СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ ПОМЕХИ ПРИЕМНОГО КАНАЛА ДИСКРЕТНОЙ АНТЕННЫ
METHOD OF SUPPRESSION OF STRUCTURAL NOISE OF RECEIVING CHANNEL OF DISCRETE ANTENNA

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке гидроакустической аппаратуры, а именно для подавления маскирующего воздействия шумов механического происхождения на приемные каналы дискретной гидроакустической антенны.
В сложных технических системах, примером которых является современное судно, формируется вибрационное поле, обусловленное одновременной работой основных и вспомогательных механизмов.
Источники повышенной вибрации формируют структурный шум, который является помехой работе приемников гидроакустических комплексов, расположенных на судне-носителе. Структурная помеха проявляется, главным образом, на частотах дискретных спектральных составляющих в общем спектре помех.
Известен способ, позволяющий снижать влияние структурной помехи на искажение принимаемого гидроакустического сигнала. Для уменьшения влияния структурной помехи при расположении приемного элемента вблизи корпуса судна-носителя формируют его характеристику направленности с минимальной чувствительностью в области тыльного приема, т.е. в области углов, противоположных главному максимуму диаграммы направленности. Это достигается за счет применения акустических поглотителей (А.П. Евтютов., В.Б. Митько. Инженерные расчеты в гидроакустике, изд. «Судостроение», Л., 1988 г., с.36). Однако конструктивные размеры таких поглотителей возрастают с понижением частотного диапазона и могут превышать допустимые конструктивные размеры приемной системы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ выделения полезного сигнала, основанный на согласованном приеме суммарного шума и сигнала источника шума (В.Ю. Гарин, Ю.П. Медведев, В.Ю. Неворотин. Способ определения полосового уровня шума в суммарном шуме. Патент на изобретение №2006072, 1994 г.) - прототип.
Сущность способа-прототипа сводится к следующим операциям:
1) раздельный прием сигналов источника и суммарного шума;
2) фильтрация принятых сигналов в выбранной полосе частот;
3) приведение сигналов источника и суммарного шума к масштабу времени сигнала шума источника;
4) определение параметров спектра выделенного сигнала.
В последнем случае оценка параметров спектра в приведенном масштабе времени осуществляется с целью определения уровня шума. При этом сигналы, спектр которых распределен по оси частот, преобразуются в сигналы, близкие к монохроматическим.
Недостаток способа-прототипа - сжатие выделяемого сигнала по частоте, и, как следствие, искажение формы выделяемого сигнала, в качестве которого рассматривается сигнал структурной помехи, и невозможность выделения полезного сигнала из его смеси с помехой.
Задачей изобретения является выделение полезного сигнала из смеси с помехой с сохранением спектральных характеристик с использованием операций приведения временных масштабов сигналов. При этом под полезным сигналом понимается шум, создаваемый внешними гидроакустическими источниками (шумы судоходства и подводных объектов). Это достигается дополнительной полосовой фильтрацией суммарного сигнала в приведенном масштабе времени в полосе частот, равной ширине, сформированной дискретной спектральной составляющей. Затем осуществляют инверсное преобразование масштаба времени отфильтрованного сигнала и измерение параметров спектра.
Сущность предложенного технического решения поясняется фигурами 1÷7.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (Фиг.1), содержит:
1 - приемник суммарного шума;
2 - приемник сигнала вибрации доминирующего источника;
3 - запоминающее устройство;
4 - первый преобразователь временного масштаба;
5 - полосовой фильтр;
6 - второй преобразователь временного масштаба;
7 - вычитающее устройство;
8 - формирователь управляющего сигнала;
9 - инвертор управляющего сигнала;
10 - устройство регистрации.
Выход приемника суммарного шума соединен со входом запоминающего устройства и входом первого преобразователя временного масштаба. Выход первого преобразователя временного масштаба подключен через полосовой фильтр к входу второго преобразователя временного масштаба, выход которого соединен с входом вычитающего устройства, ко второму входу которого подключен выход запоминающего устройства. Выход приемника сигнала вибрации подключен к входу формирователя управляющего сигнала, а его выход соединен с управляющим входом первого преобразователя временного масштаба и через инвертор управляющего сигнала соединен с управляющим входом второго преобразователя временного масштаба. Выход вычитающего устройства соединен со входом устройства регистрации, являющегося выходом устройства в целом.
С использованием данного устройства предложенный способ реализуется следующим образом.
Сигналы суммарного шума и вибрации доминирующего источника принимаются приемниками раздельно. В формирователе управляющего сигнала сигнал вибрации доминирующего источника подвергается полосовой фильтрации и кратному преобразованию частоты в соответствии с требованиями теоремы Котельникова. Сформированный управляющий сигнал используется для преобразования временного масштаба суммарного сигнала путем его нерегулярной дискретизации. Нерегулярная дискретизация ограниченного по частоте сигнала суммарного шума выполняется в преобразователе временного масштаба, в качестве которого рассматривается аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав цифровых анализаторов спектра. В результате нерегулярной дискретизации при помощи преобразователя временного масштаба на выходе формируется сигнал, спектр которого сосредоточен в узкой полосе частот, существенно меньшей исходной полосы частот, обусловленной, например, влиянием собственной нестабильности оборотных частот механизмов - источников шума.
