Результаты аналитических, модельных и экспериментальных исследований использования мультистатики и просветного метода

Цитирование: Стародубцев П. А. Результаты аналитических, модельных и экспериментальных исследований использования мультистатики и просветного метода / П. А. Стародубцев, И. М. Маргулис, Г. В. Дорофеев // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2026, 19(5). С. 653–665. EDN: DBKJIR

Как показал проведенный анализ процесса формирования пространственной структуры стационарных, позиционных, мобильных систем подводного наблюдения, в основном он направлен на повышение точности проводимых измерений, их информативности, простоты математической реализации и конструктивного устройства [1].

Все это позволяет выделить МС как приоритетное направление, которое совершенствуется за счет расширения частотного диапазона, перехода функционирования на шумоподобные сигналы, отстройку от реверберационной помехи и внедрения активно-пассивных многопозиционных систем.

Просветным методом (ПМ) в гидроакустике считают метод мониторинга полей физических явлений и объектов, основанный на закономерностях нелинейного взаимодействия акустических просветных волн с информационными волнами различной физической природы.

Реализация просветного метода с расчетом «функции спектра разности фаз принятых просветных сигналов» (д.т.н. Мироненко М. В., 1972 г.) или «функции разности фаз спектра просветных сигналов» (д.т.н. Стародубцев П. А., 2005 г.») позволяет провести распознавание (классификацию) объектов и мониторинг водной среды в широком диапазоне частот.

Самая простая МС состоит из 1 мощного излучателя и 2 горизонтально разнесенных приемников. В этом случае элементы позиционирования не являются главными, и приоритетность переходит к процессам распознавания и мониторинга водной среды, а точнее, к реализации теории ПМ. В противном случае, когда «много приемников и излучателей», процедура их позиционирования и идентификации объектов становится определяющей (МС) [2].

Как видно из данных рассуждений, положительным для просветного метода является:

– возможность проведения распознавания (классификации) обнаруженных по спектру разности фаз объектов;

– отсутствие необходимости наличия системы навигационной ориентации в пространстве и проведения масштабных расчетов «функции спектра разности фаз принятых просветных сигналов» или «функции разности фаз спектра просветных сигналов»;

– отрицательным при реализации просветного метода является отсутствие идентификации с определением только области возможного положения объекта и без направления на него.

Однако многолетние исследования выявили ряд принципиальных трудностей фундаментального и технического характера при обработке сигналов, присущих мультистатическому режиму работы гидроакустических средств.

В основном эти трудности связаны с тем, что исчерпывающая информация для проведения идентификации, получается только при многоракурсном облучении исследуемой акватории.

Вследствие этого чрезвычайно трудоемкого и высокой стоимости процесса, несмотря на очевидную научную, прикладную и экономическую ценность МС, его использование не вышло за рамки отдельных экспериментов и не получило необходимого развития.

Это потребовало новых исследований модельного характера процессов обработки сигналов, их идентификации в МС и распознавания в ПМ на базе «синхронизации спектральных компонент (СК) (в МС) и расчета спектра их разности фаз (в ПМ)» [2].

Дополнительно был разработан совместный алгоритм, объединяющий этапы реализации МС и ПМ при обработке сигналов, построения системы, идентификации объектов, распознавания объектов и мониторинга морской среды (рис. 1) [2, 3].

Мульти статическая система (МС)

W «Соотнесение полученного эхо-сигнала номеру станции, определение места объекта» без его классификации = обнаружению этап реализации «идентификация»

этап реализации «создание структуры системы»

Просветный метод (ПМ)

Базовые понятия формирования МС (ПМ)

«Распознавание объектов и мониторинг среды» без элементов их позиционирования = обнаружению этап реализации «мониторинг водной среды»

этап реализации «распознавание объектов»

Рис. 1. Совместный алгоритм, объединяющий этапы реализации МС и ПМ

Fig. 1. A joint algorithm that combines the implementation stages of MC and PM

Исторически [4, 5] прототип МС на акватории Дальневосточных морей был реализован на основе просветного стационара (ПрС) «остров Сахалин – остров Итуруп» (Охотское море) (1972 г.) и функционировал достаточно долгое время, решая народно-хозяйственные задачи и оборонные проблемы (рис. 2).

