RU2565237C1

RU2565237C1 - Способ оценки доплеровского смещения несущей частоты сложного сигнала

Info

Publication number: RU2565237C1
Application number: RU2014132669/07A
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Буренин
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2015-10-20

Abstract

Изобретение относится к способам измерения доплеровского смещения несущей (центральной) частоты сложного сигнала, вызванного движением его источника и/или движением приемника, и может быть использовано в радио и гидроакустической связи, радио и гидроакустическом позиционировании и акустической томографии океана. Способ основан на использовании в качестве излучающего сигнала сигнального пакета, в котором произвольно расположено не менее двух одинаковых сложных сигналов, автокорреляционная функция каждого из которых имеет один максимум при нулевой сдвижке по временной оси, а обработку принятого сигнала осуществляют путем «свертки» с самим собой. Достигаемый технический результат - снижение энергетических затрат, расширение возможностей и упрощение способа за счет увеличения видов сложных сигналов для осуществления метода. 4 ил.

Description

Изобретение относится к способам измерения доплеровского смещения несущей (центральной) частоты сигнала, вызванного движением его источника и/или движением приемника, и может быть использовано в радио- и гидроакустической связи, радио- и гидроакустическом позиционировании и акустической томографии океана.

В задачах дистанционной связи, как правило, используют сигнальные пакет, состоящий из сложного сигнала на основе М-последовательности, с помощью которого в совокупности с операцией «свертки» измеряется импульсная или частотная характеристики канала, и информационный сигнал, в котором с помощью измеренной импульсной или частотной характеристики канала и алгоритма декодирования восстанавливают передаваемую информацию.

Измеренная импульсная или частотная характеристика канала несет информацию о том, каким образом неоднородности среды искажают распространяющийся от источника к приемнику сигнал. Эта информация позволяет разрабатывать и успешно применять методы и технические средства, решающие самые разнообразные прикладные задачи: дистанционная (беспроводная) связь, дистанционное позиционирование и навигация, восстановление пространственной структуры неоднородностей в исследуемой среде (томография).

Но сложные сигналы на основе М-последовательности оказались весьма чувствительными к эффекту Доплера, особенно в морской среде, где скорость относительного движения источник-приемник близка к скорости распространения волны в среде. Как результат применение операции «свертки» излучаемого сложного сигнала к подвергшемуся влиянию эффекта Доплера принятому сложному сигналу не позволяло измерить импульсную характеристику канала (волновода). Решая эту проблему, стали либо применять громоздкие методы для оценки влияния эффекта Доплера, требующие значительных вычислительных ресурсов, энергетических затрат, либо применять составные сигнальные пакеты, в которых вместе со сложным сигналом на основе М-последовательности располагался «дополнительный» сигнал или группа сигналов. Как правило, параметры «дополнительных» сигналов и методы их обработки («свертка» принятого с излучаемым сигналом) предварительно согласовывались с ожидаемыми предельными величинами относительной скорости движения источник-приемник и скорости распространения волны в среде.

Для автономных аппаратов, имеющих ограничения по потребляемой энергии, решение прикладных задач связано с минимизацией потребляемой энергией, необходимой для излучения, регистрации и обработки сигналов. Поэтому задачи разработки способов для снижения вычислительной и энергетической нагрузки и одновременно повышение способности одиночного сигнала в сигнальном пакете оценивать сразу несколько физических параметров среды распространения является актуальной и приоритетной.

Сигнал, распространяясь от источника к приемнику, подвергается влиянию эффекта Доплера, вызванного движением источника и/или движением приемника. В частотной области эффект Доплера заключается в изменении несущей частоты сигнала

здесь f₀ - несущая частота сигнала; f - частота сигнала, смещенная эффектом Доплера; Δ=v/С - величина, которая выполняет функцию масштабирующего доплеровского множителя; v - относительная скорость движения источник-приемник и С - скорость распространения волны в среде. Во временной области изменение частоты сигнала эквивалентно изменению длительности сигнала (эффект временного сжатия-растяжения):

или

где T_s - длительность излученного сигнала, здесь T_r - длительность принятого сигнала после воздействия эффекта Доплера

Длительность сигнала или группы сигналов, необходимых для оценки влияния эффекта Доплера и входящих в сигнальный пакет, определяет затраты энергии на излучение и на обработку: чем длительность больше, тем выше энергетические затраты.

Известен метод определения доплеровского смещения, в котором для оценки Доплеровского смещения излучается узкополосный тональный (гармонический) сигнал на одной несущей частоте. Принятый сигнал преобразуют с использованием преобразования Фурье, получают спектр, выбирают сигнал с максимальной частотой, который соотносят со значением несущей частоты излученного для определения Доплеровского масштабирующего коэффициента и затем по известной зависимости (формула (1)) определяют величину Доплеровского смещения (Оппенгейм Э. Применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1980, 553 с.).

Недостатками данного метода является необходимость использования сигнала только одного вида - тональный сигнал или узкополосный гармонический сигнал на одной несущей частоте. Для того чтобы тональный сигнал мог обеспечить нужное разрешение по частоте и достаточное высокое отношение сигнал-шум на приемнике для реализации метода, необходимо использовать достаточно продолжительные во времени тональные сигналы. Как правило тональный сигнал размещают в начале сигнального пакета. Тональный сигнал имеет малое разрешение по времени и не может быть использован для оценки импульсной характеристики канала. Это означает, что в сигнальный пакет, состоящий из тонального сигнала и информационного сигнала, должен входить сигнал, измеряющий импульсную характеристику канала, что означает увеличение длительности сигнального пакета, а вместе с ней и увеличение энергетических затрат на излучение и обработку.

Применение в данном методе сложных сигналов, с помощью которых можно было бы измерить импульсную характеристику канала с удовлетворительным временным разрешением, затруднительно, так как энергия сигнала распределена по частотной полосе сложного сигнала, а не локализована на одной спектральной составляющей тонального сигнала, и, как результат, поиск максимума в частотном спектре принятого сложного сигнала может не соответствовать частотному максимуму излученного сложного сигнала.

Влияние эффекта Доплера на распространяющийся сложный сигнал приводит к смещению вместе с несущей частотой всей частотной полосы сложного сигнала. Таким образом, в частотной области спектры принятого и излученного сложного сигнала не совпадают друг с другом, а лишь пересекаются. Во временной области это эквивалентно тому, что длительность излученного сигнала не равна длительности принятого сигнала, что сказывается на качестве измерения импульсной характеристики канала. Если эффект Доплера не влияет на распространяющийся сложный сигнал, то применение операции «свертки» излученного с принятым сигналом, которая в частотной области эквивалентна перемножению спектров, даст максимальный по амплитуде результат, так как частотные спектры излученного и принятого сложного сигнала будут совпадать. Если эффект Доплера влияет на распространяющийся сложный сигнал, то применение операции «свертки» излученного с принятым сигналом даст меньший по амплитуде результат, так как частотные спектры излученного и принятого сложного сигнала будут не совпадать, а только пересекаться.

Известен способ оценки доплеровского смещения частоты сложного сигнала с применением операции «свертки», который принято называть методом функции взаимной неопределенности (ФВН). ФВН характеризует степень различия откликов согласованного фильтра (коррелятора) на сигналы с различной временной задержкой и частотой (Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М, Коломенский Ю.А., Ульяницкий Ю.Д. Радиотехнические системы: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Радиотехника». - М.: Радио и связь, 1990, 496 с.).

В данном способе в качестве излучаемых выбирают сложные сигналы, которые размещают в начале сигнального пакета, несущего полезную информацию. Для получения высокого разрешения по Доплеру используемые сложные сигналы должны удовлетворять следующим требованиям: 1) в принятом сигнале должно быть высокое отношение сигнал/шум; 2) произведение длительности излучаемого сигнала на частотную полосу должно быть больше единицы; и 3) форма функции неопределенности излучаемого сигнала должна иметь узкий пик по оси Доплеровского смещения. Всем этим требованиям удовлетворяют сложные сигналы, сгенерированные на основе шумоподобных кодов максимальной длины (сигналы на основе М-последовательности).

