Файл: Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике.pdf

реляции, вид которой определяется некоторыми топологическими

признаками.

Представим себе, что мы получили две матрицы, различающиеся, но соответствующие одному сегменту. Функция корреляции, построен­ ная на основании сопоставления двух изображений, должна давать максимум, если это изображения одного и того же сегмента, и рав­ няться нулю, если это изображения разных сегментов. Разумеется, функция может принимать отличные от нуля, но не достигающие максимума значения в том случае, если сегменты, считаясь разными, похожи друг на друга.

Можно принять, что функция корреляции сегментов в целом строится как таблица из функций корреляций матричных элементов новой матрицы, построенной следующим образом.

Пусть f(t) выражает какую-то характеристику одного матричного элемента — элемента матрицы одного сегмента — и / (t — т) выра­ жает характеристику соответствующего матричного элемента, при­ надлежащего матрице другого сегмента. Построим произведение / (t)f ( t — т) и возьмем интеграл в пределах изменения т. В резуль­ тате получим функцию корреляции. Такое построение произведем одновременно над каждым матричным элементом. Тогда можно говорить о корреляции сегментов. В случае независимости сегментов результатом построения будет пустая матрица. В случае совпадения сегментов элементы приобретают максимальное значение. Если же сегменты различны, но близки, элементы результирующей матрицы будут близки к максимальным значениям. В этом случае возможно сближение сегментов. Близкие сегменты всегда могут быть смещены, и это не нарушает результатов сегментации: гистограмма сегментов, показывающая распределение их плотности вероятности, допускает деформацию, не изменяющую ее смысла.

Некоторое затруднение при построении функции корреляции может вызвать разномасштабность сегментов. Для пояснения при­ ведем простой пример из области сегментов, определяемых формой

чтобы значение функции корреляции было одним и тем же? Эго можно осуществить путем операции компрессии с целью приведения частотно-амплитудных спектров к одному масштабу. Таким обра­ зом, осуществляется некоторая автоподстройка.

Описанные выше процедуры по аналогии с конструктивным спектральным анализом могут быть названы конструктивным кор­ реляционным анализом.

Обратимся теперь к изложению типового метода конструктивных измерений.

Пусть на море имеется источник И электромагнитных сигналов звуковой частоты, прием которых требуется осуществить. Таким источником может служить судно, буек, подводный аппарат и т. п. Пусть система П является приемником (это судно-наблюдатель, буек, береговая база, подводный аппарат, самолет и т. д.). Как уже

78

было показано в предыдущей главе, условия приема в звуковом диапазоне весьма затруднены благодаря наличию собственных электромагнитных шумов и присутствию других помех. Тем не менее прием электромагнитного излучения, даваемого источником И, оказывается в принципе возможным благодаря применению кон­ структивного корреляционного анализа.

Задачей приемного аппарата является получение матрицы зна­ чений измеряемых величин, которая позволяла бы осуществлять сегментацию и с ее помощью распознавать сигнал на фоне помех. В частном случае указанная матрица вырождается в однострочную. Однострочная матрица соответствует, например, сканированию" по азимуту. Так, приемник, обладающий узкой направленностью, производит периодический обзор (сканирование) горизонта, причем получается ряд отсчетов принимаемых шумов, на фоне которых лежит локализованный сигнал.

При сканировании производятся отсчеты, дающие значения напряженности магнитного поля. Предполагается, что остронапра­ вленный приемник вместе с усилительной схемой дает на выходе сигнал, зависящий от амплитуды напряженности магнитного поля, и последовательность значений этого сигнала при изменении угла фиксируется посредством устройства записи или блока памяти. Изменение угловой координаты производится дискретно путем до­ бавления угла квантования азимута Лер.

При повторном обзоре все позиции повторяются, но запись будет отличаться вследствие изменения помех. Повторные опера­ ции позволяют получить много рядов значений напряженностей магнитного поля, которые можно использовать для корреляцион­ ного анализа. При этом помехи, угловое положение источников которых является случайным, будут исключены, постоянные источ­ ники помех будут локализованы в определенных угловых зонах, а источник, являющийся предметом обнаружения, будет отображен благодаря тому, что указанные функции корреляции отличаются от нуля.

При многократных повторениях обзора и убыстрении самой процедуры автоматического обзора оказывается возможным прием очень слабых сигналов по методу накопления. Каждый обзор оста­ вляет пусть даже слабый след приема сигналов, который постепенно будет становиться все более заметным. При этом несущественны даже отдельные пропуски сигналов.

О том, что полезный сигнал принят и что может быть определен пеленг, можно судить только благодаря накоплению данных. В опы­ тах по радиолокации небесных тел имеются примеры приема очень слабых отраженных сигналов на фоне превосходящих помех; должны только быть соблюдены условия накопления. Описываемый метод измерения слабых электромагнитных сигналов на море по своей идее напоминает радиолокацию планет.