На базе данного ПрС, проведя дополнительные конструктивные изменения, технологически и технически возможно реализовать один из вариантов МС, а именно активно-пассивную МС [3, 4], пространственно состоящую из одного мощного стационарного (И) и двух горизонтально-разнесенных (Пр), добавив операционно-вычислительный центр, находящийся в месте установки пассивных приемников, где конечным параметром его работы будет синхронизация СК

Рис. 2. Гидроакустическая трасса о. Итуруп – о. Сахалин, длиною 350 км

Fig. 2. Hydroacoustic route from Iturup to Sakhalin, 350 km long

Рис. 3. Просветный стационар «остров Сахалин – остров Итуруп» (1, 2 и 3 – гидроакустические приемники)

Fig. 3. The Sakhalin-Iturup lighthouse (1, 2, and 3 are hydroacoustic receivers)

просветных сигналов (ПС) (для МС и ее позиционирования), расчет разности фаз СК (Δφ f ) (или спектра разности фаз) для ПМ и распознавания объектов и физических явлений (рис. 3).

Несмотря на простоту предложенного решения, все его элементы рассмотреть одновременно будет достаточно сложно, поэтому в данной научной статье будут представлены только аналитические выводы отношения «параметра связи» (ε) [6, 7] к некоторым видам синхронизации СК хаотических сигналов в МС и для проведения индентификации СК. В дальнейшем это может использоваться для построения МС и проведения распознавания всей структуры СК ПС.

В современной теории нелинейных колебаний процесс выбора «параметра связи» (ε) обосновывается следующим образом [8]. За (ε) берется функциональная зависимость, обратно пропорциональная произведению осредненного значения круговой частоты (о) «какого-то участка» спектра сигнала одного хаотического осциллятора, умноженная на временной сдвиг (τ) относительно осредненного значения круговой частоты (о) «такого в точности участка» второго хаотического осциллятора (или наоборот) (1).

e ~ (o) 1 - T (1)

Результаты численного анализа формулы (1) и [5–8] показаны на рис. 4, а именно: результаты расчета разности фаз Δφ f (2) СК от частоты (f), связь фазовой синхронизации с лаг-синхронизацией, зависимость лаг-синхронизации от τ (2).

Аф/ = Ф/1 (У) - Ф/2 (/) = 2л • т • /,                                           (2)

где φ f 1 ( f ) – фаза первого осциллятора; φ f 2 ( f ) – фаза второго осциллятора; f – значение частоты, для которой рассчитывается фаза и разность фаз.

По результатам анализа графика на рисунке 4 можно отметить следующее (для идентификации сигнала в МС):

• –    достаточно просто проследить процесс перехода из режима фазовой синхронизации в режим лаг-синхронизации и наоборот, если знать функциональную зависимость изменения (τ);

• –    график режима лаг-синхронизации представляет собой прямую линию;

• –    угол наклона графика режима лаг-синхронизации определяется по формуле К ≈ 2π ∙ τ и зависит от (τ);

• –    «широта» режима фазовой синхронизации относительно графика лаг-синхронизации также зависит от (τ) и проявляется в отклонениях от него;

• –    при ↑ τ будет ε ↓, что приведет к переходу из режима лаг-синхронизации в режим фазовой синхронизации (при больших значениях ε) или выходу из режима фазовой синхронизации и полной рассинхронизации СК хаотических осцилляторов (при малых значениях ε);

• –    чем меньше К , тем дольше будет выполняться режим фазовой синхронизации хаотических осцилляторов и позже наступать режим лаг-синхронизации;

• –    наиболее предпочтительным для работы системы в целом является вариант нахождения ее в режиме фазовой синхронизации, но практические системы (МС) в таком случае будет реализовать достаточно сложно по причине необходимости наличия малых погрешностей δ f измерения частоты ПС;

• –    в случае быстрого перехода системы из режима фазовой синхронизации в режим лаг-синхронизации будет наблюдаться неустойчивость работы МС в целом (пространственное расположение И и Пр). Весь процесс циклической смены режимов синхронизации можно наглядно представить на рис. 5 [5–8].

