بخشی از مقاله
چکیده
امروزه آرایههاي آنتنی به علت دامنه وسیع کابردشان از سیستمهاي سونار، رادار، مخابرات سیار گرفته تا سیستمهاي پردازش امواج زلزله و مهندسی پزشکی، بسیار مورد توجه هستند. در واقع هر مسألهاي که با تخمین جهت سیگنال دریافتی - DOA - سروکار داشته باشد به نوعی با آرایههاي آنتنی سروکار دارد.
تعیین مکان در آرایهها با الگوریتمهاي پردازش سیگنال صورت میپذیرد. این الگوریتمها در دو دسته سنتی و وفقی جاي می-گیرند. هر کدام از این روشها مزایا و معایب خود را دارند. در مجموع روشهاي سنتی نسبت به خطاهاي مدلسازي حساسیت کمتري دارند و در مقابل روشهاي وفقی،که پس از روشهاي سنتی معرفی شدند، از تفکیکپذیري بالاتر و دقت بیشتري برخوردار بوده و نیز در عدم پذیرش تداخلها موفقترند.
در این مقاله پس از بیان اصول کلی اکوستیک زیرآب و سیستمهاي سونار، الگوریتمهاي پردازش سیگنال به تفصیل بررسی میشوند. در مرحله بعد شرایط آبهاي کمعمق مورد مطالعه قرار میگیرد و در نهایت با ارایه و شبیه سازي تئوري الگوریتم مناسبی که قابلیت آشکارسازي اهداف زیرسطحی را براي سونار، در شرایط محیطهاي کمعمق و شرایط پرانعکاس مهیا سازد، نتیجهگیري نهایی انجام میشود.
مقدمه
موضوع تخمین مکان سیگنال دریافتی بهوسیلهي آرایههاي آنتنی و با استفاده از الگوریتمهاي پردازش سیگنال از دیرباز تا کنون مرکز توجه تحقیقات بسیاري بوده است. از آنجاکه در این مقاله تخمین مکان سیگنال دریافتی در سیستمهاي سونار مورد بررسی قرار میگیرد، در این بخش با بیان اهمیت موضوع و سیر تحولات آن در تاریخ خود، یک دیدگاه کلی در مورد مسأله ارائه می-شود.
با پیشرفت گسترده سیستمهاي کامپیوتري و تکنیکهاي مختلف پردازش سیگنالهاي دیجیتال - DSP - ، مرتباً بر کاربردهاي مختلفی که در مورد مسأله تعیین مکان سیگنال دریافتی روشهاي مختلفی معرفی و استفاده شدهاند. هرکدام از این روشها بنا به مزایا و معایب خود، به منظور افزایش کارایی سیستم مورد استفاده در مسأله خاصی بهکار میروند. بدیهی است شناخت ویژگیها و محدودیتهاي شرایط مساله مورد نظر و نیز نقاط قوت و ضعف روشهاي مختلف موجود، به بازدهی هر چی بیشتر سیستمهاي مورد استفاده کمک میکند.
حوالی آغاز قرن بیستم اولین کاربرد علمی اکوستیک زیرآبی آغاز شد. این کاربرد یک زنگ زیرآبی بود که با اندازهگیري زمان بین صوتی که به وسیله زنگ و صوتی که به وسیله شیپور ارسال میشد، یک کشتی میتوانست فاصله خود را از کشتی فانوسدار تعیین کند. تحولات بهوجودآمده در پردازش سیگنال هم از نظر زمانی و هم از نظر ظرفیت انتقال اطلاعات که در نتیجه ادغام کامپیوترها و پردازشکنندههاي دیجیتال بهدست آمد، موجبات پیشرفت سیستمهاي سونار را فراهم آورد؛ در این مقاله استفاده از الگوریتمهاي پیشرفته تخمین مکان هدف به وسیله سونار در شرایط خاص آبهاي کمعمق، به عنوان مسألهاي که در مقالات کمتر مورد بررسی قرار گرفته است، مدنظر است.
در این بخش نحوه عملکرد الگوریتمها بررسی و نقاط ضعف و قوت آنها بیان شده است. در بخش بعدي مشخصات و شرایط خاص محیطهاي کمعمق مورد مطالعه قرار میگیرند تا مشخصات الگوریتمی که پاسخگوي این شرایط باشد روشن شود.
مدلسازي انتشار امواج
اساس کار یک سونار فعال در آشکارسازي هدف، بر شناسایی موج برگشتی ناشی از سیگنال تابیده شده به یک هدف است.
ساختار کلی چنین رفتاري در شکل1 نشان داده شده است.
شکل: 1 نماي کلی انتشار موج از منبع به سوي هدف در محیط آب[12]
دریا و یا به صورت کلی محیطهاي وسیع آبی داراي شرایط مرزي و ناهمگنیهاي مختلفی هستند. این ناهمگنیها ناشی از ناپیوستگیهاي فیزیکی محیط آب است که سبب بازگشت و یا اتلاف موج تابیده شده به محیط میگردد که به آن طنین میگوییم.
این اثر به صورت زوزهاي میراشونده از پالس تابیده شده به گوش میرسد که اثرات منفی و نامطلوبی در شناسایی یک هدف بر جاي میگذارند. به صورت کلی سه نوع طنین مختلف در یک محیط آبی وجود دارد. نوعی از طنین و یا پراکنش که ناشی از حجم آب است و به سبب حضور عواملی چون حیات دریایی، نظیر گلههاي ماهی و سایر جانداران و یا ذرات معلق در آب و یا ناپیوستگیهاي موجود در حجم آب، نظیر حبابهاي هوا، حاصل میشود و طنین حجمی1 نامیده میشود. نوع دیگر ناپیوستگیها ناشی از عوامل سطحی ، نظیر حبابهاي سطحی و جریانهاي آشوبناك سطحی و ناپیوستگیهاي جریانهاي گردابی سطحی ایجاد میشود و طنین سطحی نام دارد.
همچنین به صورت مشابه طنین کف نیز قابل تعریف است. منابع مهم طنین در مرجع اول به خوبی معرفی شدهاند.
کل مسائل موجود در شاخه اکوستیک زیرآبی در سه نوع مدلسازي وسیع جاي میگیرند: مدلهاي محیطی، مدلهاي اساسی اکوستیکی و مدلهاي عملکرد سونار .
دسته اول- مدلهاي محیطی- الگوریتمهاي تجربی را در برمیگیرد که به شناخت هرچه بیشتر شرایط مرزي - سطح و کف - واثرات حجمی محیط دریا کمک میکند. این مدلها، به عنوان مثال، سرعت صوت، ضرایب جذب، اتلافهاي انعکاس سطح ، کف و قدرت پراکندهسازي حجم دریا - واسطه انتشار صوت - شامل میشود.
دسته دوم- مدلهاي اساسی اکوستیک- به انتشار - اتلاف انتقال - ، مدلهاي نویز و پژواك صدا٤ میپردازد.
دسته سوم- مدلهاي عملکرد سونار- از مدلهاي محیطی، مدلهاي اساسی اکوستیک و مدلهاي مناسب پردازش سیگنال تشکیل شده است. مدلهاي عملکرد سونار به منظور حل مسائل کاربردي خاص سونارها مانند آشکارسازي زیردریایی، کشف و خنثی-سازي مین، ردیابی ضد دریاییها و ژرفاسنجی صوتی سازماندهی شدهاند.
شکل:2 روابط کلی مدلهاي محیطی، مدلهاي اساسی اکوستیک و مدلهاي پردازش عملکرد سونار
شکل2 روابط میان این سه دسته گسترده مدلها را نشان میدهد. وقتیکه کاربردها سیستم را بیشتر و بیشتر خاص میکند
- یعنی هنگامیکه از مدلهاي محیطی به سمت مدلهاي عملکرد سونار پیشرفت میکنیم - ، مدلهاي مربوطه در کاربرد کمتر عمومی میشوند. این مسأله نتیجه آن است که مشخصههاي یک سیستم خاص که در مدلهاي سطح بالاتر قرار گرفته است - یعنی مدلهاي پردازش سیگنال - کاربرد مدلها را به سیستمهاي سونار خاصی محدود میکند. بنابراین در حالیکه یک مدل انتشاري تنوع وسیعی از کاربردها را در برمیگیرد، هر مدل عملکرد یک سونار خاص، با طراحی، نسبتاً به دسته کوچکی از مسائل سونار خوب تعریف شده برمیگردد. در یک موج مسطح با فشار p، شدت لحظهاي با سرعت ذرات مایع u تحت معادله زیر مرتبط است:
در جاییکه ρ چگالی مایع و c سرعت انتشار موج است. فاکتور تناسب ρc٥ مقاومت اکوستیکی مخصوص براي مایع نامیده میشود. این فاکتور براي آب دریا:
سرعت صوت در دریا
سرعت صوت در دریا یک متغیر اقیانوسشناسی است که خیلی از ویژگیهاي انتقال صوت را در واسطهي انتشار مربوطه تعیین میکند. این متغیر به عمق، فصل، منطقه جغرافیایی و زمان در منطقه موردنظر بستگی دارد.
بررسیهاي بعدي نشان داد که تفاوت مقدار سرعت صوت بدست آمده از این فرمولها کمتر از 3 متر بر ثانیه است. در زیر یکی از این فرمولها که در عمق صفر براي سرعت صوت بدست آمده است، ارائه شده است:
