книги из ГПНТБ / Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике

В то время как чередование сегментов в звене случайно, чередо­ вание звеньев может иметь уже закономерный характер и соответ­ ствовать последовательности процесса. Мы встречаемся здесь с неко­ торыми новыми особенностями конструктивных измерений: наряду со статистическим характером (звенья характеризуются распределением плотности вероятности сегментов) имеет место и последовательное изменение стадий (звеньев) процесса, которое закономерно.

Основное требование, предъявляемое к сегментам, состоит в том, что сегменты должны быть распознаваемы. Для автоматизированных измерений распознавание сегментов должно осуществляться авто­ матически. Поэтому при выборе признаков, характеризующих сег­ менты, следует подбирать такие, которые способны давать сегментам легко различимые черты. Лучше всего различаются чисто тополо­ гические особенности. Так, если в качестве признака принять форму огибающей частотно-амплитудного спектра сегмента, то сегменты можно различать, например, по числу спектральных максимумов независимо от положения максимумов по оси частот и от их интен­ сивности. Огибающая может отличаться нарастающим или спадаю­ щим характером спектральных участков, может иметь равномерный участок спектра и другие легко различимые особенности.

Автоматическое восприятие формы облегчается в том случае, если спектральная реализация представляется в пространстве более высокого (чем второй) порядка измерений.

Признаками сегмента, выражаемого функцией ф (си, <%2, а3, . . .),

являются собственные значения ai, аг, а3, . . . тех операторов, т. е. тех физических величин, которым соответствует (принадлежит) функция ф. Среди этих величин, являющихся аргументами функции ф, могут быть уже рассмотренные — частота, амплитуда, время. Если принять за координаты частоту и амплитуду в заданный момент времени, то сегмент выражается через линейный спектр, причем функция будет давать огибающую. Это как раз тот случай, который практически реализуется при сегментации акустических или электро­ магнитных шумов [80].

Необходимо учесть, что описание спектральной огибающей фун­ кции ф (v, А) еще не есть нахождение формы огибающей. Дело в том, что переход к восприятию формы следует трактовать как переход аналог—код. Если форма установлена, то она может быть представлена в цифровом виде. Здесь проявляется та существенная особенность конструктивного анализа, что он включает в себя аналогоцифровое преобразование.

После регистрации сегментов строится гистограмма, дающая распределение плотности вероятности |cf |2 сегментов S [t принадле­ жащих словарю сегментов S ( S t ^ S) .

Обычно для характеристики гистограммы достаточно указания двух-трех наиболее вероятных сегментов. Если наиболее выражен­ ные сегменты — это а, |5, у, плотности их вероятностей равны ра, /?р, ру, причем ра > рр ру, то гистограмма может быть обозначена как ра, р$, ру или даже как ра, р$. Обычно нет необходимости при­

20

водить сами числа (в процентах) ра, рр, /??, достаточно записать неравенства, указывающие соотношения между ними. Поэтому гистограмму можно обозначить как два или три сегмента, распо­ лагая их в порядке убывания плотности вероятности. Таким образом, гистограмма обозначается, например, как а, р, у или а, р.

§ 1.3. ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕДУР

В электронно-вычислительных машинах имеются логические схемы, позволяющие автоматически проводить измерения физи­ ческих величин, а также конструктивный анализ. При этом машина выполняет и роль наблюдателя, т. е. автоматически осуществляет те функции, которые выполняет человек-наблюдатель или целая группа наблюдателей.

Человек-наблюдатель пользуется измерительными приборами. В случае, например, измерения звукового давления таким прибором является микрофон с усилителем и выходным устройством, позво­ ляющим отсчитывать звуковое давление или записывать его уро­ вень. Измерительный микрофон должен быть предварительно отка­ либрован так, чтобы звуковое давление можно было измерять в абсо­ лютных единицах. К выходу могут подключаться вольтметр, осцил­ лограф, анализатор спектра и т. д. Эти приборы фиксируют резуль­ таты измерений или используются в качестве индикаторов. Выводы делает человек на основании показаний приборов. Выполняя опре­ деленную измерительную программу, он повторяет измерения или переходит к новым; он же производит подсчеты и оценивает точность результатов. В процессе измерений человек управляет приборами, производит их включение и выключение, изменяет чувствительность, переходит от одной шкалы к другой. Эти действия могут быть зара­ нее запланированы, но, следуя некоторой измерительной программе, в процессе измерений часто изменяют не только отдельные пункты, но и весь ход программы в зависимости от получаемых результатов. Например, фиксируя резкое возрастание значения физической вели­ чины, наблюдатель переходит к более частым отсчетам, чтобы полу­ чить более подробную картину.

Электронно-вычислительная машина может заменить в ряде задач человека-наблюдателя. Действуя по определенной программе, ЭВМ способна изменять ее в процессе измерений, осуществляя самообучение и самостоятельное программирование. Конечно, дей­ ствие машины, лимитированное ее логической схемой, нельзя сравнить с интуицией квалифицированного человека-наблюдателя. Но машины имеют и свои преимущества: возможность выполнять измерения с быстротой, совершенно недоступной человеку; способность одно­ временно контролировать очень большое количество измерительных каналов, производить массовые отсчеты и, наконец, возможность осуществлять с большой быстротой подсчет и вывод результатов.

Современный этап акустических и радиотехнических измерений — это измерения с помощью цифровых и аналоговых электронно­

21

вычислительных машин, причем машина не только не уменьшает роль человека-наблюдателя, но, наоборот, расширяет его возмож­

ности.

Логическая схема машины в какой-то степени является ими­ тацией, моделью одушевленного измерителя. В этом нет ничего удивительного, так как многие физические приборы или являются моделями, имитирующими мышечную систему, органы чувств, голов­ ной мозг, или получились в процессе развития таких моделей.

Рис. 1.1. Логическая схема ЭЦВМ.

<с ячейками, где имеется предписание. При адресном принципе указываются только адреса, т. е. номера ячеек, содержащих команды. В ячейках содержатся и числа, над которыми совершаются действия. Все эти ячейки находятся в устройстве памяти, изображенном на схеме отдельным блоком и также связанном двусторонне с Л У. Каждая ячейка памяти имеет свой номер, служащий ее адресом [17].

В память можно записывать, с нее можно считывать, т. е. брать числа и команды, которые даются тоже в цифровой форме. Если какая-либо информация записывается в ячейки, старая запись сти­ рается; при пропитывании запись сохраняется — эта информация может быть использована много раз. Устройство ввода и вывода

•служит для приема информации извне и ее выдачи.

В память ЭЦВМ вводятся все данные, необходимые для выпол­ нения задач, в том числе программы вычисления, подпрограммы

•стандартного характера, числа, команды и т. д. Каждая команда указывает, какой ячейке следует передавать управление. Эта пере­ дача может быть условной, зависящей от результатов измерений. Например, если результат измерений больше некоторого числа, выполняется одна команда, если меньше — другая.

22

При использовании ЭЦВМ точность измерения возрастает, по­ скольку обработка и анализ результатов, занимающие обычно 60—70% времени, отведенного на измерение, ускоряются в сотни

Во многих случаях целесообразно сочетать ЭЦВМ и аналоговые устройства. Следует только сделать оговорку, что классические измерительные методы совсем не заменяются, а лишь дополняются

в блоки памяти ЭЦВМ. Анализирующие установки производят прием измерительной информации, фиксацию промежуточных ре­ зультатов и ввод этих данных в ЭЦВМ в случае, если последняя используется для управления измерительным процессом.

Измерительный комплекс предназначен также для выполнения акустических измерений и для управления процессом акустических измерений с помощью ЭЦВМ.

Помимо снятия частотных характеристик и характеристик направленности на разных частотах, измерительный комплекс

распределения, спектральные плотности, авто- и взаимнокорреля­

ционные функции.

Установка позволяет выполнять исследование функциональных зависимостей, осуществлять подбор параметров для построения

23-

заданных характеристик и вообще изменять схему и структуру изме­ рительных процедур.

Для решения некоторых задач радиотехники применяются кор­ реляторы аналогового пли цифрового типа. В корреляторе, полу­ чившем название КОД-1 [83], определяется функция корреляции знакового вида (имеется в виду вероятность совпадения входных ■сигналов по знаку, по полярности). Промежутки времени кванто­ вания устанавливаются исходя из требуемого времени запаздывания выборок. Применяется цифровой блок задержки.

