Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование сигналов гидробионтов в активной гидролокации

М.П. Колесников, П.С. Шелест ЦНИИ «Электроприбор»

Введение

Гидробионт - организм, приспособленный к обитанию в водной среде. Доклад посвящен сравнению частотно-временных спектров и функций неопределенностей сигналов морских животных, использующих эхолокацию, в частности синих китов, белуг и беломордых дельфинов с искусственными линейно-частотно-модулированными сигналами и дискретно-кодированными по частоте сигналами Костаса.

В активной гидролокации важную роль играет выбор зондирующего сигнала, который должен удовлетворять, по крайней мере, двум требованиям. Во-первых, спектр зондирующего сигнала должен лежать в диапазоне, поддерживаемом приемно-излучающей системой, а во вторых, сигнал должен иметь удовлетворительную разрешающую способность по дальности и по скорости. В современных гидролокаторах применяют сигналы, заимствованные из радиолокации, например, частотно-модулированные или дискретно-кодированные по частоте сигналы Костаса. В природе же многие животные, использующие эхолокацию, излучают свои особые типы акустических сигналов. Данный доклад посвящен сравнению характеристик сигналов естественного и искусственного происхождения, с целью изучения перспектив использования сигналов морских животных в гидролокаторах.

Примеры сигналов, исследованных в данной работе, показаны в виде частотно-временных спектров, что позволяет оценивать ширину их полосы. Для оценки разрешающих способностей по скорости и по дальности применен математический аппарат вычисления функции неопределенности.

Цель доклада - выделить естественные сигналы, которые по разрешающим способностям лучше или сопоставимы с искусственными и лежат в полосе частот, пригодной для использования в гидролокации на дальней дистанции (до нескольких десятков километров).

В дальнейшем на основе выделенных сигналов можно синтезировать сигналы со схожими характеристиками, которые могут применяться в гидролокаторах.

спектр сигнал эхолокация кит

1. Общие сведения об активной гидролокации

Активная гидролокация применяется для решения таких задач, как профилирование дна или же поиск крупных косяков рыб в рыбопромысловом хозяйстве. Ее суть заключается в излучении в воду акустического сигнала и приеме отраженных эхосигналов, по которым можно судить об объектах, расположенных в воде. Для выделения отраженного сигнала на фоне шумов, а также для определения момента его прихода вычисляется функция взаимной корреляции с принятого сигнала s_пр(t) с эталонным s_эт(t):

,

где T - полная длительность принятого сигнала, t _ время, отсчитываемое от начала излучения, ф - задержка.

Функция корреляции имеет выраженный максимум при задержке ф₀, если в принятом сигнале присутствует эталонный эхосигнал. По этой задержке можно пересчитать расстояние r вдоль луча до источника по формуле:

,(1)

где с - скорость распространения звука в воде (с ? 1500 м/с).

Если цель сближается с излучателем, то отраженный сигнал будет сжат во времени, и, наоборот, растянут, если цель удаляется. Поэтому в качестве эталонных сигналов, помимо самого излучаемого сигнала, описывающегося функцией от времени s(t), необходимо брать также его сжатые и растянутые во времени копии . Коэффициент сжатия г зависит от скорости сближения цели с носителем v и выражается функцией ([4], с. 4):

.(2)

Таким образом, можно ввести в рассмотрение расширенную функцию корреляции:

, (3)

которая зависит также от скорости и имеет максимум, когда скорость равна скорости отражающей цели.

Если сигнал отразился от двух близко расположенных целей, то два максимума функции корреляции сольются в один. Разрешающей способностью по расстоянию называется такое минимальное расстояние между двумя отражающими объектами, при котором два максимума функции корреляции субъективно отдельно различимы. Аналогично, разрешающей способностью по скорости называется наименьшая разностная скорость, с которой может двигаться один отражатель относительно другого (при учете того, что в момент облучения они находятся в одной точке), чтобы при этом максимумы расширенной функции корреляции заметно отстояли по оси скорости. Данные определения не являются строгими, а лишь поясняют суть. Ниже будет приведен численный критерий, по которому можно объективно оценивать разрешающие способности. Оценка и сравнение разрешающих способностей сигналов, используемых в гидролокации, и сигналов, используемых морскими млекопитающими, является задачей.

2. Применение вычисления функции неопределенности для оценки разрешающих способностей

Одним из способов оценки разрешающих способностей по скорости и по дальности является вычисление функции неопределенности [2]:

(4)

Формула (4) представляет собой корреляции исходного сигнала, с такими же сигналами, имеющими доплеровский сдвиг по частоте на н. Однако, если сигнал является широкополосным, необходимо учитывать, что спектр не только сдвигается, но и растягивается. Поэтому формулу (4) необходимо модифицировать. При этом, можно сразу же учесть ту специфику, что сигнал распространяется в воде со определенной скоростью c и перевести временную задержку ф в расстояние (по формуле (1)) и рассматривать зависимость от скорости, а не от частотных сдвигов.

С учетом этих изменений формула для функции неопределенности примет вид:

,(5)

где r - расстояние от отражателя, пересчитанное из временной задержки ф по формуле (1) (с заменой ф вместо ф₀), г(v) - доплеровский коэффициент сжатия, зависящий от скорости, вычисляемый по формуле (2), v - скорость сближения цели с неподвижным носителем, Е - энергия сигнала, вычисляемая по формуле:

.

