ANALYSIS OF STATISTICAL CHARACTERISTICS OF SIGNALS AND NOISES IN HYDROACOUSTIC COMMUNICATION CHANNELS
Authors:
1.
Novosibirsk State Technical University
2.
Siberian State University of Telecommunications and Information Sciences
Type:
Article
Pages:
from 78
to 84
Status:
Published
Received:
05.07.2015
Accepted:
25.07.2015
Published:
25.07.2015
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.396
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.396
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
hydroacoustic channel, noises, level fluctuations and signal phases
Abstract (English):
In the course of distribution of the hydroacoustic signal the structure undergoes some changes, which can be divided into amplitude and phase. Speaking about the change of the amplitude, it is necessary to consider the change of the signal level with increase in distance from the source and fluctuation of the signal level because of the influence of the multipath distribution of the waves and casual changes of transmission factor of the medium. Change of the level with increase in distance from the source of the signal is connected with expansion of the border and various losses. The analysis of the measurements of the characteristics of hydroacoustic signals showed that the corresponding casual processes can be described on the basis of normal frequently met distribution and co-related distributions: Rayleigh, Rayleigh - Rice and lognormal. By the results of the analysis a model of a hydroacoustic communication channel, in which noises have some kind of additive noise with the function of density of probabilities close to the function of density of probabilities of Gaussian process, is offered. Fluctuations of the level and the signal phase are shown slightly, no more than 20 % of average value, their speed is significantly lower than transmission speed. The results of the analysis can find their application while creating the systems of hydroacoustic telemetry.
In the course of distribution of the hydroacoustic signal the structure undergoes some changes, which can be divided into amplitude and phase. Speaking about the change of the amplitude, it is necessary to consider the change of the signal level with increase in distance from the source and fluctuation of the signal level because of the influence of the multipath distribution of the waves and casual changes of transmission factor of the medium. Change of the level with increase in distance from the source of the signal is connected with expansion of the border and various losses. The analysis of the measurements of the characteristics of hydroacoustic signals showed that the corresponding casual processes can be described on the basis of normal frequently met distribution and co-related distributions: Rayleigh, Rayleigh - Rice and lognormal. By the results of the analysis a model of a hydroacoustic communication channel, in which noises have some kind of additive noise with the function of density of probabilities close to the function of density of probabilities of Gaussian process, is offered. Fluctuations of the level and the signal phase are shown slightly, no more than 20 % of average value, their speed is significantly lower than transmission speed. The results of the analysis can find their application while creating the systems of hydroacoustic telemetry.
Keywords:
hydroacoustic channel, noises, level fluctuations and signal phases
hydroacoustic channel, noises, level fluctuations and signal phases
Введение Состояние проблемы. Cтатистические характеристики гидроакустических сигналов и помех имеют сложный, часто нестационарный характер [1-4]. Их параметры зависят от состояния океана: температуры воды, солености, глубины, наличия течений, погоды на его поверхности, строения дна, видового состава и численности биологических объектов, интенсивности судоходства и т. д. Определяющее значение имеют протяженность и ориентация предполагаемой линии связи между источником и приемником акустических сигналов. C учётом пространственной ориентации принято подразделять гидроакустические каналы на вертикальные, наклонные и горизонтальные [1, 2, 5]: - вертикальные - линия