Обработка сигналов гидролокатора

Эта статья о подводной обработке акустических сигналов. Чтобы узнать о других значениях, см. Сонар .

Гидролокационные системы обычно используются под водой для определения дальности и обнаружения. Активный гидролокатор излучает в воду акустический сигнал или звуковой импульс. Звук отражается от целевого объекта и возвращает эхо в преобразователь гидролокатора. В отличие от активного гидролокатора, пассивный гидролокатор не излучает собственный сигнал, что является преимуществом для военных судов. Но пассивный эхолот не может измерить расстояние до объекта, если он не используется вместе с другими пассивными прослушивающими устройствами. Для триангуляции источника звука необходимо использовать несколько пассивных гидролокаторов. Независимо от того, активный гидролокатор или пассивный гидролокатор , информация, содержащаяся в отраженном сигнале, не может быть использована без технической обработки сигнала . Чтобы извлечь полезную информацию из смешанного сигнала, предпринимаются некоторые шаги по передаче необработанных акустических данных.

Активный сонар

Для активного гидролокатора необходимо шесть шагов в системе обработки сигналов.

Генерация сигнала

Типичными аналоговыми реализациями для генерации сигнального импульса являются генераторы и генераторы, управляемые напряжением (ГУН), за которыми следуют модуляторы. Амплитудная модуляция используется для взвешивания огибающих импульсов и преобразования спектра сигнала до некоторой подходящей несущей частоты для передачи.

Во-первых, в гидролокационной системе поле акустического давления можно представить как $s(t,{\vec {r}})$. Полевая функция включает в себя четыре переменные: время $t$ и пространственная координата ${\vec {r}}=(x,y,z)$. Таким образом, согласно преобразованию Фурье , в частотной области

$${\begin{aligned}s(w,{\vec {k}})&=\iiiint s(t,{\vec {r}})\cdot e^{-j(wt-{\vec {k}}{\vec {r}})}d{\vec {x}}\,dt,\\{\vec {k}}&=(k_{x},k_{y},k_{z}),\\s(t,{\vec {r}})&=\iiiint s(w,{\vec {k}})\cdot e^{j(wt-{\vec {k}}{\vec {r}})}d{\vec {k}}\,dw,\end{aligned}}$$

В формуле $w$ - временная частота и ${\vec {k}}$ пространственная частота. Мы часто определяем $s(t,{\vec {r}})=e^{-j(wt-{\vec {k}}{\vec {r}})},$ как элементарный сигнал, по той причине, что любой 4-D может быть сгенерирован путем взятия линейной комбинации элементарных сигналов. Очевидно, что направление ${\vec {k}}$ дает направление распространения волн, а скорость волн равна

$$v={\frac {w}{|{\vec {k}}|}}$$

Длина волны $$\lambda ={\frac {2\pi }{|{\vec {k}}|}}$$

Временная выборка

В современном мире цифровые компьютеры вносят большой вклад в повышение скорости и эффективности анализа данных. Таким образом, необходимо преобразовать аналоговый сигнал в цифровой сигнал путем выборки сигнала во временной области. Операция может быть реализована тремя устройствами: устройством цифрового преобразования, контроллером динамического диапазона и устройством цифрового преобразования.

Для простоты отбор проб осуществляется через равные промежутки времени. Чтобы предотвратить искажение (т.е. наложение спектров в частотной области) после восстановления сигнала из дискретизированного сигнала, необходимо производить выборку с более высокой скоростью. Частота дискретизации, которая может хорошо сохранить информационное содержание аналогового сигнала. $s(t,{\vec {r}})$, подчиняется теореме выборки Найквиста – Шеннона. Предполагая, что период выборки равен T, таким образом, после временной выборки сигнал будет

$r(t)=r(nT)=s({\vec {r}},nT)$ n — целое число.

Пространственная выборка и формирование диаграммы направленности

Для хорошей работы гидроакустической системы действительно важно иметь соответствующую матрицу датчиков и формирователь луча. Чтобы получить информацию об акустическом поле, необходимо провести выборку поля в пространстве и времени. Временная выборка уже обсуждалась в предыдущем разделе. Массив датчиков осуществляет выборку пространственной области, а формирователь луча особым образом интегрирует выходные данные датчика, чтобы повысить эффективность обнаружения и оценки системы. Входными данными формирователя луча является набор временных рядов, а выходными данными формирователя луча является другой набор временных рядов или набор коэффициентов Фурье.

$r_{i}(t)=s({\vec {x}}_{i},t)$

${\vec {x}}_{i}=(x_{i},0,0)=(iD,0,0)$

По желаемому направлению ${\vec {k}}={\vec {k}}_{0}$, набор $t_{i}={\frac {{\vec {k}}_{0}}{w}}{\vec {x}}_{i}$.