Структурная схема коррелятора дана на рис. 1.3. На нем изо­ бражены два канала, в каждый из которых входят ограничитель 1, инвертор 2 и регистр сдвига 3. Запаздывание определяется периодом

колебаний генератора тактовых импульсов 4. Ограничители пред­ назначены для выравнивания входного напряжения по уровню, инверторы выполняют функцию усилителей и служат для получения сигналов в противоположных фазах. Регистр сдвига производит задержку сигнала по сравнению со входом на время

т = (п — 1)Т,

где п — число триггерных ячеек регистра сдвига; Т — период импульса, который может плавно изменяться пропорционально напряжению, вырабатываемому генератором пилообразных напря­ жений 5. Во втором канале регистр сдвига также дает возможность образовать дискретные выборки, но он содержит только одну ячейку.

Приведем некоторые характеристики коррелятора КОД-1: частот­ ный диапазон простирается от 5 Гц до 20 кГц; динамический диа­ пазон составляет 60 дБ при наинизшем входном уровне 3 мВ; вре­ менная задержка имеет несколько диапазонов, перекрывающих времена от 0,05 до 40 мс. Можно реализовать задержки в диапазоне от 0,05 до 1 мс за 3 с, от 0,05 до 10 мс за 10 с и т. д.

Генератор тактовых импульсов дает частоты в диапазоне от 100 Гц до 20 кГц, причем задержка, производимая каждой ячейкой, изме­ няется от 10 до 0,05 мс.

24

Сигналы с выхода обоих регистров, т. е. обоих каналов, посту­ пают на схему совпадений, служащую для измерения некоторой статистической разности. Эта разность строится как разность частоты совпадения знаков и частоты их несовпадения. Интегратор, пред­ ставляющий собой ^С-цепочку, выполняет усреднение. Выходное напряжение позволяет определить искомую функцию корреляции, которая записывается с помощью самописца. Подробности, относя­ щиеся к схемам блоков узлов, описаны в работе [47].

§1.4. ОБНАРУЖЕНИЕ СИГНАЛОВ ПРИ НАЛИЧИИ ПОМЕХ

Впотоке информации, подлежащей определению методами приема

иизмерений, можно выделить сигналы и помехи. Помехи, как сви­ детельствует само слово, препятствуют приему полезной информа­ ции, т. е. сигналов.

При акустических и радиотехнических измерениях сигналы несут информацию о физических величинах и их полях, а также условиях измерений, в то время как помехи несут ненужную информацию, ограничивающую точность, чувствительность, надежность полезной информации. Весьма распространенным видом помех являются внешние, посторонние поля и шумы, а также собственные шумы электронной аппаратуры. Сигналы всегда сопровождаются какимилибо шумами, или помехами. Поэтому для оценки возможностей измерений существенным является значение отношения сигнала

кпомехе.

Вконструктивном анализе вопрос об исследовании сигналов при наличии помех усложняется. Сигнал как конструкция, как образ не выражается через какое-либо собственное значение опе­ ратора физической величины или набора операторов. Для его описа­ ния требуются более сложные схемы. Здесь виды помех множатся.

Возникает новый вид помех — собственные помехи сигнала. Дело в том, что сигнал может подвергаться спонтанным, не зависящим от внешних причин изменениям, например вследствие флюктуаций.

Сигнал, обладающий структурой, можно выразить через матрицу вида \ A ik\ (для определенности рассматриваем случай двух измерений, хотя число измерений может быть и больше). Такая матрица является представлением некоторого оператора, называе­ мого оператором конструкции сигнала или образа. Число элементов матрицы и ее ранг характеризуют степень подробности описания образа. Этим образом может быть картина, в которой визуальное изображение создается распределением интенсивности матричных элементов. Простейшими картинами являются «кресты», когда отличны от шума только матричные элементы, входящие в какуюлибо одну строку и один столбец. Изображение фигур может быть гораздо более сложным в зависимости от задания матричных эле­ ментов A ik.

Подклассы образов дают множество сегментов. Сегмент — это промежуточный образ, достаточно простой по форме. Сложный образ можно представить как композицию сегментов. В § 1.2 ука­

25

зывалось, что в случае изменяющегося процесса, протекающего в, течение некоторого времени, сегментация проводится последо­ вательно во времени; сложный образ рисуется не как соединение сегментов, а как их чередование. Но это различие не меняет дела.

Помеха также может быть структурной. Представим помеху

Будем рассматривать только линейный случай, когда помеха адди­ тивна. По правилу сложения матриц

Cik = &ik + Bik,

т. е. матричные элементы складываются.

Возникают следующие вопросы. Как оценить величины сигнала и помехи? Какой критерий можно принять для оценки отношения сигнала к помехе? В каких случаях имеет место прием слабых сиг­ налов при наличии помех?

В качестве основного критерия надо принять распознаваемость сигнала (а также помехи). Под распознаваемостью понимается отношение числа правильно распознанных сегментов к общему числу предъявленных. Оценка распознаваемости может быть сде­ лана при повторном предъявлении сигнала. Поэтому измерение носит статистический характер.

Неправильное опознание может быть обусловлено как расхожде­ нием между данной реализацией сегмента и эталоном, так и воздей­ ствием помехи. Распознаваемость сигнала, выраженная в процентах, еще не позволяет найти отношение сигнал/помеха. В качестве этого отношения нельзя принять отношение числа правильно распознан­ ных выборок к числу неправильно распознанных; в число последних входят и те, которые порождаются неопределенностью классифика­

вильно опознанных сегментов помехи опять имеет двойственное происхождение: оно обусловлено и ошибками в классификации помехи, и мешающими действиями сигнала.

Теперь рассмотрим процесс совокупно. Предъявляемые реализа­ ции распознаются на основании известных словарей сегментов сигна­ лов и помех. Заключение дается то в виде некоторого сегмента сигнала, то в виде сегмента помехи. Пусть преимущественным сег­ ментом сигнала оказался сегмент S, плотность вероятности которого есть ps, а преимущественным сегментом помехи — сегмент N с плот­ ностью вероятности pN. Тогда, полагая, что решения в пользу других сегментов имеют пренебрежимо малые шансы, отношение сигнал/помеха можно оценить величиной

26

Если помехи несущественны, pN приравнивается нулю и Е =

написать

При большой распознаваемости сигнала можно отношение сигнал/помеха принять равным распознаваемости, т. е. отношению числа правильно опознанных выборок к общему числу предъяв­ ленных.

Программа, приема сигналов на фоне помех заключается в клас­ сификации последовательности с помощьюэталонных последовательно­ стей сигналов и помех. Как и в конструктивном анализе, требуется производить перебор эталонов, но перебор двойной: помехи счи­ таются сигналами, но «другого сорта». Действительно, в технике приема слабых сигналов может случиться так, что о наличии сиг­ нала судят по неустойчивости помехи. Если ps очень мало, то отно­ шение сигнал/помеха выражается числом, малым по сравнению с единицей. Отбрасывая ps в знаменателе, имеем

Е = 1 — Pn ,

т. е. о сигнале можно судить по отклонению от достоверности помехи. Предел «малости» сигнала по отношению к помехам задается критерием надежности [87]. С надежностью также связан вопрос о единовременном распознавании сигнала на основании известных

апостериорных вероятностей сегментов сигналов и помех.

Пусть поставлена задача единовременного (с одного раза) опре­ деления образа сигнала. Поскольку повторные наблюдения исклю­ чаются, должны быть известны как априорные вероятности различ­ ных образов, которые будем обозначать через Р (G,), так и функции правдоподобия Р (A\Gi), т. е. условные вероятности реализации Л, если образ есть G,-. Тогда по Бейесу апостериорная вероятность гипотезы о том, что данная реализация А принадлежит образу, будет равна

где т — число образов в алфавите.

Такое же соотношение справедливо для плотности вероятности, если вероятность относится к единице объема пространства, в кото­ ром строится функция распределения. Плотность апостериорной вероятности гипотезы, обозначаемая как р (G,-1Л), представляет собой функцию распределения, по максимуму которой следует решить, к какому образу надо отнести данную реализацию.

Нахождение числовых значений плотности вероятности про­ изводится на основании интегрального значения параметра, с по­

27

мощью которого построен образ. Пусть, например, искомый образ дает некоторую двухмерную фигуру, изображающую распределение звуковых давлений в плоскости, проведенной в звуковом поле. В зависимости от значений звукового давления в разных точках могут быть построены линии постоянного давления, рисующие конфигурацию поля. Сравнение с образами, входящими в алфавит G(., той реализации А, которая получилась на плоскости, может поз­ волить установить образ. Так, в случае точечного источника в не­ ограниченной среде образ может быть представлен семейством кон­ центрических окружностей, при прохождении плоской волны — рядом эквидистантных прямых (рис. 1.4). Для того чтобы эти образы

были измерительными, необходимы указания относительных зна­ чений параметра (в данном случае звукового давления) на получен­ ных кривых. Для случая концентрических окружностей значение параметра должно убывать обратно пропорционально расстоянию от центра; для случая плоской волны оно должно оставаться постоян­ ным, а при наличии затухания — падать с расстоянием. Здесь имеется в виду относительное значение; абсолютное же значение давления, измеренное в некоторой точке, позволяет установить масштаб.

Следует расширить понятие образа за счет введения количествен­ ных характеристик. Ввиду случайного характера конструктивных измерений числовые значения могут быть даны приближенно, так же, как и сама форма, рисующая образ.

Приобретает значение такое аналого-цифровое преобразование, которое дает в цифрах картину образа. По ней могут быть построены линии постоянного давления, одинаковых скоростей и т. д. Эти цифровые «картины» получаются в результате геометрических ана­ лого-цифровых преобразований по некоторым реперным точкам, в которых измерены соответствующие величины.

28

ГЛАВА 2

РАДИОИЗМЕРЕНИЯ НА СУДАХ

§2.1. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТН ЫЕ ПОЛЯ

ИИЗМЕРЕНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ

Для измерения электромагнитных полей применяют приборы, включающие в себя две части: приемник и измерительную систему. В приемник входят приемная антенна и преобразователь сигнала; измерительная система может иметь различное устройство в зависи­ мости от цели измерений. Приемник, выбираемый соответственно диапазону длин электромагнитных волн, является стандартным.

При работе в области сверхдлинных волн, а именно в области звуковых частот (от 50 Гц до 20 кГц), в качестве приемника может быть взята рамка (катушка), а измерительными системами служат шумомеры, анализаторы, индикаторы уровней, стрелочные и цифро­ вые спектрометры и т. д.

В диапазоне сантиметровых радиоволн используется прием­ ник СВЧ с антенной (концентратором типа зеркала, рупором и т. д.) и преобразователь сигнала, обладающий низкочастотным выходом. С таким приемным устройством могут сочетаться перечисленные выше измерительные системы: шумомеры, анализаторы, измерители уровней и пр.

Обращаясь к задачам исследования и измерения электромагнит­ ных излучений морских судов, целесообразно выделить следующие области измерений в низкочастотном диапазоне электромагнитных колебаний. Во-первых, представляют интерес измерения электро­ магнитного излучения в судовых механизмах. Как известно, на судах имеется много источников электромагнитного излучения, из которох важнейшими являются энергетические системы и судовые механизмы. Источниками электромагнитного излучения могут быть двигатели и движители различных систем. Во-вторых, практическое значение имеют измерения электромагнитных помех, в том числе атмосферных радиопомех и помех от береговых источников. Атмо­ сферные помехи (атмосферики) обладают низкочастотными компо­ нентами; низкочастотные помехи создаются также береговыми базами и населенными пунктами.

Какие физические величины служат предметом измерений при исследовании электромагнитных полей? В первую очередь напря­ женности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. В фундамен­ тальных уравнениях электромагнитного поля — уравнениях Максвелла — фигурируют также магнитная и электростатическая индукции, но последние могут быть выражены соответственно через Н и Е. Кроме того, уравнения связывают Е и //, так что при конструк­ тивных измерениях на море можно ограничиться измерением напря­ женности магнитного поля Н и определить, если требуется, вели­ чину Е по формулам.

29