Стохастическая модель гидроакустических сигналов, регистрируемых антенной в режиме шумопеленгования

Юрий Владимирович Махнев; Александр Терентьевич Трофимов

Юрий Владимирович Махнев АО «Научно-исследовательский институт «Атолл» https://orcid.org/0009-0001-7240-4886
Александр Терентьевич Трофимов АО «Научно-исследовательский институт «Атолл» https://orcid.org/0009-0006-3856-7055

Ключевые слова: гидроакустика, стохастическая модель сигналов, мелкое море, шумопеленгование, волновой пакет, случайный волновой процесс, модель волновода, стационарная антенна

Аннотация

Знание математической модели гидроакустических сигналов, ожидаемых при приёме на антенну, работающую в режиме шумопеленгования в мелком море, позволяет решать задачи синтеза алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, целью которых является решение задачи первичного обнаружения, разрешения и оценивания параметров морских объектов. Ожидаемый сигнал, называемый нами также волновым пакетом — это поле звуковых давлений на приёмниках антенны, создаваемое естественным шумоизлучением морского объекта. В статье рассматриваются вопросы, касающиеся проблем при использовании существующих моделей сигналов, описываемых с использованием собственных функций волновода. Основные проблемы: сложность получения информации о параметрах волновода (состав грунта, рельеф дна, профиль скорости звука и т. п.); случайные изменения параметров волновода из-за различных неоднородностей. Предложен подход к разработке моделей сигналов, при котором учитывается информация только о частотно-зависимых коэффициентах затухания и фазовых скоростях мод (нормальных волн). Принято, что морской объект излучает белый шум, а коэффициенты возбуждения и начальные фазы мод равновероятны, фазовые скорости флуктуируют по гауссовскому закону. Разработана и верифицирована стохастическая модель пространственно-временного поля давлений ожидаемого сигнала. Установлено, что волновой пакет следует рассматривать как гауссовский случайный процесс. Разработанная модель подходит для использования при любом взаимном расположении морского объекта и антенны (ближняя или дальняя зона), учитывает межмодовые взаимодействия (биения), обусловленные разрешающей способностью антенны, и учитывает флуктуации фазовых скоростей мод. Полученные результаты соотнесены с известными решениями.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Юрий Владимирович Махнев, АО «Научно-исследовательский институт «Атолл»

научный сотрудник АО «НИИ «Атолл», Дубна, Россия

Александр Терентьевич Трофимов, АО «Научно-исследовательский институт «Атолл»

д.т.н., проф., главный научный сотрудник АО «НИИ «Атолл», Дубна, Россия

Литература

1. Trifonov A. and Shinakov I. (1986) Sovmestnoe razlichenie signalov i otsenka ikh parametrov na fone pomekh. Moscow: Radio i svyaz. 264 p. (in Russian)
2. Grinyuk A. (2016) Analysis of spatial-temporal behaviour of low-frequency hydroacous tic signals in shallow sea. Proceedings of XIV All-Russian Conference «Advanced Technologies of Hydroacoustics and Hydrophysics» (Saint-Petersburg, 24–26 may 2016). Saint-Petersburg, 2016. P. 376–378. (in Russian)
3. Rozhin F. and Tonakanov O. (1988) Obshhaja gidroakustika. Moscow university. 160 p. (in Russian)
4. Jensen B., William A. and Kuperman M. (2011) Computational Ocean Acoustics. Second Edition. Modern Acoustics and Signal Processing. Springer Science+Buisness Media. 794 p.
5. Kuznetsov G. (2020) Basic physics for estimating coordinates of low-noise targets in shallow or deep seas. Proceedings of XV All-Russian Conference «Advanced Technologies of Hydroacoustics and Hydrophysics». (Saint-Petersburg, 21–25 september 2020) Saint-Petersburg. P. 18–24. (in Russian)
6. Katsnelson B. and Petnikov V. (1997) Shallow water acoustics. M. : Nauka. 191 p. (in Russian)
7. Kuznetsov G. and Lebedev O. (2012) The possibility of using the equivalent plane wave model to increase the efficiency of taking bearings of low-frequency signals in shallow water. Acoustical Physics. Т. 58, № 5. P. 628–638. (in Russian)
8. Vyaznikov S. and Chizhov A. (2020) Projection method for range resolution of group concentrated aerial objects with quasi-parallel verification of hypotheses about their numerical strength in active radars. Electromagnetic waves and electronic systems. DOI
9. Sazontov A. and Malekhanov A. (2015) Matched field signal processing in underwater sound channels (review). Acoustical Physics. DOI
10. Turchin V. (2017) Analysis of robust processing algorithm for sound source bearing estimation. Uchenye zapiski fizicheskogo fakul’teta moskovskogo universiteta. (in Russian)
11. Sazontov A. and Smirnov I. (2021) Lokalizacija istochnika v sluchajno-neodnorodnom kanale s ispol’zovaniem mnogorangovogo algoritma Kaipon. Acoustical Physics. DOI
12. Shima Abadi (2016) Low frequency beamforming in shallow water environments. JASA. DOI
13. Trofimov A. (2020) Synthesis of spatial processing algorithms for passive listening mode of low-frequency hydroacoustic system. Proceedings of XV All-Russian Conference «Advanced Technologies of Hydroacoustics and Hydrophysics». Saint-Petersburg. P. 341–344. (in Russian)
14. Van Tris (1972) Teorija obnaruzhenija, ocenok i moduljacii. Tom 1. New-York, 1968. Sovetskoe radio. 744 p. (in Russian)
15. Monzingo R. (1980) Introduction to Adaptive Arrays. Monzingo R. A. and Miller T. W. John Wiley, Chichester. 1980. 541 p. Illustrated. (in Russian)
16. Gusev V. (1988) Sistemy prostranstvenno-vremennoj obrabotki gidroakusticheskoj informacii. L. : Sudostroenie. 264 p. (in Russian)
17. Malyshkin G. (2009) Optimalnye i adaptivnye metody obrabotki gidroakusticheskix signalov. T. 1. Optimalnye metody. SPb.: “Koncern Elektropribor”. 400 p. (in Russian)
18. Gamper L. E. and Popova O. S. (2020) Local interference rejection in passive sonar with separated antennas. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 13, 1, P. 73–81. DOI
19. Eliseevnin A. (2004) Usrednennyj otklik gorizontalnoj linejnoj antenny v melkom more. Acoustical Physics. T. 50, № 2. P. 193–197. (in Russian)
20. Makhnev Y. (2019) Modeling and analysis of accuracy of algorithms of low frequency beamforming in shallow sea. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Systemnyi analyz i informacionnye tehnologii. (4). P. 72–84. DOI
21. Urick J. (1978) principles of underwater sound. McGraw-Hill Book Company. (in Russian)
22. Prokopovich V. and Shafranyuk V. (2020) Model shumoizlucheniya morskogo sudna V. Proceedings of XV All-Russian Conference «Advanced Technologies of Hydroacoustics and Hydrophysics». Saint-Petersburg. P. 100–104. (in Russian)
23. Piskunova O. (2014) Eksperimentalnaya ocenka zatuxaniya zvuka na nizkix chastotax v razlichnyx rajonax Barenceva moray. Proceedings of XII All-Russian Conference «Advanced Technologies of Hydroacoustics and Hydrophysics». Saint-Petersburg. P. 583–585