Формирование луча — это один из видов фильтрации, который можно применять для изоляции компонентов сигнала, распространяющихся в определенном направлении. На рисунке изображен самый простой формирователь луча — взвешенный формирователь луча с задержкой и суммой, который может быть реализован с помощью массива приемников. или датчики. Каждый треугольник представляет собой датчик для измерения в пространственной области. После пространственной дискретизации сигнал выборки будет взвешен, и результатом будет суммирование всех взвешенных сигналов. Предполагая, что массив из M датчиков распределен в пространстве так, что $i$датчик расположен в месте $x_{i}(i=0,1,...,M-1)$ а принятый им сигнал обозначается $r_{i}(t)$.Таким образом, после формирования луча сигнал

$b(t)={\frac {1}{M}}\sum _{i=0}^{i=M-1}{w_{i}r_{i}(t-t_{i})}$

Смена диапазона

Сдвиг полосы частот используется в активных и пассивных гидролокаторах, чтобы уменьшить сложность аппаратного и программного обеспечения, необходимого для последующей обработки. Например, в активных гидролокаторах принимаемый сигнал содержится в очень узкой полосе частот, обычно около 2 кГц, с центром на некоторой высокой частоте, обычно около 50 кГц. Чтобы избежать необходимости выборки полученного процесса с частотой Найквиста 100 кГц, более эффективно демодулировать процесс в модулирующую полосу, а затем использовать выборку комплексной огибающей только с частотой 2 кГц.

Фильтрация и сглаживание

Фильтры и сглаживатели широко используются в современных гидроакустических системах. После дискретизации сигнал преобразуется из аналогового сигнала в сигнал дискретного времени, поэтому учитываются только цифровые фильтры. Более того, хотя некоторые фильтры меняются во времени. или адаптивные, большинство фильтров инвариантны к линейному сдвигу. Цифровые фильтры, используемые в процессорах гидролокационных сигналов, выполняют две основные функции: фильтрацию сигналов для изменения частотного содержания и сглаживание сигналов для уменьшения воздействия шума. Двумя общими типами цифровых фильтров являются КИХ-фильтры и фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ). Отношения ввода-вывода КИХ-фильтра

$y(n)=\sum _{k=0}^{N-1}{h(k)x(n-k)}$ (1-Д)

$y(n1,n2)=\sum _{k_{1}=0}^{M_{1}-1}\sum _{k_{2}=0}^{M_{2}-1}{h(k_{1},k_{2})x(n_{1}-k_{1},n_{2}-k_{2})}$ (2-D)

Отношения ввода-вывода БИХ-фильтра

$y(n)=\sum _{k=0}^{N-1}{a_{k}x(n-k)}+\sum _{k=0}^{M-1}{b_{k}y(n-k)}$ (1-Д)

$y(n_{1},n_{2})=\sum _{r_{1}=0}^{N_{1}-1}\sum _{r_{2}=0}^{N_{2}-1}{a(r_{1},r_{2})x(n_{1}-r_{1},n_{2}-r_{2})}-\sum _{l_{1}=0}^{M_{1}-1}\sum _{l_{2}=0}^{M_{2}-1}{b(l_{1},l_{2})y(l_{1},l_{2})}$ (2-D)

И КИХ-фильтры, и БИХ-фильтры имеют свои преимущества и недостатки. Во-первых, вычислительные требования к процессору гидролокатора более жесткие при реализации КИХ-фильтров. Во-вторых, для БИХ-фильтра всегда сложно получить линейную фазу, поэтому КИХ-фильтр стабилен в отличие от БИХ-фильтра. Более того, КИХ-фильтры легче проектировать с использованием метода окон.

Обработка решений

Короче говоря, цель сонара — извлечь информацию и данные из акустического пространственно-временного поля и поместить их в запланированный и предписанный процесс, чтобы мы могли применить различные случаи в одной фиксированной схеме. Таким образом, для реализации поставленной цели завершающая ступень гидроакустической системы состоит из следующих функций:

1. Обнаружение: Обнаружение сонара определяет, есть ли шум вокруг цели.
2. Классификация: классификация эхолота позволяет различать обнаруженный сигнал цели.
3. Оценка параметров и отслеживание: Оценка в гидролокаторе часто связана с локализацией уже обнаруженной цели.
4. Нормализация: Нормализация предназначена для того, чтобы сделать реакцию статистики обнаружения, состоящую только из шума, как можно более однородной.
5. Обработка дисплея. Обработка дисплея решает проблемы работоспособности и управления данными гидролокационной системы.

См. также

• Фильтр
• Эхо зондирование
• Пассивный радар
• Радар
• Научный эхолот
• Цифровая обработка сигналов

Ссылки

• Уильям К. Найт. Цифровая обработка сигналов для гидролокатора. IEEE PROCEEDINGS.Vol-69.No-11, НОЯБРЬ 1981 г.
• Хосейн Пейванди. Гидролокационные системы и обработка подводных сигналов: классические и современные подходы. Научно-прикладной колледж телекоммуникаций, Тегеран.