связи, соединяющая источник и приемник, находится в секторе углов 15° относительно вертикали; - наклонные - линия связи, соединяющая источник и приемник, находится в секторе углов 10°-35° относительно горизонтали; - горизонтальные - линия связи, соединяющая источник и приемник, находится в секторе углов менее 10° относительно горизонтали. Сигналы в процессе распространения претерпевают многократные отражения от границ среды и имеют в точке приема ярко выраженный многолучевой характер [2, 5]. В процессе распространения сигналы подвергаются рефракции и также имеют в точке приема многолучевой характер [2, 5]. Согласно [2], траектории лучей остаются прямолинейными при самых больших перепадах среднего значения скорости звука по глубине, если углы выхода лучей из источника сигналов не превышают 80° вертикали. Отмечается слабое проявление многолучевости и замираний; указывается [1], что сигналы, которые распространяются от источника к приемнику по траекториям, находящимся в пределах углов 15° от вертикали, не должны испытывать значительных (более 3-5 %) изменений амплитуды и фазы сигнала. В соответствии с приведенной классификацией исследуемый нами канал относится к классу гидроакустических каналов связи вертикальной ориентации. Методы и результаты исследования В процессе распространения гидроакустического сигнала наблюдаются изменения его структуры, которые могут быть разделены на амплитудные и фазовые. Говоря об изменении амплитуды, следует учитывать изменение уровня сигнала с увеличением расстояния от источника и флуктуации уровня сигнала из-за влияния многолучевости и случайных изменений коэффициента передачи среды. Изменение уровня с увеличением расстояния от источника сигнала связано с расширением фронта и различного вида потерями. Природа этих потерь хорошо изучена и описана в [1-6]. Не останавливаясь на их рассмотрении, отметим, что основными причинами потерь акустической энергии являются релаксационные процессы, сдвиговое трение слоёв воды и рассеяние. Учёт этих потерь осуществляется при проведении энергетического расчета соответствующей линии связи. Флуктуации уровня и фазы гидроакустических сигналов связаны со статистической неоднородностью водной среды и являются следствием случайного изменения коэффициента передачи среды и влияния многолучевости. Часто эти флуктуации называют замираниями сигнала и относят их к помехам. Помехи в гидроакустических линиях связи по своему характеру разделяют на три основных класса: аддитивные помехи, мультипликативные помехи (замирания) и доплеровский сдвиг частоты [1-8]. В свою очередь, аддитивные помехи классифицируются по статистической структуре и характеру происхождения. По статистической структуре аддитивные помехи разделяют на три группы: флуктуационные, импульсные (сосредоточенные во времени) и гармонические (сосредоточенные по спектру) [1-4, 8]. По происхождению аддитивные помехи разделяют на природные и технические [1-8]. Среди аддитивных помех природного происхождения выделяют: - динамические шумы, возникновение которых связано с динамическими процессами, происходящими в океане - тепловым движением молекул; поверхностным волнением; шумами прибоя; схлопыванием воздушных пузырьков, образующихся в верхнем приповерхностном слое воды при обрушивании гребней волн; ударами капель дождя о поверхность; - шумы ледового происхождения, обусловленные ветром, обтекающим неровности поверхности льда; растрескиванием ледового покрова; торошением ледовых полей; обтеканием течением неровностей нижней границы; - биологические шумы, связанные своим происхождением с жизнедеятельностью трех основных групп животных: беспозвоночных, рыб и млекопитающих; - сейсмические шумы, обусловленные тектоническими процессами в недрах Земли. Помехи технического происхождения разделяют на собственные; шумы носителя; шумы посторонних судов; морских буровых установок; трубопроводов; сигналы посторонних гидроакустических систем (гидромаяки, эхолоты, гидролокаторы, системы гидроакустической связи и т. д.). Шум в океане представляет собой совокупность полей множества отдельных независимых источников, причем распространение звука от этих источников к точке измерений связано с множеством независимых и