Развитие методов локализации шумовых источников звука в природных водоемах в условиях неточной информации о среде распространения

Развиты согласованные со средой методы обработки акустических сигналов в условиях неточной априорной информации о среде распространения. Построены робастные алгоритмы типа Кейпона и MUSIC, рассчитанные на наихудший сценарий приема и обладающие повышенной устойчивостью по отношению к эффектам рассогласования различной природы, обусловленным несоответствием между принятым звуковым полем и его расчетной моделью. Для решения задачи локализации источника с использованием пространственно развитой антенной системы, состоящей из отдельных подрешеток, построен робастный проекционный алгоритм пониженного ранга, не требующий знания калибровки всей антенной решетки (АР) и являющийся обобщением метода RARE (rank reduction). Антенная система позволяет повысить точность оценивания координат и разрешающую способность. Успешная апробация предложенных методов выполнена с использованием экспериментальных данных, полученных в Ладожском озере, а также данных натурных измерений в Баренцевом море. Показано, что в реальных условиях указанный алгоритм является достаточно эффективным и обеспечивает приемлемое качество восстановления положения источника без использования трудоемкой процедуры одновременного поиска как искомых координат, так и неизвестных параметров волновода. С помощью заимствованного из квантовой механики метода когерентных состояний построено распределение амплитуды и интенсивности звукового поля в фазовом пространстве дистанция – угол скольжения – глубина. Показано, что разложение по когерентным состояниям позволяет выделять компоненты звукового поля, устойчивые по отношению к вариациям параметров среды распространения. Предложен принципиально новый подход к решению задачи локализации источника, основанный на сопоставлении устойчивых компонент измеренного поля и полей, рассчитанных для различных расположений источника. Эффективность данного подхода продемонстрирована на данных численного моделирования и данных измерений звуковых полей в Ладожском озере. Результаты обработки показали, что выделенные устойчивые компоненты, как и ожидалось, существенно лучше совпадают с предсказаниями теоретического расчета, чем суммарное волновое поле. Рассмотрен метод построения робастных алгоритмов локализации на основе байесова подхода с интегрированием апостериорной плотности вероятности по неизвестным параметрам среды. Алгоритм такого типа разработан для решения задачи с использованием приемной вертикальной решетки. На конкретных примерах показано, что предложенный алгоритм может работать при существенно более низком отношении сигнал/шум, чем обобщенный оцениватель Бартлетта. Проанализирована применимость данного метода локализации в подводных волноводах разного типа с неточно заданными параметрами. Развит новый адаптивный алгоритм обработки сигналов в АР, пригодный для локализации широкополосных источников звука, создающих частично-когерентное поле на АР. С помощью численного моделирования показано, что предложенный метод обеспечивает дисперсию оценки угла прихода плоской волны, близкую к границе Крамера – Рао, и превосходит по эффективности наилучший из известных методов – root MUSIC. Показано, что предложенный метод может быть успешно использован для оценки временной зависимости полезного сигнала. Разработан метод обнаружения локального возмущения профиля скорости звука в мелком море с использованием критерия максимального отношения правдоподобия. Получены характеристики обнаружения для различного типа возмущений и различных отношений сигнал/шум.