В то же самое время для ряда систем (прежде всего так называемых систем с плохо определенной фазой [9, 10]) описание явления фазовой синхронизации хаотических осцилляторов с помощью фазы φ( t ) может приводить к некорректным результатам. В интерпретации решения научной задачи, поставленной в данной статье, такой некорректностью является отсутствие учета стабильности выработки частоты δ f генераторами излучателей МС.

Имея это в виду, рассмотрим ситуацию, в которой будут учитываться условия формирования сигнала, процесс его распространения в морской среде, условия приема и не хаотичность всей системы в целом, а детерминированная хаотичность СК сигнала относительно заданного положения равновесия в конкретных ситуациях.

За положение равновесия возьмем ((Э^), за детерминированную хаотичность СК – δ f , а за (ε) – функциональную зависимость, обратно пропорциональную произведению осреднен-ного значения круговой частоты (ю) «какого-то участка» спектра сигнала одного хаотического осциллятора, умноженную на временной сдвиг τ относительно осредненного значения круго- – 658 –

Рис. 4. Результаты расчета разности фаз СК от частоты, связь режима фазовой синхронизации с режимом лаг-синхронизации, зависимость лаг-синхронизации от времени сдвига (для СК просветных сигналов МС)

• Fig. 4.    Results of calculation of the phase difference of the SK from the frequency, the connection of the phase synchronization mode with the lag synchronization mode, the dependence of the lag synchronization on the shift time (for the SK of the MS transmissive signals)

Рис. 5. Круговая диаграмма смены режимов синхронизации в декартовой системе координат в зависимости от «параметра связи» – ε

• Fig. 5.    Circular diagram of synchronization mode changes in the Cartesian coordinate system, depending on the “link parameter” – ε

вой частоты (о) «такого в точности участка» второго хаотического осциллятора (или наоборот) (3), но измененную на ±2πδ f [10].

£ ~ (((')) = 2ж5/') 1 •! '.                                                                   (3)

Следствия анализа формулы (3) и детерминированной хаотичности СК сигнала относительно заданного положения равновесия ((Э^) в конкретных ситуациях показаны на рис. 6.

Из рис. 6 видно, что для решения задачи учета условий формирования сигнала, процесса его распространения в морской среде, условий приема, детерминированной хаотичности СК относительно заданного положения равновесия в конкретных ситуациях, а главное, это получения максимальной достоверности проведения режима синхронизации при реализации МС, можно использовать области устойчивой фазовой синхронизации и оптимальных условий проявления лаг- и фазовой синхронизации [9].

При этом область оптимальных условий для решения поставленной в статье научной задачи является предпочтительной.

Для МС когерентная компонента на одной приемной антенне (Пр) представляет собой детерминированный процесс либо полностью известный, либо с неизвестными параметрами. Такой подход можно считать особенностью предлагаемого алгоритма обработки нескольких сигналов в точке приема, а именно: в точку приема через радиоканал поступает детерминированный шумоподобный сигнал с хаотическими дискретами и квазидетерминированный шумоподобный сигнал, прошедший через волновод и представленный поверхностным, донным и водным сигналами, несущий в себе информацию о характеристиках изначального сигнала, среде распространения и обнаруженном объекте. Если в точке приема для режима бистатики или МС провести режекцию для сравнения исходного сигнал с сигналом, прошедшим через

Направление изменения процесса синхронизации в целом

— при X у 8f

Направление изменения процесса синхронизации в целом

Область :

-неоптимальных условий проявления лаг — синхронизации СК и устойчивой фазовой синхронизации СК;

• -    наибольшей вероятности выхода из синхронизации СК;

• -    максимальной

достоверности результатов фазовой синхронизации СК.

Область: оптимальных условий проявления лаг и фазовой синхронизаций при ^СУ> близкой к реальной частоте <4. спектральной компоненты и ошибке равной ±8f

Область :

-оптимальных условий проявления лаг — синхронизации СК и неустойчивой фазовой синхронизации СК;

• -    наибольшей вероятности перехода к полной синхронизации СК;

• -    минимальной

достоверности результатов лаг-синхронизации СК.

Оптимальные условия работы системы в целом при синхронизации СК

Неоптимальные условия работы системы в целом при синхронизации СК

-38f        -28f       -Sf

<«>„               +2^

<®k 2

—►

+ nSf

Рис. 6. Следствия работы системы синхронизации при учете детерминированной хаотичности спектральных компонент сигналов относительно заданного положения равновесия и ошибках

Fig. 6. Consequences of the synchronization system operation when taking into account the deterministic chaos of the spectral components of the signals relative to the specified equilibrium position and errors волновод и представленный поверхностным, донным и водным сигналами, то можно получить первичный сигнал, в котором не будут присутствовать хаотические дискреты детеминирован-ного исходного шумоподобного сигнала.

Теперь на базе первичного сигнала путем передачи его по радиоканалу в точку излучения можно сформировать вторичный зондирующий сигнал, несущий в себе информацию так же, только об обнаруживаемом объекте и среде распространения. Как показывает опыт моделирования, дискреты первичного и вторичного сигналов от цели будут квазикоррелированы (в рамках лаг-синхронизации), а от среды распространения некоррелированы (в рамках фазовой синхронизации).

Это дает возможность получить спектр разности фаз спектральных компонент на одном приемнике и сформировать «портрет» обнаруженного объекта.

Результаты экспериментальных исследований процесса обработки сигналов, их распознавания в ПМ на базе метода «расчета спектра разности фаз ПС»

Для проверки гипотезы возможности синхронизации СК ПС (модельная идентификация в МС) и расчета спектра разности фаз СК (распознавание в ПМ) были использованы основные характеристики просветного стационара (ПрС) «остров Сахалин – остров Итуруп» (Охотское море) (1972 г.) и условия проведения эксперимента (рис. 2) [11].

Излучающая донная база была установлена на шельфе о. Итуруп, две приемные донные базы, разнесенные вдоль свала глубин на расстояние 5 км, – на шельфе м. Левенорна. Таким образом, был сформирован упрощенный вариант реализации ПМ (распознавание объектов и мониторинг водной среды).

Это усложняет обнаружение информационных (идентифицированных в МС) сигналов в условиях помех среды и нестабильности канала распространения ПС [12].

Проведя оценку флюктуаций фазы сигнала заданной частоты для отдельных мод, было обнаружено, что они соответствуют характерной экспериментальной ситуации. Выражение скорости звука для двух границ волновода можно записать в виде следующей эмпирической формулы (4)

где I и Г ; C 1 и С' 1 - величины, выражающие толщину волновода и значения скорости звука на его границах для Z<0 Z>0 соответственно. Оценка проводится для случая, когда ось волновода находится на глубине z=0, I' =30 м, I = -160 м, C 1 =1475 м/с, C' 1 =1460 м/с, C₀=1451 м/с, f =400 Гц. Если принять, что движущийся вблизи оси канала объект перемешивает слой воды толщиной 30 м, то значения собственных чисел для данной ситуации запишутся в следующем виде (5)

m – номер моды колебаний сигнала.

Флюктуации фазы моды номера « m » относительно случая невозмущенного акустического канала равны (6) [13]

где Δ в – размер области возмущения, принимающий значения 30 м в пределах 1 км; χ`_m – собственное число моды номера m в возмущенном волноводе. При Δ в =30 м получим |Δφ 1,2 |=1,26 рад; |Δφ 2,3 |=1,1рад; |Δφ 3,4 |=0,93 рад. Расчеты на ПЭВМ для данной ситуации показали, что при таких флюктуациях фаз между модами сигнала возникают флюктуации амплитуд в суммарном сигнале. Их величина достигает порядка 5–10 дБ, что подтверждается результатами, приведенными в [8].

На рис. 7 приведены спектр и спектрограмма флюктуаций фаз искаженных объектом сигналов с горизонтально разнесенных приемников донной антенны [13].

Из результатов видно, что пересечение объектом просветного стационара сопровождается возникновением в спектрах устойчивых СК, которые могут быть эффективно использованы для его регистрации. В этом случае первичным является распознавание и мониторинг среды. После режекции спектра в ПМ возможен расчет спектра разности фаз, что тождественно обнаружению объекта.

Протяженность стационара в этом случае составляет 20 км, частота сигнала подсветки – 388 Гц, расстояние между одиночными приемниками – 200 м. Аналогичные испытания были проведены на трассах протяженностью 30, 45, 60, 210 и 350 километров (характеристика МС) [14].

Следует отметить, что рассматриваемый просветный стационар при дополнении его другими средствами морского приборостроения Специальным конструкторским бюро средств автома-

Рис. 7. Спектрограмма флюктуаций фазы сигналов подсветки среды, искаженных движущимся объектом (приемник на дне, излучатель в дрейфе)

Fig. 7. Spectrogram of phase fluctuations of the medium illumination signals distorted by a moving object (receiver at the bottom, emitter in drift)

тизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН позднее эффективно использовался на акватории, разделяющей Охотское и Японское моря, при проведении комплексных исследований: сейсмического наблюдения; гидродинамических возмущений, неоднородностей среды и полей объектов различной физической природы.

Заключение

В гидроакустике идентификация МС и ПМ связана через использование закономерностей нелинейного взаимодействия волн. Но эти понятия относятся к разным аспектам: первое – это идентификация объектов с позиционированием, второе – мониторинг полей водной среды. Первое – дает количественные характеристики объекта (физического явления), второе – качественные.

Исходя из этого авторы статьи предложили проблемы идентификации и сложности формирования пространственной структуры МС заменить на более простой подход (аналог): распознавание (идентификацию, классификацию) объектов и мониторинг водной среды ПМ в широком диапазоне частот.

При проведении расчетов использовать более простой математический аппарат проведения расчетов «функции спектра разности фаз принятых просветных сигналов» или «функции разности фаз спектра просветных сигналов».

Понятие «обнаружение» считать для:

• –    МС – это идентификация с соотнесением полученного эхо-сигнала номеру ГЛС, его сформировавшей, с определением настоящего места объекта и направления на него (П – пеленг или КУ – курсовой угол);

• –    ПМ – это распознавание (классификация) обнаруженных по спектру разности фаз объектов без идентификации и элементов их пространственного позиционирования.

Таким образом, ПМ обеспечивает возможность дальнего обнаружения «акустически слабозаметных» морских объектов по признакам их полей различной физической природы, а идентификация МС осуществляется по характерным признакам спектров и пространственновременной динамики принимаемых информационных сигналов.

Значит, МС в практике применения – это сложная многоступенчатая архитектура позиционирования объектов, а ПМ – это многоэтапная схема их распознавания.

Или теория просветной гидроакустики есть научное направление, которое объединяет гидрофизику, геофизику и радиофизику. Оно позволяет решать задачи дальнего и сверхдальнего параметрического приема волн малых амплитуд различной физической природы.

Мультистатическая схема – это стационарное просветное гидроакустическое поле, которое используется для мониторинга акваторий. Схема основана на измерении разности фаз спектральных компонент акустических сигналов, которые принимаются на пространственно-разнесенные приемники.

Для подтверждения всего вышеизложенного (как отмечают авторы статьи) это требует новых исследований модельного характера процессов обработки сигналов, их идентификации в МС и распознавания в ПМ на базе «синхронизации спектральных компонент» и «расчета спектра их разности фаз».