Патент на изобретение №2353946

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ШУМЯЩИХ В МОРЕ ОБЪЕКТАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования. Способ содержит следующие операции. Принимают шумовые сигналы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, осуществляют частотно-временную обработку в каждом пространственном канале наблюдения, квадрируют, суммируют по всем частотным отсчетам выходные напряжения образованных пространственных каналов, усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе, сопровождают энергетические и информационные параметры сигнала, осуществляют трассовое обнаружение путем сравнения обобщенного веса локальных максимумов сигнала с порогом обнаружения сигнала, который соответствует пороговому отношению сигнал-помеха. Способ основан на том, что на каждом цикле обзора осуществляют прием, первичную обработку, квадрирование, вторичную обработку и трассовое обнаружение шумовых сигналов, по крайней мере, еще в двух частотных диапазонах и дополнительно еще, по крайней мере, для двух углов наблюдения в вертикальной плоскости, образуя новый расширенный набор пространственных каналов. Многократный перебор по углам вертикальной плоскости и разным частотным диапазонам позволяет выделить шумящие объекты, которые в условиях перебора имеют общие параметры, и, тем самым, не пропустить истинные цели и отбраковать их от ложных во всем пространстве параметров. 2 ил.

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

Обычно в понятие «информация о шумящем в море объекте» вкладывают три основные характеристики: собственно наличие (обнаружение) объекта в море; определение класса объекта (например, сильно шумящий, слабо шумящий); определение дистанции до объекта и направление на него, его угловая скорость движения.

Известен способ получения информации о шумящем в море объекте (и способ получения цветовых шкал для него) (патент РФ 2156984) с представлением оператору результатов анализа принятого сигнала в трех частотных диапазонах гидроакустических станций. По этому способу сигнал каждого частотного диапазона кодируют своим цветом и перед индикацией производят соединение трех цветовых компонент в цветное представление, например, так же, как на экране цветного кинескопа. Получение информации о классе и дистанции до шумящего объекта осуществляют путем сопоставления цвета трассы сигнала с цветовыми шкалами классов по дистанции, полученными для существующих гидроакустических условий. Способ сложный, требует применения сложной дорогостоящей аппаратуры и не позволяет получать достоверных сведений о дистанции в реальной среде, имеющей характерную особенность распространения звука в море – многолучевость. Следствием указанного фактора является относительно низкая устойчивость способа и достоверность получаемой информации.

Наиболее близким по технической сущности является способ обнаружения шумящих в море объектов, изложенный в заявке РФ 2005127120/28(030447) от 29.08.2005 г. (решение от 16.08.2006 г. о выдаче патента). В соответствии с этим способом шумовой сигнал принимают гидроакустической антенной с развитой апертурой в горизонтальной плоскости. Частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов для каждого канала наблюдения осуществляют в горизонтальной плоскости, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе и принимают решение об его обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха. При этом осуществляют наблюдение на каждом цикле обзора отметок, полученных от принятых шумовых сигналов всей совокупности пространственных каналов в горизонтальной плоскости, и принимают решение об его обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха. На очередном цикле обзора наблюдение осуществляют двумя независимыми последовательностями операций. Первая последовательность – операции сопровождения энергетических параметров шумового сигнала по уровню, дисперсии уровня и времени существования шумового сигнала, времени потери и восстановления акустического контакта и отбраковки локальных ложных максимумов шумовых сигналов. Вторая последовательность – операции сопровождения информационных параметров шумового сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и отбраковка пеленгов локальных ложных максимумов шумовых сигналов.

Недостатком способа является то, что этот способ не позволяет обеспечить разрешение по углу прихода в вертикальной плоскости траекторий лучей. 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.

Задачей изобретения является создание способа получения информации о шумящих в море объектах в горизонтальной и вертикальной плоскостях, который одновременно позволил бы с большей достоверностью, чем в способе прототипа определять наличие шумового сигнала цели и длительно поддерживать акустический контакт с целью, уменьшив время маскирования помехой и пропадания сигнала с потерей акустического контакта.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение достоверности обнаружения и длительного поддержания контакта цели путем учета гидроакустических условий наблюдения шумящих объектов и более полной селекции шумовых сигналов в аддитивной смеси анизотропных шумовых помех по углу в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Для обеспечения указанного технического результата в способ обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне, при котором принимают шумовые сигналы в горизонтальной плоскости многоэлементной антенной решеткой гидролокатора для одного угла наклона и осуществляют первичную обработку, для чего:

преобразуют в цифровую форму напряжения шумовых сигналов антенной решетки, выполняют преобразование Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов антенной решетки,

вычисляют для полученных частотных отсчетов амплитудные и фазовые коэффициенты синфазного сложения напряжений сигналов антенной решетки,

суммируют выходные напряжения сигналов антенной решетки с постоянными весами, равными произведению амплитудных и фазовых коэффициентов, чем образуют совокупность пространственных каналов наблюдения в горизонтальной плоскости,

квадрируют и осуществляют вторичную обработку на каждом цикле обзора, для чего:

суммируют по всем частотным отсчетам выходные напряжения образованных пространственных каналов, усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе, сопровождают энергетические и информационные параметры сигнала, осуществляя:

сопровождение энергетических параметров сигнала по уровню, дисперсии уровня и времени существования сигнала, времени потери акустического контакта и выделение локальных максимумов сигналов путем отбраковки ложных, а

сопровождение информационных параметров сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и отбраковку пеленгов локальных ложных максимумов сигналов,

трассовое обнаружение путем сравнения обобщенного веса локальных максимумов сигнала с порогом обнаружения сигнала, который соответствует пороговому отношению сигнал-помеха,

введены новые признаки, а именно, осуществляют на каждом цикле обзора прием, первичную обработку, квадрирование, вторичную обработку и трассовое обнаружение шумовых сигналов, по крайней мере, еще в двух частотных диапазонах и дополнительно еще, по крайней мере, для двух углов наблюдения в вертикальной плоскости, образуя новый расширенный набор пространственных каналов,

на очередном цикле обзора пространства сначала для всех углов наблюдения в вертикальной плоскости затем для всех частотных диапазонов осуществляют обработку независимыми последовательностями операций, для чего:

определяют количество локальных максимумов сигнала шумящего в море объекта, обобщенный вес которого превысил порог обнаружения и имеет дисперсию пеленга меньше заданной величины,

составляют для каждого локального максимума обнаруженного сигнала вектор параметров в виде совокупности оценок пеленга и скорости изменения пеленга и вычисляют ковариационную матрицу вектора параметров,

вычисляют оценку близости вектора параметров к текущему вектору центра тяжести локальных максимумов обнаруженного сигнала с весом, равным обратной ковариационной матрице суммы матриц вектора параметров и вектора центра тяжести,

определяют локальные максимумы обнаруженного сигнала, у которых оценка близости вектора параметров меньше порога смещения, и вычисляют новый вектор центра тяжести локальных максимумов сигнала и ковариационную матрицу вектора центра тяжести, если порог не превышен,

определяют локальные максимумы, оценка близости вектора параметров которых имеет наименьшее значение и вектор центра тяжести которых на текущем цикле отличается от вектора центра тяжести на предыдущем цикле меньше порога близости, и принимают принадлежащими одному шумящему в море объекту,

определяют локальные максимумы, вектор параметров которых на текущем цикле отличается от вектора параметров предыдущего цикла меньше, чем на величину заданного порога близости, и принимают принадлежащими одному шумящему в море объекту те из них, которые имеют наименьшее отличие вектора параметров,

определяют количество таких шумящих в море объектов и для них определяют угол наблюдения в вертикальной плоскости и частотный диапазон.

Технический результат достигается благодаря тому, что прием шумовых сигналов осуществляют на каждом цикле обзора, по крайней мере, в трех частотных диапазонах для трех углов наблюдения в вертикальной плоскости, образуя новый расширенный набор пространственных каналов. Это позволяет выполнять обработку информации, поступающей от смежных пространственных каналов, с большей достоверностью, чем в способе прототипа, и обеспечивает возможность обнаружить шумовой сигнал цели и длительно поддерживать акустический контакт с целью, уменьшив время маскирования помехой и пропадания сигнала с потерей акустического контакта.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими изображениями, на которых показаны:

на фиг.1 блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ, на фиг.2 – блок-схема способа обнаружения как последовательность операций.

Способ обнаружения реализуется устройством – шумопеленгаторной станцией с системой пространственной обработки сигналов (см. Карякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.Н. Гидроакустические средства ,2005 г., стр.173, на рис.2.5 УФХН).

Устройство обнаружения шумящих в море объектов (фиг.1) состоит из многоэлементной, например, цилиндрической гидроакустической антенны 1. Элементы антенны соединены с многоканальным устройством предварительной обработки, далее – с системой пространственной обработки блока 2, затем с многоканальной системой первичной обработки информации 5.15.А и системой вторичной обработки информации 10.110.А·Б.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью приемной системы следующим образом.

