УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ И ОБНАРУЖЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
DEVICE FOR PROCESSING AND DETECTION OF HYDROACOUSTIC SIGNALS

Предлагаемое устройство относится к области гидроакустической техники и может быть использовано при разработке приемных трактов обнаружения гидроакустических сигналов (ОГС).
Для автоматического обнаружения узкополосных сигналов неизвестной частоты в настоящее время используются обнаружители, построенные по блок-схеме ШОУ (широкополосный фильтр - ограничитель - гребенка узкополосных фильтров).
Блок-схема такого обнаружителя приведена на фиг.1, где:
1 - широкополосный входной фильтр;
2 - усилитель-ограничитель;
3 - гребенка узкополосных фильтров с детекторами и осредняющими RC-цепями;
4 - коммутатор частотных каналов;
5 - пороговое устройство (1 - вход сигнальный, 2 - вход опорный).
Сущность работы рассматриваемого обнаружителя состоит в следующем. Усилитель-ограничитель 2 обеспечивает постоянство мощности процесса на входе гребенки фильтров 3 в широком динамическом диапазоне уровней, на входе ограничителя. Эта постоянная мощность распределяется между фильтрами гребенки. При неизменной форме спектра процесса на входе ограничителя мощность процессов на выходах фильтров также постоянна. Появление узкополосного сигнала на фоне широкополосной помехи приводит к изменению спектра на входе и, соответственно, на выходе ограничителя и к перераспределению мощностей между фильтрами. Это перераспределение мощностей, измеряемых с помощью детекторов и осредняющих цепей, и служит признаком появления узкополосного сигнала. Существующие обнаружители в соответствии с блок-схемой, приведенной на фиг.1, фиксируют указанное перераспределение по увеличению мощности на выходе какого-либо из фильтров, для чего выходные напряжения всех детекторов сравниваются с постоянным опорным (пороговым) напряжением на пороговом устройстве 5, поочередно подключаемом ко всем выходам с помощью коммутатора 4.
Указанное опорное напряжение выбирается так, чтобы частота ложных срабатываний обнаружителя не превосходила некоторой заданной величины. Ложные срабатывания такого обнаружителя в реальных условиях могут вызываться не только (и не столько) флюктуациями выходных напряжений, имеющими место при детектировании и осреднении стационарных помех, но и случайными во времени изменениями формы спектра реальных помех, обусловленными включением и выключением различных механизмов на корабле-носителе обнаружителя, изменениями режима движения корабля (появление и исчезновение кавитации, резонанса, отдельных конструкций в связи с изменением скорости и глубины) и т.п.
При этом с точки зрения ложных тревог наиболее опасным является возникновение в спектре помех одиночных локальных максимумов со случайным положением на шкале частот (например, тональных составляющих), т.к. действие таких максимумов полностью аналогично действию полезного сигнала неизвестной частоты.
При наличии таких максимумов установка опорного напряжения на пороговом устройстве 5 должна обеспечивать отсутствие срабатываний обнаружителя во время их действия. С другой стороны, опорное напряжение должно быть таким, чтобы обеспечивалось срабатывание обнаружителя при появлении полезного узкополосного сигнала достаточного уровня на любой частоте в рабочем диапазоне. Однако одновременное удовлетворение обоим требованиям при использовании рассматриваемой блок-схемы обнаружителя (фиг.1) возможно только при том условии, что величина случайных по частоте одиночных максимумов в спектре помех не превышает некоторого определенного значения. В противном случае обнаружитель либо перестанет реагировать на сигнал (опорное напряжение окажется слишком высоким), либо будет давать ложные срабатывания каждый раз, когда локальный максимум в спектре помехи превзойдет вышеупомянутое предельное значение. Это свойство рассматриваемого обнаружителя объясняется тем обстоятельством, что мощность (напряжение) на выходе одиночного фильтра гребенки при действии полезного сигнала имеет определенный предел, величину которого легко вычислить, полагая сигнал тональным (монохроматическим), а отношение сигнал /помеха на входе ограничителя бесконечно большим. Легко видеть, что в этом случае вся фиксированная выходная мощность усилителя-ограничителя будет сосредоточена на частоте сигнала (и его нечетных гармониках, которые в данном случае для нас несущественны). Если теперь предположить, что коэффициент передачи фильтра по мощности на резонансной частоте равен 1 и что частота сигнала соответствует частоте пересечения частотных характеристик фильтров гребенки, а уровень пересечения принять, как это обычно бывает на практике, равным - 3 дБ, то предельная мощность на выходе фильтра на этой частоте окажется равной половине выходной мощности усилителя-ограничителя.
Так как обнаружитель должен обеспечивать обнаружение сигналов на любой частоте, то опорное напряжение на пороговом устройстве 5 не должно превышать уровня, соответствующего указанной половинной мощности. (Вообще говоря, опорное напряжение должно быть даже меньше этого уровня, т.к. следует учитывать и нестабильность порога срабатывания устройства 5, и разброс коэффициентов передачи фильтров, и разброс уровней пересечения их частотных характеристик).
Вместе с тем легко видеть, что при совпадении частоты узкого локального максимума (тональной составляющей, например) в спектре помехи с резонансной частотой фильтра та же половинная мощность на выходе будет достигнута при равенстве мощности, сосредоточенной в этом максимуме, и мощности во всей остальной части спектра помехи.
Таким образом, рассмотренный обнаружитель работоспособен только при условии, что относительная мощность случайных по частоте одиночных максимумов в спектре помехи не превышает 1:
где: γ - относительная мощность;
i
P - мощность помех на выходе ограничителя в полосе одиночного (i-ого) фильтра, гребенки;
0
P - полная мощность на выходе ограничителя во всей полосе гребенки (постоянная величина для данного обнаружителя).
Это ограничение, накладываемое в соответствии с (1) на допустимую величину локальных максимумов в спектре помех, и является серьезным недостатком обнаружителей, построенных по схеме ШОУ.
Настоящее предложение направлено на существенное улучшение этой характеристики обнаружителя.
Поставленная задача решается за счет использования для обнаружения не только эффекта увеличения мощности на выходе одиночного фильтра гребенки, в полосе пропускания которого действует сигнал, но и эффекта уменьшения мощности в других фильтрах во время действия этого же сигнала.
Технически она решается путем сравнения максимального из выходных напряжений фильтров гребенки с напряжениями на выходах остальных фильтров. Выполняется это сравнение на том же пороговом устройстве 5 с помощью введенного в обнаружитель устройства выделения наибольшего напряжения.
Описание изобретения
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2. На блок-схеме фиг.2, кроме узлов, аналогичных узлам блок-схемы фиг.1, показаны вводимые узлы:
6 - устройство выделения наибольшего из напряжений на выходах осредняющих цепей частотных каналов;
7 - делитель напряжения на сопротивлениях.
В блок-схеме фиг.2 на опорный вход порогового устройства 5 подается напряжение с коммутатора 4, а на сигнальный через делитель 7 - выходное напряжение устройства выделения наибольшего напряжения 6. Коммутатор 4 обеспечивает поочередное подключение всех частотных каналов (выходов осредняющих цепей) к опорному входу порогового устройства 5. Циклы поочередного опроса непрерывно повторяются. Таким образом, за время одного цикла коммутации осуществляется поочередное сравнение выходного напряжения делителя 7 со всеми выходными напряжениями частотных каналов. Длительность цикла коммутации, как и обычно, выбирается существенно меньше постоянной времени осредняющих цепей.
Срабатывание устройства 5 в любом положении коммутатора 4 рассматривается как срабатывание обнаружителя. Отсюда следует, что условие срабатывания обнаружителя по схеме фиг.2 имеет вид
i
где P - текущая оценка мощности на выходе i-ого фильтра (напряжение на выходе осредняющей цепочки);
i
i
Max(P) - наибольшее значение из всех Р;
i
i
Min(P) - наименьшее значение из всех P;
β - коэффициент деления напряжения на делителе 7;
n - число фильтров в гребенке.
Построение схемы выделения наибольшего напряжения может быть различным. Это, например, может быть диодная сборка (схема ИЛИ), подключенная к выходам осредняющих цепей частотных каналов. Тогда на входе делителя 7 непрерывно действует наибольшее из напряжений. Это может быть также пиковый детектор, подключаемый поочередно по всем каналам с помощью коммутатора и сохраняющий (за счет достаточно большого времени разряда) пиковое значение напряжения, полученное за один цикл коммутации. В течение последующего цикла выход этого пикового детектора подключается (через делитель 7) к сигнальному входу порогового устройства 5, и осуществляется проверка выполнения неравенства (2). Затем пиковый детектор отключается от устройства 5, принудительно разряжается, снова поочередно подключается ко всем каналам, запоминает новое наибольшее напряжение и т.д. В этом случае на входе делителя 7 всегда действует наибольшее напряжение, полученное за предшествующий цикл коммутации, и проверка условия (2) производится соответственно через цикл.
Возможны и другие способы построения схемы выделения наибольшего напряжения, в том числе такие, при которых каждый цикл коммутации будет рабочим (например, с "переписыванием" полученного за цикл пикового напряжения в запоминающий конденсатор, подключенный ко входу делителя 7). В этом смысле подключение входа устройства 6 к выходу коммутатора 4, изображенное на фиг.2, условно.