На приемной стороне с помощью излученного и принятого сигналов определяют ФВН. Определение ФВН выполняется в пределах предусмотренного допплеровского интервала, ширина которого определяется с учетом максимальной относительной скорости движения источник/приемник v_МАХ и скорости распространения волны С. Максимальное необходимое количество доплеровских «сечений» по оси доплеровского смещение частоты сигнала в пределах предусмотренного допплеровского интервала равно 2N+1, где N рассчитывают по формуле N=(v_MAX/С)(f₀/Δf_s), здесь Δf_s=1/T_s - разрешающая способность по частоте сложного сигнала; T_s - длительность сложного сигнала. Так как эффект Доплера может как увеличивать, так и уменьшать несущую частоту сложного сигнала, то отдельные доплеровские «сечения» равны f_k=f₀+k×Δf_s, где k=[-N, -(N-1),…, -1, 0,1,…, (N-1), N]. Таким образом, в обработке на приемной стороне участвует набор из N параллельных корреляторов, каждый из которых соответствует отдельному доплеровскому «сечению» ФВН f_k. В каждом корреляторе выполняется операция «свертки» принятого сигнала и излученного. При этом каждый отдельный коррелятор может быть сформирован из:

1) преобразованных в соответствии с различными доплеровскими «сечениями» f_k копиями излучаемого сигнала и неизменным принятым сигналом (п. США №8467269, МПК Н04В 11/00). Преобразование излучаемого сигнала заключается в изменение несущей частоты сложного сигнала на Δf_s×k, а вместе с ней и смещении частотной полосы сложного сигнала.

2) преобразованных в соответствии с различными доплеровскими «сечениями» f_k копиями принятого сигнала и неизменным излучаемым сигналом (Захаров Ю.В., Коданев В.П. Адаптивный прием сигналов в гидроакустическом канале связи с учетом доплеровского рассеяния // Акуст. Журн. - 1995. Т. 41, №2. - С. 254-259.; Курьянов Б.Ф., Пенкин М.М. Цифровая акустическая связь в мелком море для океанологических применений // Акуст. Журн. - 2010. Т. 56, №2, - С. 245-255).

Для определения доплеровского сдвига частоты сигнала выбирается коррелятор, который на выходе дает наибольший максимум, т.е. в котором частотная полоса спектра излученного и принятого сигнала имеет максимальную область пересечения (в наилучшем случае эти частотные спектры совпадают). Длительность составного сигнального пакета в этом случае минимальна.

Недостатками данного метода является затрата значительных энергетических ресурсов, так как для того чтобы произвести определение ФВН в ожидаемом диапазоне изменения Доплеровского смещения частоты сигнала с необходимым разрешением по Доплеровскому смещению частоты сигнала, требуется значительное количество корреляторов (Johnson М., Freitag L., Stojanovic М. Improved Doppler tracking and correction for underwater acoustic communications // in Proc. ICASSP ′97, Munich, Germany, Apr. 1997, рр. 575-578).

Наиболее близким к заявляемому способу измерения доплеровского смещения частоты сложного сигнала (эффекта временного сжатия-растяжения сигнала) является способ, в котором для оценки Доплеровского смещения излучают составной сигнальный пакет, в который входит «устойчивый» к эффекту Доплера сигнал, измеряют длительность принятого сигнального пакета и сопоставляют ее с длительностью излученного сигнала (Sharif В.S., Neashan J., Hinton О.R., Adams А.Е. А computationally efficient doppler compensation system for underwater acoustic communication // Oceanic Engineering, IEEE Journal of. - 2000. Vol. 25, №.1. - Р. 52-61).

