании глубины волновода H=100 м (на графике: линия 1 – ОСП для фазового
варианта, линия 2 – ОСП для традиционного варианта, индекс а – по нормальному
закону, б – по закону Стьюдента).
_________________________________________________________________________________________
И.А. Селезнев, А.А. Янпольская , Буй Чыонг Занг
Оценка влияния закона распределения шумов на помехоустойчивость линейных антенн
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
6
_________________________________________________________________________________________
Рис. 4. Сравнение
ОСП двух методов с
двумя законами
распределения
2. При влиянии только шумов дальнего судоходства
Аналогично, на рис. 5. приведено сравнение ОСП для традиционного и адаптивного
методов (линия 1 – ОСП для фазового варианта, линия 2 – ОСП для традиционного
варианта, индекс а – по нормальному закону, б – по закону  2 ).
Рис. 5. Сравнение
ОСП двух методов с
двумя законами
распределения
3. При влиянии только гидродинамических шумов
На рис. 6. показано сравнение ОСП для традиционного и адаптивного методов
(линия 1 – ОСП для фазового варианта, линия 2 – ОСП для традиционного варианта,
индекс а – по нормальному закону, б – по закону Накагами с параметрами (m=5, v=1)).
Рис. 6. Сравнение
ОСП двух методов с
двумя законами
распределения
_________________________________________________________________________________________
И.А. Селезнев, А.А. Янпольская , Буй Чыонг Занг
Оценка влияния закона распределения шумов на помехоустойчивость линейных антенн
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
7
_________________________________________________________________________________________
Согласно приведенным рисункам (4,5,6), каждая составляющая поля помех вносит
отдельный вклад в результирующее значение ОСП традиционного и адаптивного
методов. Типы распределения шумов тоже влияют, но менее заметны. С другой
стороны, чем меньше величины ошибок по глубине, тем больше величины выигрыша
фазового метода по сравнению с традиционным методом, и при точном задании
глубины (в приведенном примере, при H=100 м), выигрыш достигает максимального
значения.
III. ВЛИЯНИЯ СУММЫ ВСЕХ ШУМОВ И ТИПОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Далее рассмотрим влияние смеси 3-х помех с соответствующими законами
распределения (как приведено выше: гидродинамические шумы – по закону Накагами,
динамические шумы – по закону Стьюдента, шумы дальнего судоходства – по закону
 2 ) на значение ОСП традиционного и адаптивного методов обработки сигналов.
На рис. 7. приведено сравнение ОСП для традиционного и адаптивного методов
(линия 1 – ОСП для фазового варианта, линия 2 – ОСП для традиционного варианта,
индекс а – по нормальному закону, б – по различным законам).
Рис. 7. Сравнение
ОСП двух методов
с различными
законами
распределения
Видно, что в этом случае, типы распределения смеси шумов сильно влияют на
значение ОСП традиционного и адаптивного методов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учет реальных законов распределения показывает, что реальный выигрыш в
отношении ОСП для традиционного алгоритма обработки меньше, чем при нормально
распределенных шумах. Однако устойчивость алгоритмов качественно не зависит от
распределения шума. Это объясняется тем, что в рассмотренных алгоритмах адаптация
обеспечивалась только по сигналу без прямого учета свойств помехи. В оптимальных
адаптивных к среде алгоритмах, в которых оцениваются характеристики помехи и
алгоритмы оптимизированы в предложениях нормального шума влияние законов
распределение может быть более значимым.
_________________________________________________________________________________________
И.А. Селезнев, А.А. Янпольская , Буй Чыонг Занг
Оценка влияния закона распределения шумов на помехоустойчивость линейных антенн
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
8
_________________________________________________________________________________________
ЛИТЕРАТУРА
1. B.F. Cron, C.H. Sherman. Spatial-correlation function for various noise models. J.
Acoust. Soc. Am., vol. 34, 1962, pp. 1732.
2. Patrick L. Brockett, Melvin Hinich and Gary R. Wilson. Nonlinear and non‐Gaussian
ocean noise. J. Acoust. Soc. Am. 82, 1386 (1987);
3. José S. G. Panaro, Fábio R. B. Lopes, Leonardo M. Barreira, Fidel E. Souza.
Underwater Acoustic Noise Model for Shallow Water Communications. XXX SIMPÓSIO
BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES – SBrT’12, 13-16 DE SETEMBRO DE 2012,
BRASÍLIA, DF
4. Смольяков А.В. Шум турбулентных потоков: Монография. ЦНИИ им. акад. А.Н.
Крылова. СПб.: 2005. 312 с.: ил.
5. Ермолаев В. И., Селезнев И. А., Буй Чыонг Занг. Анализ гидрологоакустических характеристик и расчет звукового поля в Северном регионе Восточного
моря Вьетнама // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. № 10. С. 83–91.
6. Буй Ч.З. Анализ и моделирование гидроакустических помех в районе залива
Бакбо. Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического
университета "ЛЭТИ", № 2, с. 77-86 (2013)
7. Viktor Ermolaev, Truong Giang Bui. Modeling of Noise and Acoustic Field
Calculations in the Limited Water Area of Beibu Gulf Using Geospatial Data. Information
Fusion and Geographic Information Systems (IF AND GIS 2013). Lecture Notes in
Geoinformation and Cartography 2014, pp 277-287.
8. Пекерис К. Теория распространения звука взрыва в мелкой воде. // В кн.
Распространение звука в океане. Сб. пер. с англ. Под ред. Бреховских Л.М., Изд. ИЛ.:
М., 1951.
9. Миниович И.Я., Перник А.Д., Петровский В.С. Гидродинамические источники
звука. Л., Судостроение, 1972.
10. Селезнев И. А., А.А. Янпольская, Буй Чыонг Занг. Об одном подходе к частично
согласованной со средой обработке сигналов в гидро-акустической системе
шумопеленгования (Научно-технический сборник «Гидроакустика», ОАО «Концерн
«Океанприбор», № 19, 2013 г., - в печати) .
_________________________________________________________________________________________
И.А. Селезнев, А.А. Янпольская , Буй Чыонг Занг
Оценка влияния закона распределения шумов на помехоустойчивость линейных антенн
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа