Модель тракта прослушивания гидроакустических сигналов

Уважаемая комиссия, вашему вниманию предоставляется квалификационная работа на тему «Модель тракта прослушивания гидроакустических сигналов».

В данной работе, мне была дана задача

- Разработать структуру тракта прослушивания гидроакустических сигналов на выходе сформированного пространственного канала (канала наблюдения) в тракте шумопеленгования с использованием многоэлементной антенной решетки;

- разработать программный макет тракта прослушивания;

- установить взаимосвязь основных параметров тракта прослушивания с базовыми параметрами тракта ШП;

- с использованием программного макета выбрать параметры тракта прослушивания применительно к заданным в ТЗ на проект условиям.

В качестве многоканального датчика гидроакустичекой информации выбрана линейная эквидистантная антенная решетка, состоящая из 30 приемных элементов с межэлементным расстоянием d=0.1 метра.

Сектор обзора - 45 относительно нормали к антенной решетке.

Частота дискретизации входных выборок fd=24000 Гц.

Частотные диапазоны прослушивания: I - (1-2.5) кГц;

II - (2-5) кГц;

III - (4-8) кГц.

Полоса пропускания усилителя тракта прослушивания (0.3-4.5) кГц.

Как известно тракт прослушивания является необходимой частью любой ГАС потомучто оператор должен иметь возможность прослушать сигнал и провести субьективную классификацию обьекта.

-большой корабль или малый;

-есть кавитация или нет;

-шум дизеля или иного механизма;

-число оборотов винтов и число лопастей винта;

-имеет ли место перекладка рулей;

-наблюдается ли пуск оружия;

Целью созданию данного тракта является то что ныне существующие ГАС ведут обработку информации в цифровой области и формирование канала наблюдения тоже ведется в цифровой области. При аналоговой системе никаких проблем не возникало но размеры комплекса аналогового типа были огромные, сейчас же с развитием цифровой техники размеры данной системы можно существенно сократить.

Задачей формирования канала наблюдения является сбор энергии по большой апертуре, с компенсацией задержки, возникшей на элементах АР при прохождении сигнала в среде. Это формирование можно делать и во временной области, но для получения хороших характеристик такого формирования частота дискретизации входных выборок должна быть очень большой (fd>>fв). Поэтому чаще процедуру формирования пространственного канала выполняют в частотной области, где частота дискретизации fd может быть лишь в 2.5-3 раза выше верхней частоты полосы обработки.

В данной работе мы будем заниматься системой формирование канала наблюдения в частотной области.

Формирование в частотной области основано на известном свойстве пр. Фурье . а именно в том что Спектр задержанного сигнала отличается от спектра исходного сигнала наличием фазового сдвига который зависит от частоты и от времени задержки.

Пусть сигнал имеет непрерывный спектр , тогда задержанный сигнал на время сигнал S₁(t)=имеет спектр , который на каждой частоте f отличается от спектра исходного сигнала лишь фазой, которая пропорциональна задержке и частоте f:

Таким образом, для компенсации временных задержек сигналов на элементах АР достаточно вычислить спектры сигналов и умножить их на каждой частоте на . Тогда для формирования ПК остается сложить их.

Первая проблема

Процедура формирования в частотной области реализуется в режиме ШП с использованием алгоритма БПФ следующим образом. Поскольку режим ШП предназначен для обнаружения широкополосных непрерывных сигналов с неизвестным временем появления, то заранее указать временной интервал, в течение которого сигнал будет существовать, не представляется возможным. Поэтому вся входная информация - пространственно-временные выборки поля - нарезается на фрагменты фиксированной длительности и на этих фрагментах выполняются все процедуры первичной обработки (переход в частотную область, формирование ПК, диапазонная фильтрация и т.п.). Переход в частотную область выполняется с использованием процедуры БПФ, которая вычисляет дискретный спектр выборки конечной длины, циклически размноженной до бесконечности. Внесение задержек в частотной области эквивалентно сдвигу временной реализации, которая в случае использования БПФ означает циклический сдвиг реализаций.

Таким образом, при реализации ФХН в частотной области происходит циклический сдвиг реализаций на отдельных приемных элементах друг относительно друга. В результате после сдвига реализации на время ф_m и перевода сигнала во временную область в начале задержанного фрагмента появятся отсчеты из его конца или, наоборот, отсчеты из начала реализации окажутся в конце ее (в зависимости от знака вносимой задержки). Таким образом, как внутри задержанной реализации, так и на стыках соседних по времени фрагментов возникает разрыв фазы (восстановленного) сигнала. Поэтому в суммарном сигнале (на выходе процедуры ФХН) часть отчетов на краях реализации оказывается некорректной. Число этих отчетов напрямую зависит от максимальной временной задержки, вносимой при формировании ПК. Иллюстрация этого эффекта приведена нарисунке, где изображены реализации тонального сигнала (красная кривая), его задержанная во временной области на величину ф копия (черная линия) и она же, после внесения задержки ф в частотной области и перехода к временному представлению (зеленый пунктир). Видно, что восстановленная реализация на краю не соответствует исходной. Величина ф в этом случае положительная, но при формировании ПК в частотной области происходит сдвиг реализаций как на положительные, так и отрицательные ф.

Следует отметить, что подобные дефекты связаны со способом формирования ПК, а именно цифровым формированием в частотной области. Поскольку для тракта прослушивания и операторской классификации необходимо, чтобы выходная информация была непрерывной и не имела искажений, привнесенных обработкой, необходимо ввести так называемое перекрытие входных выборок сигнала и исключение некорректных отсчетов.

Для линейной АР величина перекрытия может быть вычислена по формуле:

N = _мах*fd, где

N - Величина перекрытия

_мах=(М-1)*d*sin()/c - максимальная задержка,

fd - частота дискретизации,

М - число приемных элементов линейной АР,

d - Межэлементное расстояние,

- граница сектора обзора (от нормали к антенной решетке),

с - скорость звука в воде.

Для заданных в ТЗ на дипломную работу параметрах эта величина составляет: ~ 25%

Поэтому после перехода в частотную область необходимо компенсировать задержки умножив их на фазирующие коэффициенты и просуммировать .компенсировать в среде задержку и в результате получить M кратную копию исходного сигнала.

Но переход в частотную область осуществляется с использованием дискретного преобразования Фурье, которое циклически продолжает ограниченную временную последовательность на бесконечности .

В результате после внесения задержки реализация оказывается циклически сдвинутой и внутри ее возникают разрывы фазы, что и показано на рисунке.

Исходя из этого системой ШП как правило входные выборки берутся в обработку с перекрытием , некорректные отчеты должны быть выброшены из обработки , а для того чтоб сохранить непрерывность сигнала по входу они должны быть сдвинуты.

Вторая проблема

Вся обработка была показана во всей полосе сигнала. В реальной же системе формирование делается в узкой полосе частот, на следующем рисунке показано как вырезание прямоугольным фильтром будет влиять на восстановление сигнала,

(по заданию) предназначен для прослушивания сигналов в трех частотных диапазонах (шириной 1.5, 3 и 4 кГц),

Как видим, ИПХ такого фильтра не является ограниченной по времени, так что даже далекие по времени отсчеты, часть из которых, как было показано ранее, является некорректной, оказывают влияние на результат фильтрации. При этом чем шире вырезаемая полоса, тем отклик будет уже, и, следовательно, меньше требуемая величина перекрытия; чем уже полоса, тем большее перекрытие входных выборок следует вводить.Поэтому в тракте ШП необходимо предусмотреть фильтр с частотной характеристикой, отличной от прямоугольной. К импульсной переходной характеристике такого фильтра предъявляется следующее требование: ее уровень на далеких отчетах должен быть как можно меньше, чтобы уменьшить их влияние на восстановленный после вырезания полосы сигнал.

Таким образом, применение прямоугольного фильтра тоже искажает сигнала,

Чем уже прямоугольная характеристика в частотной области тем шире ее импульсная характеристика во временной, а для прямоугольного фильтра мы видим достаточно высокий уровень отчетов, таким образом, нужно подобрать такой фильтр которого импульсная переходная характеристика которого будет достаточно узкой и далекие от нулевого отчеты которого будут иметь низкий уровень. Например фильтр хана . и с применением нашего фильтра мы видим улучшение нашего спектра . но тем не менее часть отчетов должна быть исключена

Как видим, при этом уменьшаются амплитудные искажения в средней части реализации.