Для осуществления способа используют сигнальный пакет, в начале и в конце которого размещают сигнал с линейной (логарифмической) частотной модуляцией (ЛЧМ-сигнал) х_ЛЧМ(t), «устойчивый» к эффекту Доплера, а в середине - сигнал x_M(t) (обучающий), с помощью которого оценивают импульсную характеристику канала, и информационный сигнал х_ИНФ(t), который на приемнике декодируют с помощью измеренной импульсной характеристика канала: s(t)=[х_ЛЧМ(t), x_M(t), х_ИНФ(t), х_ЛЧМ(t)]. Общая длительность одного ЛЧМ сигнала, «обучающего» сигнала и информационного сигнала равна T_s. Параметры (частотную полосу В и длительность Т) ЛЧМ-сигнала задают таким образом, чтобы он был «устойчивым» к эффекту Доплера. Для этого, используя функцию неопределенности ЛЧМ-сигнала и максимально ожидаемое доплеровское смещение несущей (центральной) частоты ЛЧМ-сигнала f_MAX, оценивают какой ширины должен быть частотный спектр ЛЧМ-сигнала, чтобы влияние f_MAX на него, т.е. сдвиг частотной полосы ЛЧМ-сигнала, привел к предварительно заданной площади пересечения (перекрытия) спектров излученного и измененного эффектом Доплера ЛЧМ-сигнала. В свою очередь отношение площади перекрытия (пересечения) спектров излученного и измененного эффектом Доплера ЛЧМ-сигнала к полному совпадению спектров излученного и не измененного эффектом Доплера сигнала, т.е единице, является критерием устойчивости к эффекту Доплера ЛЧМ-сигнала. Этот критерий устойчивости показывает, во сколько раз будет меньше по амплитуде результат «сверки» излученного и измененного эффектом Доплера ЛЧМ-сигнала относительно результата «сверки» излученного и не измененного эффектом Доплера ЛЧМ-сигнала.

Сигнал r(t), полученный на приемной стороне, подвергают операции «свертки» с излученным сигналом х_ЛЧМ(t):R_ЛЧM(τ)=r(t)⊗х_ЛЧМ(t). Полученная функциональная зависимость взаимной энергии сигналов от времени R_ЛЧM(τ) состоит из двух максимумов, которые разнесены относительно друг друга на величину, равную T_r, которая и является общей длительностью одного ЛЧМ-сигнала и информационного сигнала, измененной эффектом Доплера.

Измерив временной интервал между полученными максимумами R_ЛЧM(τ), получают длительность принятого сигнального пакета T_r, а сопоставив значения T_s и T_r (формула (2)), получают масштабирующий «доплеровский» множитель Δ, а затем и доплеровское смещение частоты сигнала.

Основным недостатком данного способа являются использование для измерения исключительно ЛЧМ-сигналов в начале и в конце сигнального пакета и обработка на приемнике с помощью операции свертки сигнального пакета с одиночным ЛЧМ-сигналом. Успешная реализация такого алгоритма оценки зависит от предварительно подготовленных и согласованных с ожидаемым максимальным доплеровским смещением частоты сигнала параметров ЛЧМ-сигнала, которые зависят от скорости относительного движения источник-приемник и скорости распространения волны в среде. К недостаткам также можно отнести тот факт, что при обработке на приемнике с помощью операции «свертки» используется не вся энергия принятого сигнала, а лишь та, которая определяется площадью пересечения спектров излученного и принятого сигнала. Как следствие результат применения операции «свертки» излученного и измененного эффектом Доплера принятого ЛЧМ-сигнала будет меньше по амплитуде, чем результат применения операции «свертки» излученного и не измененного эффектом Доплера принятого сигнала. Другим недостатком использования ЛЧМ-сигнала и применение операции «свертки» для измерения импульсной характеристики канала является необходимость компенсировать смещение времени распространения сигнала от источника к приемнику, вызванное влиянием эффекта Доплера и формой функции неопределенности ЛЧМ-сигнала. ЛЧМ-сигнал имеет приемлемое разрешение по времени, но уровень боковых лепестков по амплитуде относительно основного максимума достаточно высокий, поэтому качество оценки импульсной характеристики канала с помощью ЛЧМ-сигналов и операции «свертки» низкое. Это означает, что в сигнальный пакет, состоящий из ЛЧМ-сигнала и информационного сигнала, должен входить сигнал, измеряющий импульсную характеристику канала, что означает увеличение длительности сигнального пакета, а вместе с ней и увеличение энергетических затрат на излучение и обработку.

Задачей изобретения является разработка нового альтернативного способа оценки доплеровского смещения несущей частоты сигнала.

Технический результат - снижение энергетических затрат, расширение возможностей и упрощение способа за счет увеличения видов сложных сигналов для осуществления метода, а именно сложных сигналов, построенных на основе частотной и фазовой модуляции/манипуляции, и исключения предварительного согласования параметров сложных сигналов с ожидаемым максимальным доплеровским смещением несущей частоты сложного сигнала.