После полосовой фильтрации сигнала суммарного шума в полосе частот сформированной дискретной спектральной составляющей осуществляется восстановление исходного временного масштаба при помощи второго преобразователя временного масштаба, причем управление нерегулярной дискретизацией осуществляется управляющим сигналом, полученным в инверторе управляющего сигнала. Таким образом, формируется составляющая суммарного шума, обусловленная влиянием доминирующего источника вибрации в рассматриваемом канале дискретной антенны, то есть выделяется сигнал структурной помехи. Вычитание выделенного сигнала структурной помехи из суммарного шума позволяет сформировать результирующий сигнал с подавленным влиянием структурной помехи, который подается на устройство регистрации.
Использование предлагаемого способа показано путем компьютерного моделирования работы устройства.
В результате моделирования работы устройства формируется сумма двух частотно-модулированных сигналов при различном значении средних частот (Фиг.2 и 3). Частотная модуляция моделирует влияние собственной нестабильности оборотных частот механизмов - источников шума или вибрации. Спектры этих сигналов, представленные зависимостью уровня сигнала L от частоты F, сосредоточены в общем диапазоне частот (Фиг.4), и, следовательно, разделение сигналов путем полосовой фильтрации невозможно. При обработке сигналов по предлагаемому способу один из сигналов использовался в качестве опорного сигнала, из которого выделялась переменная задержка относительно стабильного сигнала и формировался управляющий сигнал для нерегулярной дискретизации. В результате преобразования временного масштаба спектр суммарного сигнала деформируется: в окрестности центральной частоты опорного сигнала формируется дискретная спектральная составляющая, в которой сосредоточена энергия структурной помехи (Фиг.5). Таким образом, обеспечивается возможность выделения исследуемого сигнала в полосе частот, существенно меньшей, чем полоса частот исходного сигнала. Для этого осуществляется ввод в отфильтрованный сигнал обратной задержки путем инверсии сформированной ранее задержки, формирования управляющего сигнала и дополнительной операции преобразования временного масштаба. Это приводит к восстановлению параметров выделяемого сигнала помехи. После вычитания сигнала помехи из воспроизводимого суммарного сигнала получают сигнал, принимаемый элементом гидроакустической антенны, в котором подавлено влияние структурной помехи. Сравнение фрагментов спектров для исходного сигнала и сигнала, полученного в результате применения предлагаемого способа, приведено на Фиг.6 (графики 11 и 12), из которого следует, что погрешность подавления структурной помехи проявляется при уровнях спектра, меньших 30 дБ.
Таким образом, прямое и обратное преобразования временного масштаба сигналов путем нерегулярной дискретизации с промежуточной фильтрацией позволяют выделять исследуемый сигнал из сложной смеси с перекрывающимися по спектру сигналами в полосе частот, меньшей, чем ширина спектра суммарного сигнала.
Сравнение приведенных примеров показывает, что спектры исходного и выделенного сигналов из смеси с сигналом помехи практически идентичны, что позволяет использовать такую процедуру при практической реализации предлагаемого способа.
Достоверность способа подтверждается результатами модельного и натурного экспериментов при следующих условиях.
Расширение спектра суммируемых сигналов на общем диапазоне частот обеспечивается частотной модуляцией, обусловленной влиянием собственной нестабильности источников.
Возможность подавления структурной помехи в гидроакустическом приемнике, сосредоточенной в общем диапазоне частот с полезным сигналом, подтверждается результатами натурного эксперимента в котором суммарный сигнал формировался в результате работы нескольких однотипных механизмов, расположенных на судне. В качестве приемника суммарного сигнала использовался измерительный гидрофон, размещенный за бортом судна. Приемником сигнала доминирующей вибрации являлся акселерометр, установленный на лапе контролируемого механизма. На Фиг.7 обозначены спектры: суммарного шума 13 (с учетом влияния структурной помехи) и выделенного сигнала шума 14, обусловленного внешними источниками. Применение заявляемого способа для натурного сигнала позволило подавить влияние структурной помехи на глубину более 25 дБ.
Как показали предварительные исследования, эффективность предлагаемого способа выделения шума источника определяется отношением полос сигналов: исходного и полученного в результате прямого преобразования временного масштаба и фильтрации.
Сравнение спектров сигналов показало, что его основное преимущество перед способом-прототипом заключается в обеспечении возможности измерений параметров исследуемых сигналов, наблюдаемых в условиях существенного влияния помех в общем частотном диапазоне, что является важным при решении задач обнаружения и классификации подводных объектов.