Глава 6. Обработка сигналов, передаваемых с помощью распространяющихся в пространстве волн

Мы постоянно получаем сигналы, которые передаются с помощью распространяющихся в пространстве волн. Эти сигналы несут информацию о событиях, происходящих от нас на некотором удалении. Наши уши воспринимают акустические волны, проходящие сквозь них, наши глаза - сигналы от узкого диапазона электромагнитного спектра. Эти органы чувств позволяют нам воспринимать и интерпретировать события, в возникновении которых мы физически не участвовали.

Чтобы больше узнать об окружающей его физической среде, человечество существенно расширило свои сенсорные возможности. Типичными современными примерами расширения сенсорных возможностей являются использование радиолокаторов, сонара и обработка сейсмических сигналов. Эти примеры включают в себя прием и обработку распространяющихся сигналов с помощью как пассивных, так и активных систем. Пассивный приемник принимает сигналы, излучаемые удаленным событием и достигшие его с помощью распространяющихся волн: он просто «смотрит» или «слушает». В противоположность ему активная система сама испускает излучение обычно акустической или электромагнитной природы, которое можно сфокусировать в определенном направлении в виде луча. Это излучение отражается объектами (фактически разрывами непрерывности среды распространения) и возвращается к приемнику, где оно анализируется.

Основное содержание этой главы касается цифровой обработки сигналов, принимаемых набором датчиков, расположенных определенным образом в пространстве. Мы обсудим некоторые основные аспекты этой темы в первую очередь как пример использования многомерной цифровой фильтрации и спектрального анализа в задачах извлечения информации из распространяющегося излучения. Однако наше изложение не будет исчерпывающим справочником по применению методов многомерной обработки сигналов в сонарах, радиолокаторах, геофизических и прочих приложениях [1].

Часто обработка сигналов, передаваемых с помощью распространяющихся в пространстве волн, ставит своей целью выделение сигнала на фоне шума, помех или даже других сигналов. Следовательно, эту задачу можно интерпретировать как локализацию энергии сигнала во времени, по частоте, направлению распространения или по какой-либо другой переменной. Многомерную цифровую фильтрацию можно применять для извлечения информации из сигнала, передаваемого с помощью распространяющихся в пространстве волн, поскольку она дает в руки механизм выделения из других сигналов с конкретным набором значений параметров.

В разд. 6.2 мы рассмотрим задачу формирования луча или диаграммы направленности, т. е. избирательного приема излучения в пространстве с разных направлений: сигналы, принадлежащие лучу, пропускаются, а сигналы, ему не принадлежащие, ослабляются. Таким образом, формирование луча аналогично полосовой фильтрации.

Многомерный спектральный анализ можно также использовать применительно к задачам выделения сигнала. Измеряя многомерный спектр, можно выделять компоненты сигнала в различных частотных диапазонах и оценивать их интенсивность. В последующих разделах мы более детально рассмотрим, каким образом оценку многомерных сигналов можно использовать в задачах подобного типа.