Предлагаемый способ оценки Доплеровского смещения частоты сложного сигнала включает излучение сигнального пакета, его прием и последующую обработку путем операции «свертки», определение по полученным данным длительности измененного эффектом Доплера принятого сигнального пакета, соотнесение длительностей времен излученного и принятого сигнальных пакетов, определение масштабирующего коэффициента и последующее определение Доплеровского смещения частоты сигнала по формуле f=(1+Δ)f₀, где f₀ - несущая частота сигнала; f - частота сигнала, смещенная эффектом Доплера; Δ=v/C - масштабирующий множитель, v - относительная скорость движения источник-приемник и С - скорость распространения волны, при этом в качестве излучаемого используют сигнальный пакет, включающий не менее двух одинаковых произвольно расположенных в пакете сложных сигналов, автокорреляционная функция каждого из которых имеет один максимум при нулевой сдвижке по временной оси, а обработку принятого сигнала осуществляют путем «свертки» с самим собой.

Использование в излучаемом сигнальном пакете для оценки Доплеровского смещения не менее двух произвольно расположенных в сигнальном пакете сложных сигналов, автокорреляционная функция каждого из которых имеет один максимум при нулевой сдвижке по временной оси, т.е. сложных сигналов, сгенерированных с помощью фазовой и частотной модуляции/манипуляции на основе псевдослучайных последовательностей или других кодов, совместно с операцией свертки с самим собой позволяет расширить количество используемых сложных сигналов, определить временной интервал, измененный эффектом Доплера (эффектом сжатия-растяжения), исключить предварительное согласование параметров сложных сигналов с ожидаемым максимальным доплеровским смещением несущей частоты сложного сигнала, получить выигрыш по амплитуде при обработке на приемной стороне, так как используются или «сравниваются» между собой два одинаковых измененных эффектом Доплера частотного спектра принятого сигнала, которые полностью совпадают друг другом.

В качестве сложных сигналов, с помощью которых измеряют доплеровское смещение несущей частоты сложных сигналов, можно использовать сложные сигналы, сгенерированные на основе фазовой манипуляции М-последовательностей тональных сигналов, с помощью которых можно измерять импульсную характеристику канала, т.е. в составной сигнальный пакет можно не включать дополнительные сигналы, предназначенные оценивать эффект Доплера, тем самым снизить энергетические затраты на излучение и обработку.

Способ осуществляют следующим образом.

Составляют излучаемый сигнальный пакет, который должен содержать не менее двух заявляемых сложных сигналов, при этом два или большее количество сложных сигналов могут произвольно размещаться как в начале сигнального пакета, так и в конце, или один из них может размещаться в начале сигнального пакета, а другой в конце сигнального пакета, более того одиночные сложные сигналы или группы сложных сигналов могут размещаться относительно друг друга через вполне произвольные временные интервалы.

На фиг. 1 приведен пример, в котором для наглядной иллюстрации приведено минимальное количество сложных сигналов, расположенных в сигнальном пакете самым простым образом. Так как эффект Доплера действует на все составляющие части сигнального пакета одинаково, то часть сигнального пакета, связанную с информацией х_ИНФ(t), опускаем. Излучают сигнальный пакет s₂(t)=[х(t), х(t)], в котором в качестве сложного сигнала х(t) используют фазоманипулированный М-последовательностью сигнал на гармонической несущей. T_s - длительность одной составляющей части излучаемого сигнального пакета х(t) является известной;

- принятый и измененный эффектом Доплера сигнальный пакет; T_r - длительность одной составляющей части принятого сигнального пакета

, которая является не известной, так как на нее повлиял эффект Доплера.

На приемной стороне к принятому сигнальному пакету r₂(t) применяют операцию «свертки» пакета с самим собой: R_rr(τ)=r₂(t)⊗r₂(t). Получаем функциональную зависимость взаимной энергии сигналов от времени R_rr(τ), состоящую из двух максимумов, которые разнесены относительно друг друга на величину, равную именно T_r, которая и является длительностью одной составляющей части принятого сигнального пакета

.

