Способ подавления реверберационной помехи
Владельцы патента RU 2525701:
Федеральное Государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (RU)
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и решает задачу повышения точности оценки параметров принимаемого акустического сигнала в условиях влияния реверберационной помехи. С этой целью сжимают во времени смесь полезного сигнала и помехи, обусловленной отражениями от неоднородностей среды распространения, при помощи коррекции фазового спектра. Затем осуществляют временную селекцию сжатого полезного сигнала и восстанавливают выделенный сигнал путем обратной коррекции фазового спектра. Основное преимущество предлагаемого способа выделения полезного сигнала на фоне реверберационных помех перед способом-прототипом состоит в том, что результирующий сигнал сохраняет исходную форму, что обеспечивает возможность комплексного применения методов обработки измерительных данных. При практических измерениях способ предполагается использовать в задачах поиска источников шумоизлучения для определения значимости путей распространения вибрации по судовым конструкциям. Наибольшая эффективность от применения предлагаемого способа ожидается при измерениях вторичных акустических полей в условиях ограниченных акваторий: озерных условиях или условиях гидроакустических бассейнов. 7 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для помехоустойчивой оценки параметров первичных и вторичных акустических полей. Помехоустойчивость акустических измерений обеспечивается путем выделения полезного сигнала, несущего информацию об акустических характеристиках исследуемого объекта, из смеси с сигналами помехи.
В сложных технических системах, примером которых является современное судно, формируется вибрационное поле, обусловленное как работой машин и механизмов, так и многочисленными отражениями вибрационного сигнала от структурных и геометрических неоднородностей конструкции, которые являются сигналами помехи. При измерениях параметров вторичных акустических полей сигналами помехи являются отражения от поверхностей раздела сред: границы «вода - воздух», «вода - дно» или «вода - стенка» гидроакустического бассейна. Таким образом, исследуемый сигнал формируется в результате сложения отраженного от объекта измерений прямого сигнала и сигналов помехи, обусловленной отражениями от структурных и геометрических неоднородностей среды распространения акустической волны. Погрешность оценки акустических характеристик излучаемого или отраженного сигнала определяется степенью подавления влияния сигналов реверберационной помехи.
Известен способ, позволяющий выделять акустический сигнал из суммарного сигнала (И.И.Клюкин, А.Е.Колесников. Акустические измерения в судостроении. Л.: «Судостроение», 1968, с.132-137). Сущность способа заключается в пространственной фильтрации акустического сигнала при помощи направленных антенн. Недостатком способа, основанного на направленном приеме акустических сигналов, является невозможность обеспечения пространственной избирательности в широком диапазоне частот. Это обусловлено тем, что апертура антенны, необходимая для формирования требуемой разрешающей способности, может превышать геометрические размеры замкнутого гидроакустического бассейна. Наличие дополнительных боковых лепестков характеристики направленности антенн, в направлении которых принимаются сигналы помехи, также снижает помехоустойчивость измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ выделения полезного сигнала, основанный на согласованном приеме суммарного сигнала - высокоскоростная свертка (Применение цифровой обработки сигналов. Под ред. Э. Оппенгейма. М.: «Мир», 1980, с.294-296).
Этот способ выделения полезного сигнала принят за прототип.
Сущность способа-прототипа сводится к следующим операциям:
1) раздельный прием суммарного и сложного опорного сигналов;
2) определение спектров принятых сигналов;
3) перемножение спектров сигналов;
4) обратное преобразование Фурье результата перемножения спектров сигналов;
5) определение параметров выделенного сигнала.
В рассматриваемом способе осуществляется сжатие принимаемого сигнала во времени при возрастании его амплитуды, что позволяет выделить его на фоне помех. Степень сжатия сложного сигнала и возрастания амплитуды определяют по его длительности и занимаемой полосе частот.
Недостаток способа-прототипа заключается в деформации формы исследуемого сигнала, в результате которой искажают акустические характеристики исследуемого объекта.
Задачей изобретения является выделение полезного сигнала из суммарного акустического сигнала с сохранением его формы. Это достигается с помощью осуществления следующих последовательных операций:
1) раздельный прием сложного опорного сигнала и суммарного акустического сигнала;
2) согласованная фильтрация суммарного акустического сигнала путем расчета фазовых спектров сложного опорного сигнала и суммарного сигнала;
3) корректировка фазового спектра суммарного сигнала путем вычитания из него фазового спектра сложного опорного сигнала;
4) обратное преобразование Фурье результата коррекции и временная селекция во временном окне, величина которого обратно пропорциональна полосе частот сложного опорного сигнала;
5) восстановление фазы суммарного акустического сигнала путем сложения фазового спектра результирующего сигнала и фазового спектра сложного опорного сигнала;
6) обратное преобразование Фурье и регистрация результата.
Сущность предложенного технического решения поясняется фигурами 1÷7.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.1), содержит приемник суммарного акустического сигнала 1 и приемник сложного опорного сигнала 2. Выход приемника суммарного акустического сигнала через блок преобразования Фурье 3 подключен к сигнальному входу корректора фазы 4. Выход приемника сложного опорного сигнала через блок преобразования Фурье 5 подключен к управляющему входу корректора фазы. Выход корректора фазы через блок обратного преобразования Фурье 6 соединен с входом временного селектора 7. Выход временного селектора через блок преобразования Фурье 8 подключен к входу блока восстановления фазы 9, к управляющему входу которого подключен выход блока преобразования Фурье. Выход блока восстановления фазы через устройство обратного преобразования Фурье 10 соединен с регистратором 11, являющимся выходом устройства в целом.
С использованием описанного устройства предложенный способ реализуется следующим способом.
