Патент на изобретение №2300118

(54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ШУМЯЩИХ В МОРЕ ОБЪЕКТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости гидроакустической системы обнаружения, реализация заданного времени накопления и увеличение времени поддержания акустического контакта с движущейся в море целью. Способ содержит следующие операции. Принимают первичное поле шумоизлучения объектов статическим веером характеристик направленности в горизонтальной плоскости, осуществляют частотно-временную обработку в каждом пространственном канале наблюдения, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе, осуществляют наблюдение на текущем цикле обзора принятых нормированных сигналов и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха. В процессе приема осуществляют сопровождение энергетических параметров шумового сигнала по уровню, дисперсии уровня и отбраковку локальных ложных максимумов шумовых сигналов в статическом веере пространственных каналов. Осуществляют накопление энергии сигнала за время нескольких циклов обзора за счет сопровождения информационных параметров шумового сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и отбраковки пеленгов локальных ложных максимумов шумовых сигналов. 2 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования.

Известен способ обнаружения точечного источника с помощью коррелятора сигналов антенной решетки с многолучевой характеристикой направленности. При такой обработке преобразователи антенной решетки разделяются на две группы, каждой из которых вводится фазовый сдвиг и линейное взвешивание выходных сигналов преобразователей. Выходные сигналы двух групп коррелируют, и результаты суммируют в отводах линии задержки, квадрируют и регистрируют в координатах пеленг – время. С помощью линий положения целей, наблюдаемых на выходном изображении в системе с многолучевой диаграммой, можно проследить за изменением целевой обстановки, для получения оценок дальностей и пеленгов различных целей может быть проведен совместный анализ перемещения целей и данных навигационной системы одного из своих кораблей. Кроме того, можно наблюдать появление и исчезновение некоторых целей, а также ситуации, соответствующие ложной тревоге (Применение цифровой обработки сигналов, пер. с англ. под ред. Э.Опенгейма, М., Мир, 1980 г., стр.477, 478).

Одним из главных недостатков этого способа является то, что при небольших отношениях сигнал-шум на выходах обеих решеток операция умножения при вычислении корреляции изменяет некоторые пороговые характеристики системы. Операция умножения может также вызвать появление ложных боковых лепестков, которые, по существу, являются пространственными аналогами результатов модуляции сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ обнаружения, изложенный в монографии Л.Кампа «Подводная акустика», пер. с англ. М., Мир, 1972 г., стр.262…263, в соответствии с которым с помощью антенны и энергетического приемника сигнала можно обнаружить цель в пассивном режиме путем сравнения отношения сигнал-помеха в зоне акустической освещенности с пороговым значением.

Звуковой сигнал принимают (фактически имеется в виду прием смеси сигнала шумоизлучения и помехи) антенной в системе с многолучевой диаграммой. Широкополосный сигнал с выхода веера характеристик направленности горизонтальных пространственных каналов приемной антенны подается на энергетический приемник с заданным временем усреднения и панорамный индикатор с самопишущим прибором или с электронно-лучевой трубкой, причем используется модуляция яркости луча. Здесь и далее использованный термин “веер пространственных каналов” является обобщающим по отношению к классическому термину “многолучевой диаграммой направленности” (см. Применение цифровой обработки сигналов, пер. с англ. под ред. Э.Опенгейма, М., Мир, 1980 г., стр.467, 468), когда совокупность характеристик направленности смежных пространственных каналов расположена веером с дискретным по углу шагом.

Каждая развертка выходов веера на одном цикле обзора воспроизводится на индикаторе как линия, модулированная по яркости. Последующие развертки на циклах обзора смещаются вниз по отношению к предыдущим. Разрешающая ячейка, регистрирующая цель в пространственном канале веера, связана с отметкой, появляющейся на одинаковом расстоянии от края индикатора для каждой развертки.

При этом типе развертки, если гидроакустик ждет появления на экране, например, 20 всплесков яркости в каждом цикле обзора, он может наблюдать присутствие сигналов цели в виде вертикальных линий на индикаторе. Наблюдение в этом случае осуществляется при пороге, когда, например, половина разрешающих ячеек по времени дает на индикаторе отметки шума, а отметка “сигнал плюс шум” появляется в той ячейке пространственного канала, к которой он принадлежит приблизительно три четверти общего времени всех циклов обзора. (Л.Камп, «Подводная акустика», пер. с англ. М., Мир, 1972 г., стр.265…266).