Зная длительность составной части излучаемого сигнального пакета T_s и измеренную длительность составной части принятого сигнального пакета, рассчитывают масштабирующий «доплеровский» множитель Δ=v/С и затем величину Доплеровского смещения несущей частоты сигнала.

Способ экспериментально проверен в бухте Витязь на акустогидрофизическом полигоне ТОИ ДВО РАН м. Шульц (Приморский край).

На фиг. 2 приведена схема эксперимента и гидрологические условия в бухте Витязь, где 2а - географическая схема эксперимента: пунктирная линия - траектория перемещения излучателя; светло-серые ромбики - географические координаты точек измерения вертикальных профилей скорости звука; темно-серый круг - географические координаты приемника; 2б - вертикальные профили скорости звука.

Приемник был установлен в 1 м от дна при глубине моря 10 м и на расстояние 50 м от берега. В качестве источника сигналов использовали цилиндрический пьезокерамический излучатель. Характеристики излучателя позволяют работать с широкополосными сигналами на центральной частоте 2 кГц. Излучатель был свешен с яхты, которая перемещалась по заданной траектории в течение всего эксперимента. Географические координаты траектории движения регистрировались системой GPS. Используя данные системы GPS, которая измеряет координаты движения источника каждую секунду, были рассчитаны: изменение дистанции от приемника до источника, азимут между приемником и излучателем и относительная скорость движения приемник-источник v_GPS. Для того чтобы точка излучения держалась на одном горизонте, излучатель был снабжен подводным крылом. Измерения проводились в течение 2 ч.

Яхта двигалась по траектории треугольника - на удаление от приемника, параллельно приемнику и навстречу приемнику (фиг. 2а). Вертикальные профили скорости звука (ПСЗ), представленные на фиг. 2б, были измерены в точках, указанных серыми ромбиками на рис. 2а, в начале и в конце эксперимента.

Для того чтобы провести сравнение заявляемого способа с известными способами измерения доплеровского смещения частоты сигнала, был специально сгенерирован составной сигнальный пакет s_ПАКЕТ(t), который состоял из блока сложных сигналов s(t) (длительностью около 2 с), секундной паузы и тонального сигнала на несущей частоте 2 кГц х_ТОН(t) (длительность 2 с): s_ПАКЕТ(t)=[s(t), 0, x_TOH(t)].

Блок сложных сигналов состоял из двух ЛЧМ сигналов х_ЛЧМ(t) (центральная частота 2 кГц, полоса от 1,6 до 2,4 кГц, длительность одного ЛЧМ сигнала 0,2 с), расположенных в начале и конце блока, и двух М-последовательностей на несущей x_M(t) (длина последовательности 255 символов, f₀=2 кГц, на один символ последовательности приходится 4 периода несущей частоты, длительность одной М-последовательности на несущей 0,51 с), расположенных в центре блока:

Обработка тональных сигналов во всех пакетах выполнялась в соответствии с (Оппенгейм Э. Применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1980, 553 с.).

Обработка блока сложных сигналов и последующая оценка масштабирующего коэффициента Δ проводилась в соответствии со способом, предложенным в прототипе, и в соответствии с заявляемым способом.

Для того чтобы избежать путаницы при сопоставлении оценок одной и той же физической величины (доплеровского смещения несущей частоты f) результаты оценок, соответствующие различным подходам, были обозначены как указано в таблице. Для преобразования относительной скорости движения v_GPS в доплеровское смещение несущей частоты использовались следующие значения: f₀=2 кГц и среднее значение скорости звука в волноводе С=1513,87 м/с.

На фиг. 3 приведены результаты обработки сигнального пакета с помощью заявляемого способа и измерений системы GPS. Сопоставление результатов измерения частоты, Гц (f): а) (серые крестики) f_T - доплеровское смещение частоты сигнала, полученное с помощью заявляемого способа, f_GPS - доплеровское смещение частоты сигнала, полученное с помощью данных GPS; б) (серые крестики) f_Тон - доплеровское смещение частоты сигнала, полученное с помощью тональных сигналов, (черные точки) f_GPS - доплеровское смещение частоты сигнала, полученное с помощью данных GPS; в) оценка точности акустических измерений доплеровского смещения несущей частоты сигнала относительно данных GPS (серые крестики) |f_GPS-f_T| и (черные точки) |f_GPS-f_Тон|.

На фиг. 4 приведены результаты обработки сигнального пакета с помощью ЛЧМ-сигналов и измерений системы GPS. Сопоставление результатов измерения частоты, Гц: а) (серые крестики) f_ЛЧМ - доплеровское смещение несущей частоты сигнала, полученное по способу прототипу, использующем ЛЧМ-сигнал, и (черные точки) f_GPS - доплеровское смещение, полученное по данным GPS; б) оценка точности акустических измерений доплеровского смещения несущей частоты сигнала по способу-прототипу относительно данных GPS (серые крестики) |f_GPS-f_ЛЧМ| и оценка точности акустических измерений доплеровского смещения несущей частоты сигнала, полученная с помощью заявляемого способа, |f_GPS-f_T| (черные точки).

Графическое сопоставление полученных результатов f_GPS с f_T и f_Тон приведено на фиг. 3а и 3б. Как видно из данных графиков оценки доплеровского смещения частоты, полученные различными подходами, дают близкие значения. Отсутствие отдельных значений f_T и f_Тон связано с довольно высокими уровнями шума, вызванными перемещением нескольких туристических катеров на акватории. Сравнения точности оценок между акустическими методами относительно измерений GPS |f_GPS-f_Тон| и |f_GPS-f_T| приведено на фиг. 3в.

Результаты сопоставления точностей акустических методов f_T и f_Тон относительно f_GPS показали, что обе методики дают близкие друг к другу оценки (среднеквадратическое отклонение 〈|f_GPS-f_Тон|〉=0,273 Гц, 〈|f_GPS-f_T|〉=0,270 Гц; процентное соотношения количества непригодных к акустической обработке пакетов к общему числу принятых пакетов N[f_Тон]=16%, N[f_T]=20%).

На фиг. 4 изображено сопоставление оценок доплеровского смещения f_ЛЧМ и f_GPS, а также |f_GPS-f_T| и |f_GPS-f_ЛЧМ|. Анализ точности f_ЛЧМ относительно f_GPS дал следующие значения: 〈|f_GPS-f_ЛЧМ|〉=0,304 Гц, N[f_ЛЧМ]=30%. На фиг. 4а представлено сопоставление оценок, полученных с помощью методик, описанной в прототипе и заявляемом способе, а на фиг. 4б представлены сравнения точности оценок между акустическими методиками, описанными в прототипе и заявляемом способе, относительно измерений GPS |f_GPS-f_Тон| и |f_GPS-f_T|.

Таким образом, представленные теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение подтверждают возможность осуществления измерения доплеровского смещения частоты сигнального пакета, вызванное движением источника звука, с использованием предлагаемого способа, в котором в качестве излучаемого сигнала используют сигнальный пакет из не менее двух одинаковых произвольно расположенных в пакете сложных сигналов, автокорреляционная функция каждого из которых имеет один пик при нулевой сдвижке по временной оси, а обработку принятого сигнала осуществляют путем «свертки» с самим собой.

Claims

Способ оценки Доплеровского смещения частоты сложного сигнала, вызванного движением источника и/или приемника, включающий излучение сигнального пакета, его прием и последующую обработку путем операции «свертки», определение по полученным данным длительности измененного эффектом Доплера принятого сигнального пакета, соотнесение длительностей времен излученного и принятого сигнальных пакетов для определения масштабирующего коэффициента и последующее определение Доплеровского смещения частоты сигнала по формуле f=(1+Δ)f₀, где f₀ - несущая частота сигнала; f - частота сигнала, смещенная эффектом Доплера; Δ=v/C - масштабирующий множитель, v - относительная скорость движения источник-приемник и C - скорость распространения волны, при этом в качестве излучаемого используют сигнальный пакет, включающий не менее двух одинаковых произвольно расположенных в пакете сложных сигналов, автокорреляционная функция каждого из которых имеет один максимум при нулевой сдвижке по временной оси, а обработку принятого сигнала осуществляют путем «свертки» с самим собой.