случайных искажений. Это позволяет часто характеризовать шумы океана нормальным (гауссовым) распределением [1-4, 7-9]. Мультипликативные помехи (замирания сигнала) проявляются в случайном изменении амплитуды и фазы гидроакустического сигнала. С точки зрения приёма сигналов замирания эквивалентны увеличению мощности помехи. Они приводят к снижению соотношения сигнал/шум на входе приёмника. Однако особенность замираний заключается в том, что их влияние, в отличие от аддитивных помех, не может быть скомпенсировано увеличением мощности передачи. Вследствие этого, для оценки реальной помехозащищённости приёма сигналов и оценки пропускной способности гидроакустической системы связи, необходимо знать законы распределения мгновенных значений уровня и фазы сигнала на входе приёмника. Известны работы [1, 7, 8, 10-12], в которых описаны экспериментальные и теоретические исследования флуктуаций амплитуды и фазы гидроакустических сигналов. В большинстве случаев отмечалось, что значения амплитуды сигнала распределены по нормальному закону, законам Рэлея, Рэлея - Райса, причем параметры распределений существенно зависят от структуры и условий образования гидроакустического канала: ориентации относительно дна и поверхности, дистанции между источником сигнала и точкой измерения, диаграмм направленности используемых антенн и др. Специфическим видом помех являются помехи, связанные с проявлением эффекта Доплера. В гидроакустической системе связи эффект Доплера обусловлен взаимным перемещением излучающей и приёмной антенн, что вызывает появление отличий частоты принимаемого сигнала от частоты передаваемого, приводит к смещению всего спектра частот на величину fд и изменению ширины его спектра и длительности сигнала. При этом в точке приема значения мгновенной частоты сигнала, ширины его спектра и длительности соответственно равны: , , , где - скорость звука в морской воде; и - горизонтальная и вертикальные составляющие скорости взаимного перемещения излучающей и приемной антенн; α - угол между вертикалью и линией, соединяющей излучающую и приемную антенны; - мгновенная частота, ширина спектра и длительность излучаемого сигнала соответственно. В реальных условиях величины скоростей и малы по сравнению со скоростью звука , абсолютное значение доплеровского сдвига частоты fд = f0 - f будет незначительным (не более десятков Гц). Возникающее при этом смещение спектра частот может быть учтено при выборе полосы пропускания приёмника ее увеличением на величину 2 fд. Соответствующие изменения мгновенной частоты и длительности сигналов из-за эффекта Доплера в практических системах передачи дискретной информации компенсируются системой тактовой синхронизации. При корректном выборе параметров аппаратуры влияние эффекта Доплера сводится к снижению помехоустойчивости приема за счет введения некоторой эквивалентной помехи, вызванной расширением полосы пропускания приемника и работой системы синхронизации. Большой объем экспериментальных исследований статистических характеристик сигналов и помех в гидроакустических каналах вертикальной ориентации в диапазоне от 28 до 32 кГц и от 47 до 50 кГц выполнен в Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики [7, 11-17]. Исследования проводились в Тихом океане, в районе, прилегающем к Курильской гряде и пристани Угольной (на глубинах до 1,5 км), на Черном море, в его глубоководной части (на глубинах 1800-2000 м), в Средиземном море и в Атлантическом океане (на глубинах до 5400 м). В результате исследований получены оценки следующих вероятностных характеристик и параметров сигналов и помех: - одномерная функция плотности вероятностей (ФПВ) уровня шума , оценки математического ожидания и дисперсии шума; - одномерная ФПВ уровней принимаемого гидроакустического сигнала , оценки их математического ожидания и дисперсии ; - одномерная ФПВ фазы принимаемых гидроакустических сигналов W(φ), оценки их математического ожидания mφ, дисперсии ; - нормированная корреляционная функция амплитуды сигнала R(τ) и интервал корреляции τ 0. Согласно результатам измерений, затухание сигнала в канале связи, в зависимости от протяженности линии связи, изменяется по закону, близкому к квадратичному, что соответствует теоретическим