Сходство может быть и более полным, если проводить наблюдения электромагнитных сигналов не в пассивном, а в активном режиме. Здесь имеется в виду проведение измерений, относящихся к вопросам

79

распространения электромагнитных волн в морских условиях, путем посылки некоторых стандартных электромагнитных сигналов и при­ ема сигналов, отраженных от цели. Возможны как импульсные, так и интерференционные методы, хотя пока экспериментальных данных, относящихся к области активных методов исследования низкочастотных электромагнитных колебаний, очень мало.

В последние годы методика измерений статистических величин и оценка погрешностей измерений разрабатываются во многих

Согласно [87], измерение исследуемой вероятностной характе­ ристики случайного процесса может быть представлено в виде сле­

дующих этапов:

1) проведение выборочных процессов измерения и отнесение их к одному из классов (нестационарные неоднородные, стационар­ ные неоднородные, нестационарные однородные и эргодические процессы);

2)вычисление статистической оценки исследуемой характери­

стики;

3)оптимизация процедуры статистических измерений;

4)получение количественных значений измеренных характе­ ристик с контролируемой точностью;

5)сравнение статистических оценок с возможными вероятност­ ными характеристиками определения базисной модели случайного процесса (образа).

При проведении статистических измерений весьма важным

является вопрос об ошибках измерений. Ошибки статистических измерений различают [85, 87]: а) по природе их возникновения; б) по их проявлениям.

В зависимости от природы возникновения ошибки статистиче­ ских измерений разделяются на четыре типа:

1. Ошибки представления выборочного процесса, получаемого в результате проведения экспериментальных исследований; они обусловлены преобразованием процесса перед подачей на статисти­ ческую измерительную систему.

2. Ошибки классификации выборочного процесса, связанные с несоответствием выборочного процесса принятой модели случай­ ного процесса. Свойства случайного процесса описываются распреде­ лениями вероятностей или их параметрами. Вероятностная модель — это представление случайного процесса, позволяющее вычислить или постулировать его вероятностные характеристики, существен­ ные в рассматриваемой задаче.

3.Алгоритмические ошибки, возникающие из-за неправильного выбора алгоритма формирования статистической оценки.

4.Аппаратурные ошибки — ошибки, возникающие вследствие неточной реализации принятых алгоритмов вычисления статисти­ ческих оценок при использовании различных технических средств статистических измерений.

По проявлениям (по специфическому характеру, который они носят) различают флюктуационные ошибки и ошибки смещенности

80

статистических оценок. Флюктуационные ошибки носят случайный характер, их значения не остаются постоянными. Ошибки смещен­ ности статистических оценок имеют систематический характер.

Методы оценки погрешностей, изложенные в работах [87, 88, 117], близки по своему содержанию к конструктивной теории изме­ рений, описанной выше, несмотря на различие используемых ма­ тематических аппаратов.

ГЛАВА 4

ПРОБЛЕМЫ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ НА СУДАХ§

§4.1. РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Всоответствии с теорией отражения, разработанной В. И. Ле­ ниным в его сочинении «Материализм и эмпириокритицизм», наши ощущения представляют собой отпечатки, образы объективной реальности, существующей вне нашего сознания. Например, наблю­ дение какого-нибудь небесного объекта с помощью радиотелескопа дает результат, который является образом, отражением реально существующего объекта реального мира — данного небесного тела. Применяемые при этом приборы (радиотелескоп, детектор, инди­ катор, дающий визуальные показания) расширяют возможности ор­ ганов чувств, поскольку орган зрения не восприимчив к радиовол­ нам. Используя физические приборы, человек может судить об

объекте по его образу.

Благодаря введению образов и структур как физических объек­ тов радиоастрономия приобретает самостоятельное значение; свои­ ми образами она существенно отличается от других наук.

Теоретические основы радиоастрономии до последнего времени еще не получили необходимого развития. Это объясняется описатель­ ным характером данной научной области. Радиоастрономические объекты: Солнце и планеты, звезды и туманности, пульсары, ква­ зары и т. д. — обладают очень сложной структурой. Радиоизлуче­ ние этих объектов имеет также сложный характер. Процессы распро­ странения и поглощения излучаемых такими объектами радиоволн осложнены особенностями ионизированных сред, окружающих многие источники. Большое влияние на условия приема радио­ сигнала на Земле оказывает наличие атмосферных слоев и теплового радиоизлучения различных земных объектов, почвы, моря и т. д.

Детальному изучению источников радиоволн препятствует боль­ шой уровень помех, существующих на Земле. Радиоастрономиче­ ские приборы работают в условиях значительного превосходства уровня шумов над уровнем сигнала, что приводит к потере спектраль­ ной информации о радиоизлучении, и потому в ряде случаев оказы­ вается невозможным получить основные данные, которые позво-