Суммарный акустический и сложный опорный сигналы принимаются приемниками раздельно.
В блоках преобразования Фурье производят определение модуля и фазы спектров принятых сигналов. В корректоре фазы из спектра суммарного сигнала вычитают фазовый спектр сложного опорного сигнала. После обратного преобразования Фурье в результате коррекции фазы суммарный акустический сигнал сжимается во времени, что обеспечивает возможность разделения прямого акустического и всех отраженных сигналов. После временной селекции суммарного акустического сигнала во временном интервале обратно пропорциональном полосе частот сигнала производят вычисление спектра сигнала, подвергнутого временной селекции, и осуществляют восстановление его исходного фазового спектра при помощи блока восстановления фазы, в котором к полученному сигналу прибавляется фаза опорного сигнала. Результатом этой операции является восстановление комплексного спектра акустического сигнала. После обратного преобразования Фурье полученного комплексного спектра выделяют акустический сигнал, свободный от влияния реверберационных помех.
Для упрощения изложения при описании устройства опущены процедуры ограничения по частоте принимаемых сигналов и ввода постоянной задержки, необходимой для завершения формирования управляющих сигналов.
Использование предлагаемого способа показано на примере компьютерного моделирования работы устройства.
В результате моделирования работы устройства формируется суммарный акустический сигнал из трех одинаковых частотно-модулированных сигналов, частично перекрывающихся во времени и опорный сигнал, совпадающий по форме с одним из частотно-модулированных сигналов. Суммарный сигнал S=S1+S2+S3 (фиг.2) и опорный сигнал существуют в едином временном интервале и в общем диапазоне частот. Сигнал S1 используется в качестве опорного и выделяемого сигналов, сигналы S2 и S3 имитируют отражения от поверхностей раздела сред, т.е. моделируют реверберационную помеху. Из представленной сигналограммы следует, что выделение полезного сигнала из смеси с реверберационной помехой путем временной селекции невозможно. При обработке сигналов по предлагаемому способу фаза спектра опорного сигнала используется в качестве управляющего сигнала при коррекции фазы суммарного сигнала путем вычитания. В результате коррекции фазы отдельные составляющие суммарного сигнала выравниваются по фазе, что приводит к сжатию результирующего сигнала и возрастанию его амплитуды. Это позволяет выделить прямой сигнал путем селекции во временном окне длительностью обратно-пропорциональной полосе частот сигнала опорного сигнала. На фиг.3 представлена сигналограмма суммарного сигнала S после операции временного сжатия: сжатый во времени суммарный сигнал имеет три максимума 12, положение которых по оси времени соответствует вступлению суммируемых сигналов, а амплитуда значительно превышает исходное значение. Выделение акустического сигнала путем селекции осуществляют на временном интервале, более узком, чем длительность каждого сигнала (фиг.4). Ввод в фазовый спектр сигнала, подвергнутого селекции во времени, фазовой поправки путем суммирования с фазовым спектром сложного опорного сигнала и операция обратного преобразования Фурье, приводит к восстановлению выделяемого акустического сигнала Ŝ1 (фиг.5). Сравнение выделенного акустического Ŝ1 и сложного опорного сигналов S1 показывает их идентичность (фиг.6).
Таким образом, коррекция фазового спектра принимаемого сигнала в соответствии с рассматриваемым способом обеспечивает выделение акустического сигнала из сложной смеси с перекрывающимися во времени сигналами на интервалах меньших, чем длительность сигнала излучателя. Это позволяет использовать процедуру коррекции фазовых спектров акустических сигналов, например, при исследовании отражательной способности моделей тел в гидроакустических бассейнах.
Возможность выделения сигналов, находящихся на общем временном интервале, подтверждается результатами натурного эксперимента, в котором суммарный акустический сигнал формируется в результате работы нескольких однотипных механизмов из числа энергетического оборудования судна, а источником опорного сигнала является один из этих механизмов. На фиг.7 представлены: сигналограмма суммарного сигнала, сформированного в результате работы нескольких механизмов и многочисленных отражений от элементов судовой конструкции 13 и сигналограмма полезного сигнала, выделенного из суммарного сигнала 14. Применение заявленного способа позволяет выделять сигнал исследуемого механизма в акустическом поле, формируемом совокупностью виброактивных механизмов, и, как следствие, определять значимость путей распространения вибрации.
Наибольшая эффективность применения предлагаемого способа ожидается в области измерений характеристик отражения моделей тел в условиях ограниченного пространства - озерных условиях или условиях гидроакустического бассейна. Преимуществом способа является возможность его применения для подавления некогерентных помех.
Способ подавления реверберационной помехи, включающий раздельный прием сложного опорного сигнала и суммарного акустического сигнала, сформированного в результате приема акустического сигнала и его отражений от неоднородностей среды распространения, преобразование Фурье принятых сигналов, согласованную фильтрацию суммарного акустического сигнала, обратное преобразование Фурье и регистрацию выделенного акустического сигнала, отличающийся тем, что согласованную фильтрацию выполняют путем расчета фазовых спектров сложного опорного и суммарного акустического сигналов, после чего из фазового спектра суммарного акустического сигнала вычитают фазовый спектр сложного опорного сигнала, осуществляют обратное преобразование Фурье, временную селекцию результата преобразования Фурье на временном интервале, обратно пропорциональном полосе частот, занимаемой сложным опорным сигналом, выполняют преобразование Фурье и восстанавливают фазу сжатого во времени акустического сигнала путем сложения его фазового спектра и фазового спектра сложного опорного сигнала, затем выполняют обратное преобразование Фурье и регистрацию выделенного акустического сигнала.