моделям [11, 15]. Анализ данных измерений характеристик гидроакустических сигналов позволяет утверждать, что соответствующие случайные процессы могут быть описаны на основе нормального распределения и связанных с ним распределениями Рэлея, Рэлея - Райса и логарифмически нормальным. При этом нормальное распределение встречается наиболее часто [12]. Данные наиболее характерных измерений приведены на рис. 1. Результаты аппроксимации экспериментальных ФПВ показаны сплошными линиями на рис. 1, а, б, в. Согласие теоретических ФПВ и экспериментальных данных оценивалось с помощью критерия согласия Пирсона (критерия χ2); на уровне значимости 0,005 теоретические ФПВ, приведенные на рис. 1, не противоречат экспериментальным. Анализ экспериментальных ФПВ уровня сигнала W*(U) позволяет сделать вывод о том, что в точке приема сигнал существенно превышает уровень шумов. При глубине погружения источника сигнала 2000 м и электрической мощности сигнала, подводимого к передающей антенне, равной 0,7 Вт, отношение среднего уровня сигнала к среднему уровню шума mE/mU менялось на порядок в пределах от 150 (при работе в центре зоны связи) до 15 (на краю зоны связи), что указывает на имеющийся запас мощности сигнала. Средний уровень шумов mE на выходе измерительного усилителя с коэффициентом передачи Kус = 250 при вертикальной ориентации приемной антенны был стабильным и не превышал 0,5 мВ; типичная гистограмма уровней шума приведена на рис. 1, г. Рис. 1. Функция плотности вероятностей в гидроакустическом канале вертикальной ориентации: а, б - уровней сигнала; в - фазы сигнала; г - уровня шума Исследования подтвердили предположение о том, что применение направленных гидроакустических антенн с экранировкой тыльного направления позволяет значительно ослабить влияние на прием сигналов реверберационной помехи, вызванной обратным рассеянием звука на границах «вода-воздух», «вода-дно». Косвенным подтверждением этого служит тот факт, что в процессе проведении натурных испытаний аппаратуры [3, 14] на судне устойчиво фиксировались отраженные от дна, на глубине 2000 м, сигналы команд управления с уровнем достаточным для их приема. Последнее предполагает, во-первых, применение специальных мер для надежного различения сигналов ответа гидроакустической автономной донной станции (ГДАС) от сигналов команд управления, отраженных от дна; во-вторых, возможность ухудшения помеховой обстановки в канале связи при необоснованном увеличении мощности передачи сигналов. Применение направленных антенн выявило зависимость параметров распределений уровня (рис. 1, а, б) и фазы (рис. 1, в) от степени волнения моря. Флуктуации уровня и фазы сигналов объясняются качкой судна и изменением пространственной ориентации опускаемых с него гидроакустических антенн. Во всех случаях при волнении моря до 5 баллов отношение среднего уровня сигнала к его среднеквадратичному отклонению mE /σE > 3,9. На рис. 2 приведена функция корреляции одной из наиболее характерных выборок сигнала. Видно, что существенные изменения сигнала наблюдаются на интервале > 1 с. Рис. 2. Функция корреляции сигнала В ходе рейса научно-исследовательского судна «Дмитрий Менделеев» были получены оценки влияния эффекта Доплера на работу аппаратуры гидроакустического канала связи. При обмене сигналами между ГДАС и судном, движущимся по поверхности со скоростью до 2 узлов при волнении моря до 5 баллов, сдвиг частоты принимаемого сигнала соответствовал 10-3 от номинального значения несущей. Выводы Приведенные данные позволяют принять для последующего анализа следующую модель гидроакустического канала связи, в котором: - отсутствует явление рефракции, сигнал от источника до приемника распространяется прямолинейно; - ослабление (затухание) сигнала при передаче происходит из-за расширения фронта волны и поглощения в среде; - помехи имеют характер аддитивного шума с ФПВ близкой к ФПВ гауссова процесса; - скорость флуктуаций уровня и фазы сигнала существенно ниже скорости передачи.
1. Tarasyuk Yu. F. Gidroakusticheskoe teleupravlenie / Yu. F. Tarasyuk. L.: Sudostroenie, 1985. 200 s.
2. Matvienko V. N. Dal'nost' deystviya gidroakusticheskih sredstv / V. N. Matvienko, Yu. F. Tarasyuk. L.: Sudostroenie, 1981. 205 s.
