Адаптивные методы измерения координат

Информация о временных и пространственных коорди­натах подводного объекта отображается параметрами акус­тического поля, формируемого им в водной среде. Нали­чие помеховых полей мешает извлечь эту информацию, по­этому точность измерения координат обнаруженного объек­та зависит от эффективности обработки смеси сигнала и помехи, алгоритм которой определяется характером поме­хи. Разрешающая способность зондирующих сигналов харак­теризуется обобщенной функцией неопределенности, кото­рая с точностью до постоянного множителя является оги­бающей полезного сигнала на выходе оптимального при­емника.

Если приемник осуществляет оптимальную пространственно-временную обработку, то на выходе формируется эффект:

(4.115)

где определяет структуру оптимального приемника и является решением интегрального уравнения:

(4.116)

Полезный сигнал на выходе такого приемника описывается выражением:

(4.117)

Если ввести комплексную форму записи для функций и то получим следующее выражение для огибающей сигнала:

(4.118)

где - вектор с координатами [ ], характеризующий направление распространения сигнала; - предполагаемое направ- ление распространения сигнала; - и - азимут и угол места цели; - функция запаздывания сигнала; с - скорость звука.

Чтобы ввести в явном виде в выражение (4.118) та­кие параметры движения цели, как радиальную скорость и ускорение цели, можно разложить в ряд Тейло­ра в окрестности точки :

(4.119)

где сдвиг несущей f₀ частоты зондирующего сигнала;

; - дальность, радиальная скорость и ускоре­ние цели соответственно.

Ограничившись тремя членами ряда (4.119), получим:

(4.120)

Используя это выражение, можно получить обобщенную функцию неопределенности при небелых нестационарных помехах, которая при отсутствии пространственной обработки дает трехмерную корреляционную функцию . Для узкополосных сигналов, когда движение цели практически не изменяет форму спектра отраженного сигнала, вызывая лишь его смещение по оси частот, выражение для этой функции упрощается, а в частном случае равномерного движения цели () и стационарной гауссовской поме­хи это выражение переходит в обычную функцию неопреде­ленности Вудворда:

(4.121)

Обобщенная корреляционная функция определяет как раз­решающую способность, так и точность измерения коорди­нат целей. Определение точности измерения вектора па­раметров как правило, сводится к нахож­дению оценки этого вектора методом максимального прав­доподобия и вычислению ее дисперсии. При синтезе систем, осуществляющих непрерывную оценку вектора параметров, основными исходными пред­посылками являются априорные данные как о структуре системы, так и о характеристиках стационарных сигна­лов и помех.

Поскольку априорные данные зачастую полностью неизвестны, системы проектируют для наихудших условий, при которых оптимальная система должна минимизировать максимальный риск. Значительно эффективнее могут работать измерители текущих координат источников сигналов, которые непрерывно отыскивают оптимум в соответствии с изменением текущих условий работы. Такие измерители называют адаптивными и подразделяют на следующие классы:

-системы с активной адаптацией, позволяющие изменять параметры сигналов и параметры движения источников с целью обеспечения заданного качества;

-системы с полуактивной адаптацией, обеспечиваю­щие управление параметрами и формой сигналов, позволяющие максимизировать дальность действия и точность при заданных видах помех и маневрах источников сигналов;

- системы с пассивной адаптацией, оптимизирующие обработку принятых сигналов при заданной помехозащи­щенности и устойчивости к маневрированию источников сигналов.

Критерий оптимальности адаптивных устройств в об­щем случае представляется в виде условного математи­ческого ожидания:

(4.122)

где - выпуклый функционал вектора сигнала и вектора измеряемого параметра; р(s) - плотность рас­пределения сигнала. В соответствии с априорными предположениями о классе измерителя, его структуре и услови­ях работы критерий (4.122) сопровождается некоторыми ограничениями, которым должны подчиняться векторы и . Эти ограничения могут приводить к формированию самостоятельных критериев оптимальности для векторных пространств, а функционал правдоподобия может быть представлен в виде ряда независимых функций, каждая из которых характеризует подсистему такого измерителя. В этом случае оптимизация подсистем по этим функциям поз­воляет оптимизировать измеритель в целом. Как правило, важным условием является осуществление адаптации за минимальное время, что достигается параллельной опти­мизацией подсистем, связанных с обнаружителем,

Рис. 4.14. Схема адаптивного измерителя координат

класси­фикатором и получающих априорную информацию о характеристиках сигналов и помех, а также о координатах ис­точника, как показано на рис. 4.14.

Процесс измерения координат источников сигналов можно представить в ви­де четырех независимых этапов, каждый из которых xapaктеризуется своей функциональной зависимостью.

Первый этап - пространственная адаптация. Дости­гается наиболее эффективная модуляция параметров принимаемых сигналов временными угловыми характеристика­ми фазовых фронтов.

Второй этап - частотно-временная адаптация. Обес­печиваются максимальное использование энергии принимаемых сигналов, а также оптимальное выделение параметров сигналов, несущих информацию о координатах и параметрах движения.

Третий этап - адаптация параметров измерителя в соответствии с текущими значениями координат и параметров движения источников сигналов.

Четвертый этап - корреляция выходных данных. Поз­воляет исправить грубые ошибки при измерении координат, выбирать вид модели траектории движения, а также прог­нозировать нестационарность в параметрах движения ис­точников сигналов. Функциональную зависимость этого этапа обработки можно представить в виде:

при ,

где - функция, характеризующая модель траектории; - функция, характеризующая параметры тра­ектории.

Функциональные преобразования, осуществляемые различными устройствами адаптивных траекторных измерите­лей, определяются характером объекта, координаты кото­рого измеряются, и параметрами, которые важны для кон­кретной задачи.

4.3. Алгоритмы оценивания и реализующие их структуры устройств распознавания морских объектов