Как видно из рисунка 13 частотные окна, форма которых отлична от прямоугольной, вносят амплитудные искажения на краях полосы обработки. Для минимизации влияния использования частотных окон на уровень сигнала, с частотой, близкой к краям полосы обработки (0.3ч4.5) кГц, необходимо несколько расширить полосу фильтрации.

Дополнительно к тому что мы должны организовать перекрытие с учетом максимальной задержки мы еще должны предусмотреть фильтр.

Третья проблема

При проектирование тракта прослушивания возникает в результате того что человеческое ухо слышит от 0.3 до 4-5 кГц , а наш сигнал может быть более высокочастотным есть необходимость осуществить перенос частот в область низких частот . так как оператору сложно слушать на высоких шумы,

В результате проведенного моделирования было установлено, что сдвигать можно не на произвольное количество спектральных отчетов и более того, не при произвольной величине перекрытия. Следующие рисунки иллюстрируют этот эффектВот что мы получили . то же самое получается если мы сдвигаем на 5 спектр отчетов тоже плохо

И также в результате проведенного моделирования установлено, что осуществить сдвиг частот без потери качества прослушивания можно только в случае, если величина перекрытия входных выборок является делителем числа n - базы БПФ. При этом сдвинуть на один спектральный отсчет или на нечетное число отсчетов нельзя ни при какой величине перекрытия, иначе происходят искажения и нестыковки последовательных фрагментов восстановленного сигнала.

В таблицу 1 сведены полученные в результате проведенного моделирования данные о соотношении величины перекрытия входных выборок и числа спектральных отсчетов, на которые можно сдвигать (понижать или повышать) полосу сигнала.

На основании вышеизложенного, можно сделать выводы о том, что для устранения эффектов, вызванных появлением некорректных отсчетов при формировании канала наблюдения в частотной области и не во всей полосе, а в ограниченной полосе, необходимо:

- обязательное исключение части отчетов в восстановленной реализации сигнала

из дальнейшей обработки;

- применение частотного фильтра с ЧХ, отличной от прямоугольной;

- расширение полосы обработки.

При этом величина перекрытия входных выборок должна быть больше суммы максимальной задержки сигнала на элементах АР и длительности ИПХ частотного фильтра. Других ограничений на величину перекрытия не накладывается.

В тоже время бала выбрана величина перекрытия N/4 и при такой величине удалось подобрать полосу при которой сигнал восстанавливается хорошо .

Для решения обозначенных проблем и выбора параметров алгоритма была разработана модель тракта прослушивания, в которой выполняется необходимо установить связь основных параметров .

Программный макет тракта прослушивания включает в себя следующие функциональные блоки:

1. Блок задания параметров антенной решетки и параметров цифровой обработки в тракте ШП.

Задаются основные параметры системы, включая:

- Скорость звука,

- Частота дискретизации,

- Задание мнимой единицы,

- Количество элементов АР,

- Шаг между приемными элементами АР,

- длительность формируемого сигнала,

-Количество частотных диапазонов,

-Число точек БПФ,

- величина перекрытия входных выборок,

-Нижняя полоса и верхняя полоса всего тракта, и разбивка на 3 диапазона.

2. Блок задания параметров сигнала и параметров обработки в тракте прослушивания.

В этом блоке происходит выбор типа сигнала:

-тональный,

-амплитудно-модулированный тональный,

- амплитудно-модулированный шумовой;

Задаются:

- несущая частота сигнала,

-частота модуляции,

-глубина модуляции,

-число тактов обработки,

-частотный диапазон прослушивания,

-угол падения фронта волны на элементы АР,

- частотный сдвиг для выбранного ЧД,

- степень расширения полосы частот (количество отсчетов),

- спектральное окно.

3. Формирование процессов на выходе приемных элементов АР. Имитационное моделирование входного процесса включает в себя задание моделей полей сигнала, формирование временной реализации сигнала, фильтрацию ее в заданном диапазоне частот, формирование плоского фронта сигнала на элементах АР.

4. Перечень процедур, проводимых в этом функциональном блоке:

- расчет координат приемных элементов в АР,

- формирование сигнала заданной частоты в поле,

- расчет временных задержек фронта волны сигнала исходя из направления его прихода,

- формирование дискретизированных с частотой fd=24000Гц сигналов на приемных элементах АР.

5. Функциональные программы расчета выходного эффекта тракта прослушивания:

- Последовательный набор по n временных отсчетов сигналов на элементах АР с перекрытием 25% - так называемый такт обработки;

Дальнейшие процедуры выполняются на каждом такте обработки:

- Переход в частотную область с использованием процедуры БПФ;

- Формирование ПК на частотах рабочей полосы;

- Вырезание полосы частот выбранного частотного диапазона (ЧД);

- Сдвиг полосы частот на заранее рассчитанное для каждого ЧД число спектральных отсчетов;

- Умножение отсчетов спектра сформированного канала на спектральное окно;

- Восстановление сигнала во временной области (процедура обратного ПФ);

- Отбрасывание некорректных отчетов из реализации - по n/8 отсчетов в начале и в конце реализации;

- набор реализации большой длительности.

6. Выдача сигнала на ЦАП, вычисление спектра сигнала с высоким разрешением по частоте, графическое представление результатов обработки.

Сформированный указанным выше способом сигнал на элементах антенны «нарезается» на временные фрагменты длиной n=512 точек с учетом перекрытия, которое вводится в модель тракта как параметр. Каждый фрагмент подвергается процедуре БПФ, в результате чего получаются спектры процессов на выходе приемных элементов. Из получившегося набора частот в дальнейшую обработку берутся только номера частот f_k, соответствующие заданной полосе обработки (f_нчf_в).

Как было показано выше, вырезание полосы фильтром с прямоугольной частотной характеристикой вносит дополнительные искажения в восстановленный сигнал. Поэтому в модели предусмотрено расширение полосы обработки от значения (0,3-4,5) кГц до (0,05-5) кГц.

На следующем этапе происходит формирование канала наблюдения в частотной области путем сложения спектров реализаций с приемных элементов АР, умноженных на заранее рассчитанные фазирующие коэффициенты на это направление.

После ФХН выполняется вырезание полосы частот выбранного частотного диапазона и сдвиг ее на заранее рассчитанное для каждого ЧД число спектральных отсчетов. Затем проводится процедура ОБПФ, на выходе которой получаем временную реализацию. Как было показано ранее, для устранения эффектов, вызванных вырезанием полосы частот, необходимо перед восстановлением сигнала во временную область ввести частотное окно, вид которого в модели можно выбирать из заранее созданных файлов либо из имеющегося в системе MatLab банка частотных фильтров, а также задавать их параметры. В модели тракта прослушивания параллельно формируются и обрабатываются сигналы, восстановленные с применением частотного окна и без него.

Восстановленный сигнал содержит в себе некорректные отсчеты. Фазирующие коэффициенты, используемые при формировании веера пространственных каналов, таковы, что длительность “испорченных” фрагментов реализации в начале и в конце ее приблизительно одинакова. Поэтому из реализации исключаются некорректные отсчеты в начале и в конце кусочка реализации длиной n отсчетов.

Для сокращения времени моделирования, а также экономии внутренней памяти MatLab сигнал на приемных элементах АР моделируется на ограниченном временном интервале, причем длина этого интервала должна быть достаточной для формирования оценки спектральной плотности мощности процесса с требуемым частотным разрешением. Длина такой реализации в программе определяется автоматически с учетом необходимого количества точек перекрытия и количества точек.

Рассчитывать коэффициент сдвига будем проводить по формуле

Где нижнее значение частотного диапазона,

= коэффициент фильтра,- число сдвига спектральных отсчетов.

7 - коэффициент минимальной частоты переноса спектра = 300 ГЦ

В результате работы программы мы получаем следующие результаты

Как видно из финальных плакатов разработанная и смоделированная структура работает что подтверждают графики . для первого диапазона на частоте 2000Гц , установлена взаимосвязь основных параметров тракта прослушивания с базовыми параметрами тракта ШП.

В результате смоделированной ситуации сигнал собранный с элементов АР и задержанный проходит стадию вырезания полосы и сдвига частоты без каких либо помех что подтверждают графики. Так же мы здесь видим имп.пер.хар. фильтра созданного специально для данного частотного диапазона и внешний вид фильтра.

То же самое мы видим и для других Частотных диапазонов на плакатах 2 и 3 .

Доклад окончен