3. Chvertkin E. I. Gidroakusticheskaya telemetriya v okeanologii / E. I. Chvertkin. L.: Izd-vo LGU, 1978. 148 s.
4. Urik R. D. Osnovy gidroakustiki / R. D. Urik. L.: Sudostroenie, 1978. 448 s.
5. Mit'ko V. B. Gidroakusticheskie sredstva svyazi i nablyudeniya / V. B. Mit'ko, A. P. Evtyunov, S. E. Guschin. L.: Sudostroenie, 1982. 200 s.
6. Evtyutov A. P. Primery inzhenernyh raschetov v gidroakustike / A. P. Evtyutov, V. B. Mit'ko. L.: Sudostroenie, 1981. 256 s.
7. Razrabotka principov i ustroystv peredachi geofizicheskoy informacii po gidroakusticheskomu kanalu svyazi: otchet o NIR / NEIS im. N. D. Psurceva; ruk. Makarov A. A., Chinenkov L. A. Novosibirsk, 1982. 76 s. № GR 81019632. Inv. N 02830014986.
8. Evtyutov A. P. Spravochnik po gidroakustike / A. P. Evtyutov, A. E. Kolesnikov, A. P. Lyalikov i dr. L.: Sudostroenie, 1982. 344 s.
9. Akustika okeana / pod red. A. M. Brehovskih. M.: Nauka, 1974. 250 c.
10. Chernov L. A. Korrelyaciya amplitudy i fazy pri rasprostranenii voln v srede so sluchaynymi neodnorodnostyami / L. A. Chernov // Akusticheskiy zhurnal. 1955. T. 1, № 1. C. 89-95.
11. Analizator harakteristik gidroakusticheskih kanalov svyazi: otchet o NIR / NEIS im. N. D. Psurceva; ruk. A. A. Makarov, G. A. Cherneckiy. Novosibirsk, 1985. 77 s. № GR 0184000588, Inv. № 02860021414.
12. Kovyazin V. I. Statisticheskie harakteristiki gidroakusticheskih kanalov dlya ADS / G. I. Krivolapov, A. A. Makarov, G. A. Cherneckiy // Morskaya seysmologiya i seysmometriya. M.: In-t okeanologii AN SSSR, 1989. S. 74-80.
13. Krivolapov G. I. Rezul'taty ispytaniya apparatury dvustoronney gidroakusticheskoy svyazi dlya avtonomnyh donnyh stanciy / G. I. Krivolapov, L. A. Poteryaeva, G. A. Cherneckiy // Metodika i tehnika seysmoakusticheskih i vibroseysmicheskih issledovaniy na akvatoriyah: sb nauch. tr. pod red. V. I. Dobrinskogo. Novosibirsk, VC SO AN SSSR, 1988. C. 10-16.
14. Krivolapov G. I. Nekotorye rezul'taty ispytaniy AGAS dlya upravleniya i diagnostiki DSS / G. I. Krivolapov, A. A. Makarov, N. I. Postnikov, G. A. Cherneckiy // Metodika i tehnika seysmoakusticheskih i vibroseysmicheskih issledovaniy na akvatoriyah: sb. nauch. tr. pod red. V. I. Dobrinskogo. Novosibirsk, VC SO AN SSSR, 1988. C. 17-25.
15. Razrabotka principov i ustroystv peredachi geofizicheskoy informacii po gidroakusticheskomu kanalu svyazi. Otchet o NIR. NEIS im. N. D. Psurceva; ruk. Makarov A. A., Chinenkov L. A. Novosibirsk, 1983. 55 s. № GR 81019632. Inv. № 02830079562.
16. Apparatura upravleniya avtonomnymi donnymi seysmicheskimi stanciyami. Otchet o NIR / NEIS im. N. D. Psurceva; ruk.: Makarov A. A., Cherneckiy G. A. Novosibirsk, 1987. 75 s. № GR 01840005880. Inv. № 020880016084.
17. Pribylov V. P. Issledovanie i razrabotka algoritmov peredachi informacii v kanalah svyazi so znachitel'nym vremenem rasprostraneniya signalov: dis. … kand. tehn. nauk / V. P. Pribylov. Novosibirsk, SibGUTI, 2003. 155 s.