Функция неопределенности достигает своего абсолютного максимума, равного единице, при нулевых значениях аргументов, поскольку г(0) = 1 и при ф = 0, r(0) = 0. Численными оценками разрешающих способностей могут служить размеры области в окрестности нуля, вне которой значения функция неопределенности не превосходят 0,5 - область высокой корреляции (ОВК). Границу же этой области, задаваемую условием ч(r, v) = 0,5, можно называть диаграммой неопределенности (по аналогии с [1], c. 170). Таким образом, разрешающая способность по расстоянию _ протяженность диаграммы неопределенности вдоль оси расстояния, и разрешающая способность по скорости _ протяженность диаграммы неопределенности вдоль оси скорости.

На рисунке 1 в качестве примеров показаны области высокой корреляции для гидроакустических сигналов в форме радиоимпульсов различных длительностей с частотой заполнения 2 кГц. Приведенные примеры демонстрируют, что разрешающие способности напрямую связаны с длительностью сигнала: чем импульс короче, тем выше его разрешающая способность по дальности и меньше по скорости. поскольку чем короче импульс, тем шире его спектр. Важно отметить, что площадь ОВК не зависит от длительности сигнала, и является характеристикой именно типа сигнала.

Рисунок 1 - ОВК радиоимпульсов различной длительности

Более высокими разрешающими способностями (по сравнению с радиоимпульсами) обладают сложные сигналы, такие как линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы и частотно-манипулированные сигналы, частота которых выбирается в соответствии с последовательностью Костаса [2]. На рисунках 3 и 4 слева приведены частотно-временные спектры (ЧВС) примеров таких сигналов, а справа - их ОВК.

Рисунок 2 - ЧВС ЛЧМ сигнала (слева) и его ОВК (справа)

Рисунок 3 _ ЧВС сигнала Костас-60 (слева) и его ОВК (справа)

Рисунок 4 - ЧВС чистого политонального сигнала (слева) и его ОВК (справа) (синий кит)

3. Оценка разрешающих способностей сигналов китовых

В данной работе рассматривались только сигналы, основная часть спектра которых лежит в области низких частот (до 15 кГц), для которых величина коэффициента затухания позволяет их использовать на больших (порядка десятков километров) расстояниях [3].

По типу частотно-временного спектра рассматриваемые сигналы удобно разделить на следующие группы:

? чистые политональные сигналы (без частотной модуляции);

? политональные сигналы с ЛЧМ;

? сигналы со сложной (нелинейной) частотной модуляцией.

На рисунках 5-7 слева приведены ЧВС примеров соответствующих сигналов, а справа - их ОВК. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики рассмотренных сигналов.

Рисунок 5 _ ЧВС политонального сигнала с ЛЧМ (слева) и его ОВК (справа) (синий кит)

Таблица 1 - Сравнительные характеристики естественных и искусственных сигналов

Рисунок 6 - ЧВС политонального сигнала со сложной частотной модуляцией (слева) и его ОВК (справа) (синий кит)

Рисунок 7 _ ЧВС сигнала со сложной частотной модуляцией (слева) и его ОВК (справа) (белуга)

Рисунок 8 _ ЧВС сигнала со сложной частотной модуляцией (слева) и его ОВК (справа) (беломордый дельфин)

Из приведенных результатов можно сделать следующие выводы:

? некоторые биологические сигналы обладают разрешающими способностями, сопоставимыми с разрешающими способностями ЛЧМ сигналов и сигналов Костаса;

? наилучшей разрешающей способностью обладают сигналы с нелинейной частотной модуляцией.

Выводы

В ходе работы был проведён анализ различных низкочастотных политональных сигналов, используемых синими китами, белугами и беломордыми дельфинами, на предмет оценки их разрешающих способностей. По результатам анализа проведено сравнение со сложными сигналами, используемыми в гидролокации, такими как ЛЧМ и шумоподобные сигналы с частотной манипуляцией по последовательностям Костаса. Сравнение показало, что разрешающие способности китовых политональных и искусственных ЛЧМ-сигналов сопоставимы, а разрешающие способности сигналов белуги и беломордого дельфина на порядок выше, чем у ЛЧМ, и сопоставимы с разрешающими способностями сигналов Костаса. Было замечено, что наилучшими разрешающими способностями обладают сигналы с нелинейной частотной модуляцией.

Таким образом, в результате исследования были найдены такие биологический сигналы, на основе которых в дальнейшем можно синтезировать сигналы с разрешающими способностями, сопоставимыми и даже превосходящими те, что можно достичь в применяемых на сегодняшний день сигналах Костаса.

Литература

1. Радиотехнические системы // Ю.П. Гришин [и др.] - М.: Высш. шк., 1990. - 496 с.

2. Каменский И.В. Синтез, Анализ, формирование и обработка дискретно-кодированных по частоте радиолокационных сигналов _ Московский авиационный институт, диссертация на соискание ученой степени кандидата наук, 2008

3. Роберт Дж. Урик, Основы гидроакустики, _ Л.: «Судостроение», 1978. - 440 с.

Размещено на Allbest.ru