Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
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 многолучевого распространения волн и случайных изменений коэффициента передачи среды. Изменение уровня с увеличением расстояния от источника сигнала связано с расширением фронта и различного вида потерями. Анализ измерений характеристик гидроакустических сигналов показал, что соответствующие случайные процессы могут быть описаны на основе нормального распределения, которое встречается наиболее часто, и связанных с ним распределений Рэлея, Рэлея - Райса и логарифмически нормального. По результатам анализа предложена модель гидроакустического канала связи, в котором помехи имеют характер аддитивного шума с функцией плотности вероятностей близкой к функции плотности вероятностей гауссова процесса; флуктуации уровня и фазы сигнала проявляются незначительно - не более 20 % от среднего значения, их скорость существенно ниже скорости передачи. Результаты анализа могут найти применение при построении систем гидроакустической телеметрии.

Ключевые слова:
гидроакустический канал, помехи, флуктуации уровня и фазы сигнала
Текст
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.
Список литературы

1. Тарасюк Ю. Ф. Гидроакустическое телеуправление / Ю. Ф. Тарасюк. Л.: Судостроение, 1985. 200 с.

2. Матвиенко В. Н. Дальность действия гидроакустических средств / В. Н. Матвиенко, Ю. Ф. Тарасюк. Л.: Судостроение, 1981. 205 с.

3. Чверткин Е. И. Гидроакустическая телеметрия в океанологии / Е. И. Чверткин. Л.: Изд-во ЛГУ, 1978. 148 с.

4. Урик Р. Д. Основы гидроакустики / Р. Д. Урик. Л.: Судостроение, 1978. 448 с.

5. Митько В. Б. Гидроакустические средства связи и наблюдения / В. Б. Митько, А. П. Евтюнов, С. Е. Гущин. Л.: Судостроение, 1982. 200 с.

6. Евтютов А. П. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике / А. П. Евтютов, В. Б. Митько. Л.: Судостроение, 1981. 256 с.

7. Разработка принципов и устройств передачи геофизической информации по гидроакустическому каналу связи: отчет о НИР / НЭИС им. Н. Д. Псурцева; рук. Макаров А. А., Чиненков Л. А. Новосибирск, 1982. 76 с. № ГР 81019632. Инв. N 02830014986.

8. Евтютов А. П. Справочник по гидроакустике / А. П. Евтютов, А. Е. Колесников, А. П. Ляликов и др. Л.: Судостроение, 1982. 344 с.

9. Акустика океана / под ред. А. М. Бреховских. М.: Наука, 1974. 250 c.

10. Чернов Л. А. Корреляция амплитуды и фазы при распространении волн в среде со случайными неоднородностями / Л. А. Чернов // Акустический журнал. 1955. T. 1, № 1. C. 89-95.

11. Анализатор характеристик гидроакустических каналов связи: отчет о НИР / НЭИС им. Н. Д. Псурцева; рук. А. А. Макаров, Г. А. Чернецкий. Новосибирск, 1985. 77 с. № ГР 0184000588, Инв. № 02860021414.

12. Ковязин В. И. Статистические характеристики гидроакустических каналов для АДС / Г. И. Криволапов, А. А. Макаров, Г. А. Чернецкий // Морская сейсмология и сейсмометрия. М.: Ин-т океанологии АН СССР, 1989. С. 74-80.

13. Криволапов Г. И. Результаты испытания аппаратуры двусторонней гидроакустической связи для автономных донных станций / Г. И. Криволапов, Л. А. Потеряева, Г. А. Чернецкий // Методика и техника сейсмоакустических и вибросейсмических исследований на акваториях: сб науч. тр. под ред. В. И. Добринского. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1988. C. 10-16.

14. Криволапов Г. И. Некоторые результаты испытаний АГАС для управления и диагностики ДСС / Г. И. Криволапов, А. А. Макаров, Н. И. Постников, Г. А. Чернецкий // Методика и техника сейсмоакустических и вибросейсмических исследований на акваториях: сб. науч. тр. под ред. В. И. Добринского. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1988. C. 17-25.

15. Разработка принципов и устройств передачи геофизической информации по гидроакустическому каналу связи. Отчет о НИР. НЭИС им. Н. Д. Псурцева; рук. Макаров А. А., Чиненков Л. А. Новосибирск, 1983. 55 с. № ГР 81019632. Инв. № 02830079562.

16. Аппаратура управления автономными донными сейсмическими станциями. Отчет о НИР / НЭИС им. Н. Д. Псурцева; рук.: Макаров А. А., Чернецкий Г. А. Новосибирск, 1987. 75 с. № ГР 01840005880. Инв. № 020880016084.

17. Прибылов В. П. Исследование и разработка алгоритмов передачи информации в каналах связи со значительным временем распространения сигналов: дис. … канд. техн. наук / В. П. Прибылов. Новосибирск, СибГУТИ, 2003. 155 с.