Этот способ обнаружения содержит следующие операции:

– прием гидроакустического шумового сигнала с помощью приемной антенны с развитой апертурой в горизонтальной плоскости,

– частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов для каждого пространственного канала наблюдения в горизонтальной плоскости,

– измерение уровня на выходе пространственного канала веера, включая накопление во времени, центрирование и нормирование в единицах отношения сигнал-помеха,

– развертывание на последовательных циклах обзора принятых сигналов пространственных каналов веера в горизонтальной плоскости на панорамном индикаторе в координатах угол – время.

В каждое данное мгновение указанные операции обеспечивают наблюдение только в определенном секторе углов в вертикальной плоскости, определяемом шириной характеристики направленности. Способ хорошо работает в однородной среде и в условиях, когда можно пренебречь замиранием сигналов в результате сложения лучей сигналов после преломления в слоисто-неоднородной среде и отражений от границ. В реальном море в акустическом поле, неоднородном и анизотропном, алгоритм показал неудовлетворительную работу, давал большое количество ложных сигналов – отметок шума и неустойчиво обнаруживал слабые полезные сигналы. Обнаружение осуществляется сравнением уровней шума по соседним направлениям. Время накопления сигнала определяется только величиной, установленной для одного цикла развертки. В динамике входных сигналов при относительном движении приемной системы время накопления сигнала ограничено одним циклом обзора.

Таким образом, желательно иметь способ обнаружения шумящих объектов, который одновременно позволил бы увеличить накопление сигнала по времени и с большей достоверностью, чем в способе прототипа определить наличие сигнала цели и длительно поддерживать акустический контакт с целью, уменьшив время пропадания сигнала в ячейке разрешения по углу и время потери акустического контакта.

Задачей заявляемого способа является повышение помехоустойчивости гидроакустической системы путем реализации заданного времени накопления сигнала движущейся цели относительно приемной антенны за несколько циклов обзора и увеличения времени поддержания акустического контакта с движущейся целью.

Для решения поставленной задачи в известный способ обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне, включающий прием первичного поля шумоизлучения объектов в горизонтальной плоскости, при котором осуществляют частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов для каждого канала наблюдения в горизонтальной плоскости, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе, осуществляют наблюдение на каждом цикле обзора отметок принятых шумовых сигналов всей совокупности пространственных каналов в горизонтальной плоскости и принимают решение об его обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха, введены новые операции, а именно:

на очередном цикле обзора наблюдение осуществляют двумя независимыми последовательностями операций:

в первой последовательности осуществляется сопровождение энергетических параметров шумового сигнала по уровню, дисперсии уровня и отбраковки локальных ложных максимумов шумовых сигналов, для чего производятся следующие операции:

отделяют шумовые сигналы от фоновых шумов над уровнем, который понижен в несколько раз относительно порога обнаружения,

определяют уровень всех локальных максимумов сигнала,

вычисляют по заданному закону аппроксимации уточненное значение уровня шумового сигнала по данным нескольких откликов пространственных каналов в окрестности данного локального максимума сигнала, образующих сигнальный фрагмент,

определяют смещение уровня сигнала за время между предыдущим и текущим циклами обзора и вычисляют плотность вероятности измеренного смещения уровня сигнала и плотность вероятности ложных тревог для заданного времени накопления,

во второй последовательности осуществляется сопровождение информационных параметров шумового сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и отбраковка пеленгов локальных ложных максимумов шумовых сигналов, для чего производятся следующие операции:

фиксируют пеленг пространственного канала, в котором наблюдается каждый локальный максимум сигнала,

вычисляют по заданному закону аппроксимации уточненное значение пеленга шумового сигнала по данным нескольких откликов пространственных каналов в окрестности данного локального максимума сигнала, образующих сигнальный фрагмент,

составляют из совокупности оценки пеленга и величины изменения пеленга (ВИП) вектор параметров движения локальных максимумов сигнала,

вычисляют матрицу взаимно корреляционных функций для вектора параметров движения локальных максимумов сигнала,

вычисляют скорость изменения ВИПа и пеленга за время между предыдущим и текущим циклами обзора,

в результате определяют прогнозные оценки пеленга и ВИПа локальных максимумов сигнала за время между предыдущим и текущим циклами обзора для заданного времени накопления,

определяют дисперсию прогнозной оценки пеленга для заданного времени накопления и вычисляют ширину строба по пеленгу, в пределах которого осуществляется наблюдение каждого сигнала,

вычисляют плотность вероятности смещения измеренного пеленга для заданного времени накопления,

по результатам выполнения двух последовательностей операций вычисляют обобщенный вес локальных максимумов сигнала,

сравнивают обобщенный вес локальных максимумов сигнала с порогом обнаружения сигнала, который соответствует пороговому отношению сигнал-помеха.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими изображениями, на которых показаны: на фиг.1 – блок-схема способа обнаружения как последовательность операций, на фиг.2 – блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ.

На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого способа как последовательность операций. Операция 1 предусматривает формирование горизонтального статического веера характеристик направленности и одновременный прием первичного поля смеси сигнала шумоизлучения и помехи каждым пространственным каналом. Операция 2 предусматривает частотную обработку принятого сигнала каждого пространственного канала.

Смысл операций 3 и 4 определяется их названиями.

Совокупность операций 5…8 обеспечивает сопровождение энергетических параметров шумового сигнала по уровню, дисперсии уровня и отбраковку локальных ложных максимумов шумовых сигналов.

Операция 5 предусматривает отделение первичных отметок шумовых сигналов от фоновых шумов с помощью специального порога при заданном отношении сигнал-помеха (ОСП), например, в пределах 0.5…3.

Совокупность операций 6…8 обеспечивает определение уровня локальных максимумов сигнала, вычисление уточненного уровня шумового сигнала по данным нескольких откликов пространственных каналов в окрестности локального максимума сигнала, образующих сигнальный фрагмент, и определение смещения уровня сигнала за цикл обзора. Выделение первичных отметок основано на выделении локальных максимумов, превышающих указанный специальный порог, и уточнении уровня сигнала, определяемого как положение и величина максимума для параболы, проведенной через три точки в окрестности локального максимума.

Операция 6 осуществляется путем сглаживания уровня (в долях ОСП) метки U_M локальных максимумов сигнала по формуле U_et=U_M/₀+(1-1/₀)U_et-1, где U_et, U_et-1 – сглаженные оценки текущего уровня шумового сигнала в моменты времени t, t₁ соответственно; ₀ – величина окна сглаживания; U_et=₁U_et-1+(1-₁)U_M, ₁ – постоянная сглаживания уровня ОСП. Постоянные сглаживания могут подбираться и зависят от априорных либо экспериментальных данных о стационарности поведения уровня сигнала в слоисто неоднородной морской среде.

Операция 7 осуществляется параболической аппроксимацией уровня ОСП по нескольким, например трем, точкам в окрестности метки локального максимума сигнала u₁, u₂, u₃, по формуле U_a()=u₁+u₂+²u₃, U₀(₀)=maxU_а(), где U=U₀ – уточненное значение уровня, – пеленг, соответствующий номеру пространственного канала, в котором наблюдается локальный максимум сигнала.

Операция 8 предусматривает определение смещения уровня сигнала U_et за цикл обзора и вычисление плотности вероятности p(U₀-U_M) измеренного смещения уровня сигнала в долях плотности вероятности p(U_M) уровня ложных тревог. Тем самым проводится дополнительная селекция меток по плотности вероятности ложных тревог для заданного времени накопления. При записи в явном виде плотностей распределения предполагается: флуктуации сигнала полностью определяются флуктуациями помехи. Закон распределения максимальных значений хорошо совпадает с экспериментально полученной при моделировании и аппроксимируется нормальным законом с нулевым средним и единичной дисперсией при выбранном нормировании.

Совокупность операций 9…12 обеспечивает сопровождение информационных параметров шумового сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и отбраковку пеленгов локальных ложных максимумов шумовых сигналов.

В операции 9 фиксируют пеленг , соответствующий номеру пространственного канала, в котором наблюдается локальный максимум сигнала.

Операция 10 предусматривает вычисление по заданному закону аппроксимации уточненного значения пеленга шумового сигнала по данным нескольких откликов пространственных каналов в окрестности данного локального максимума сигнала, образующих сигнальный фрагмент. Вычисление осуществляется параболической аппроксимацией уровня ОСП по нескольким, например трем, точкам в окрестности метки локального максимума сигнала u₁, u₂, u₃, по формуле U_a()=u₁+u₂+²u₃, U₀=(₀)=maxU_a(), =₀ – уточненное значение пеленга.

Операция 11 предусматривает определение прогнозных оценкок пеленга и угловой скорости движения по пеленгу (ВИП) локальных максимумов сигнала за время между предыдущим и текущим циклами обзора для заданного времени накопления, для чего:

составляют из совокупности оценки пеленга и ВИПа вектор параметров движения локальных максимумов сигнала ,

вычисляют матрицу взаимно корреляционных функций для вектора параметров движения локальных максимумов сигнала ,

вычисляют скорость изменения ВИПа и пеленга за время между последовательными циклами обзора,

определяют дисперсию прогнозной оценки пеленга для заданного времени накопления и вычисляют ширину строба по пеленгу ±, в пределах которого осуществляется наблюдение каждого сигнала.

Прогноз информационных параметров _i, , , , на текущем цикле обзора осуществляется по формулам Калмановской фильтрации либо по упрощенным формулам

где dt – время между смежными циклами.

Производится умножение всех элементов матрицы ковариаций на заданный коэффициент запаса и проверка величины дисперсии пеленга , которая не должна быть ниже заданной, в противном случае матрица ковариаций заменяется на начальную.

Операция 12 – вычисление плотности вероятности смещения за цикл обзора измеренного пеленга p(₀–_M) для заданного времени накопления по формуле

Операция 13

Обобщенный вес локальных максимумов сигнала вычисляют по формулам:

где N_b – количество откликов пространственных каналов в окрестности локальных максимумов сигнала, ПОР_MW.

Устанавливают признак обнаружения в случае, если величина обобщенного веса локальных максимумов сигнала Wr_mp превышает соответствующий порог обнаружения ПОР_MW, а вероятность ложных тревог р(U_M) ниже соответствующего порога ПОР_ВЛТ.

Способ обнаружения реализуется устройством – шумопеленгаторной станцией с системой пространственной обработки сигналов – УФХН (см. Корабельная гидроакустическая техника, Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.Н., СПб., Наука, 2004 г., стр.173, рис.2.5).

Блок-схема устройства показана на фиг.2. Устройство обнаружения шумящих в море объектов фиг.2 состоит из многоэлементной, например, цилиндрической антенны 1, элементы которой соединены с системой предварительной обработки, далее с системой пространственной обработки 2, системой первичной обработки информации 5 и системой вторичной обработки информации 9.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью приемной системы следующим образом. Шумовые сигналы принимаются антенной 1. С выхода антенны 1 сигналы передаются в блок 2 формирования пространственных каналов наблюдения – статических вееров характеристик направленности в горизонтальной плоскости. Далее через блоки 6 диапазонных фильтров, детектирования и накопления (осреднения) сигналы поступают в блоки 7 обработки сигналов.

На индикаторном устройстве 10 регистрируется панорама совокупности принимаемых сигналов на выходе приемной системы, для которых выполнены указанные выше процедуры.

Формула изобретения

Способ обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне, включающий прием первичного поля шумоизлучения объектов в горизонтальной плоскости, при котором осуществляют частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов для каждого канала наблюдения в горизонтальной плоскости, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе, осуществляют наблюдение на каждом цикле обзора отметок принятых шумовых сигналов всей совокупности пространственных каналов в горизонтальной плоскости и принимают решение об его обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха, отличающийся тем, что

на очередном цикле обзора наблюдение осуществляют двумя независимыми последовательностями операций:

первая последовательность – операции сопровождения энергетических параметров шумового сигнала по уровню, дисперсии уровня и отбраковки локальных ложных максимумов шумовых сигналов, для чего

отделяют шумовые сигналы от фоновых шумов над уровнем, который понижен в несколько раз относительно порога обнаружения,

определяют уровень всех локальных максимумов сигнала,

вычисляют по заданному закону аппроксимации уточненное значение уровня шумового сигнала по данным нескольких откликов пространственных каналов в окрестности данного локального максимума сигнала, образующих сигнальный фрагмент,

определяют смещение уровня сигнала за время между предыдущим и текущим циклами обзора и вычисляют плотность вероятности измеренного смещения уровня сигнала и плотность вероятности ложных тревог для заданного времени накопления,

вторая последовательность – операции сопровождения информационных параметров шумового сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и отбраковки пеленгов локальных ложных максимумов шумовых сигналов, для чего

фиксируют пеленг пространственного канала, в котором наблюдается каждый локальный максимум сигнала,

вычисляют по заданному закону аппроксимации уточненное значение пеленга шумового сигнала по данным нескольких откликов пространственных каналов в окрестности данного локального максимума сигнала, образующих сигнальный фрагмент,

составляют из совокупности оценки пеленга и величины изменения пеленга (ВИП) вектор параметров движения локальных максимумов сигнала,

вычисляют матрицу взаимно корреляционных функций для вектора параметров движения локальных максимумов сигнала,

вычисляют скорость изменения ВИПа и пеленга за время между предыдущим и текущим циклами обзора,

определяют прогнозные оценки пеленга и ВИПа локальных максимумов сигнала за время между предыдущим и текущим циклами обзора для заданного времени накопления,

определяют дисперсию прогнозной оценки пеленга для заданного времени накопления и вычисляют ширину строба по пеленгу, в пределах которого осуществляется наблюдение каждого сигнала,

вычисляют плотность вероятности смещения измеренного пеленга для заданного времени накопления,

по результатам выполнения двух последовательностей операций вычисляют обобщенный вес локальных максимумов сигнала,

сравнивают обобщенный вес локальных максимумов сигнала с порогом обнаружения сигнала, который соответствует пороговому отношению сигнал-помеха.

РИСУНКИ