Коэффициент деления β делителя 7 устанавливается таким, чтобы частота ложных срабатываний обнаружителя не превосходила заданной. Вместе с тем коэффициент деления β должен быть таким, чтобы обеспечивалось срабатывание обнаружителя при действии узкополосного полезного сигнала достаточного уровня на любой частоте в рабочем диапазоне.
Здесь, как и ранее, одновременное удовлетворение обоих требований возможно также лишь при условии, что величина узкополосных случайных по частоте максимумов в спектре помехи не превосходит некоторой определенной величины, но допустимое значение этих максимумов здесь оказывается значительно выше. Покажем это.
Для этого перепишем условие (2) в виде
Как и ранее, определим предельное значение левой части (3) при действии на входе бесконечно большого тонального сигнала с несущей частотой, соответствующей частоте пересечения частотных характеристик соседних фильтров гребенки. Как и ранее, будем считать, что коэффициент передачи по мощности всех фильтров на их резонансной частоте равен 1, а на частоте пересечения 0,5(-3 дБ).
i
0
Тогда Max(P)=0,5 P, где
0
P - полная выходная мощность усилителя-ограничителя 2,
i
i
0
Min(P)=Min(c)·P, где
i
Min(c) - наименьший из коэффициентов передачи фильтров (по мощности), соответствующий частоте пришедшего сигнала.
Таким образом, предельное значение левой части (3) представляет собой отношение наименьшего коэффициента передачи фильтра в полосе его пропускания (между точками пересечения с частотными характеристиками соседних фильтров) к наименьшему коэффициенту передачи фильтра во всем рабочем диапазоне (в полосе гребенки) и определяется избирательностью фильтров по наиболее удаленному каналу. Таким образом, работоспособность обнаружителя обеспечивается, если выполняется условие
(в противном случае сигнал любого уровня не будет обнаруживаться).
Вычислим теперь правую часть (3) при действии локального максимума в спектре помехи. Для определенности остальную часть спектра примем равномерной. Относительный уровень максимума γ определим, как и прежде, отношением мощности, сосредоточенной под максимумом, к остальной мощности. Тогда при совпадении частоты максимума с резонансной частотой фильтра (1) запишется как
откуда
i
i
i
Точное значение Min(P) зависит от конкретной формы частотных характеристик фильтров. Поэтому для расчета допустимой величины γ возьмем нижнюю грань возможных значений Min(Р), т.к. очевидно, что в этом случае допустимая величина γ оказывается наименьшей. Нижняя грань значений Min(P) достигается при использовании фильтров с идеальными прямоугольными касающимися характеристиками. В этом случае вся мощность помех за вычетом мощности под локальным максимумом распределится между остальными фильтрами поровну, т.е.
где n - число фильтров,
Подставив (5) в (6), получим
Отсюда правая часть (3) при действии локального максимума с относительным уровнем γ равна
Таким образом, из условия работоспособности обнаружителя (см. (4)) вытекает, что
или
Поскольку даже при простейших фильтрах гребенки легко обеспечивается условие
i
(n-1)Min(c)<<0,5
i
(с - коэффициент передачи фильтра по мощности), то предлагаемый обнаружитель позволяет работать при значительно большей величине случайных по частоте локальных максимумов в спектре помех, чем известный обнаружитель (см.(1)).
i
Заметим, что с ростом n (при заданной сложности фильтров и фиксированном уровне пересечения частотных характеристик соседних фильтров) всегда соответственно уменьшается Min(c).
Заметим также, что если бы мы и для сигнала (при оценке левой части (3)) взяли фильтры с идеальной характеристикой, то
i
(n-1)Min(c)=0.
Экспериментально получено, что даже при простейших фильтрах гребенки (одиночные колебательные контуры) выигрыш предлагаемого обнаружителя по параметру γ по отношению к прототипу составляет 6÷8 дБ.
В тех (практически редко встречающихся) случаях, когда в спектре помех отсутствуют случайные по частоте локальные максимумы (γ<<1), предлагаемый обнаружитель не имеет преимуществ перед известным. В этих случаях, как видно из сравнения фиг.1 и 2, переход к известному обнаружителю при необходимости осуществляется достаточно просто.
Заключение
Предлагаемый обнаружитель при относительной простоте построения позволяет существенно расширить пределы допустимой величины случайных по частоте локальных максимумов в спектре входных помех, что весьма важно при работе в поле реальных помех корабля-носителя аппаратуры обнаружения.