Шумовые сигналы принимаются многоэлементной гидроакустической антенной 1 в горизонтальной и в вертикальной плоскостях (операция 19, фиг.2). Напряжения шумовых сигналов антенной решетки в блоках 2-3 (2.12.А – 3.13.А) преобразуют в цифровую форму, затем выполняют преобразование Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов (операция 20, фиг.2). Для каждого из полученных частотных отсчетов в блоках 4-8 (4.14.А – 8.18.А) вычисляют амплитудные и фазовые коэффициенты синфазного сложения напряжений сигналов антенной решетки (операция 21, фиг.2). Суммируют выходные напряжения сигналов антенной решетки с постоянными весами, равными произведению амплитудных и фазовых коэффициентов. Тем самым образуют А пространственных каналов в горизонтальной с М и в вертикальной плоскости, по крайней мере, с N=3 характеристик направленности. Шумовые сигналы принимают каждым из А=М·N пространственных каналов, которые получены для частоты f_k (где f_k=kf, f – заранее выбранный шаг по частоте в результате выполнения в блоке 2 операции 20 преобразования Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов). Целые числа k находятся в интервале от k_н до k_в, при этом фиксированный частотный диапазон расположен в интервале от до .

Далее осуществляют вторичную обработку и трассовое обнаружение на каждом цикле обзора.

Шумовые сигналы квадрируют в блоках 9 (9.19.А), производят формирование в блоках 10-12 (10.110.АБ – 12.112.АБ), по крайней мере, Б=3 частотных диапазона наблюдения, каждый из которых образован интервалом , , , усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе (операция 22, фиг.2).

Сопровождают энергетические параметры сигнала в блоках 13 (13.113.А·Б) по уровню, дисперсии уровня и времени существования сигнала, времени потери акустического контакта и выделяют локальные максимумы сигнала путем отбраковки ложных (операция 23). В этих блоках сопровождают информационные параметры сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и осуществляют отбраковку пеленгов локальных ложных максимумов сигналов (операция 24, фиг.2).

В блоке 14 определяют количество локальных максимумов сигнала по патенту ₀, обобщенный вес которых превысил порог обнаружения и имеет дисперсию пеленга меньше заданной величины (операция 25). здесь – пеленг, соответствующий номеру пространственного канала, в котором наблюдается локальный максимум сигнала U_a().

В блоке 15 составляют для каждого локального максимума j-того обнаруженного сигнала вектор параметров в виде совокупности оценок пеленга и скорости изменения пеленга , вычисляют ковариационную матрицу R_j вектора параметров Х_j j=1,, L и используют ее диагональ

(операция 26).

В блоке 16 вычисляют на i-том цикле обзора оценку близости S_j вектора параметров к вектору центра тяжести локальных максимумов обнаруженного сигнала С_i-1 с весом, равным обратной ковариационной матрице суммы матриц вектора параметров R_j и вектора центра тяжести R_Ci-1, по формуле (операция 27). Определяют локальные максимумы обнаруженного сигнала, у которых оценка близости вектора параметров S_j меньше порога смещения , и вычисляют вектор центра тяжести локальных максимумов сигнала С_i по формуле если порог не превышен . Ковариационную матрицу нового вектора центра тяжести вычисляют по формуле (операция 28).

В блоке 17 определяют локальные максимумы, оценка близости S_j которых имеет наименьшее значение

и вектор центра тяжести которых на текущем цикле C_i отличается от вектора центра тяжести на предыдущем цикле С_i-1 меньше порога близости и принимают принадлежащими одному шумящему в море объекту (операция 29).

В блоке 18 определяют локальные максимумы, вектор параметров Х_j которых на текущем i-том цикле отличается от вектора параметров предыдущего (i-1)-го цикла меньше, чем на величину заданного порога близости , и принимают принадлежащими одному шумящему в море объекту те из них, которые имеют наименьшее отличие параметров по оценке близости S_j (операция 30).

В блоке 19 определяют количество шумящих в море объектов и для них определяют угол наблюдения в вертикальной плоскости сигнала и частотный диапазон (операция 31).

Прием шумовых сигналов, образуя новый расширенный набор пространственных каналов в частотных диапазонах для нескольких углов наблюдения в вертикальной плоскости, обеспечивает обработку информации с большей достоверностью, чем в способе прототипа. Многократный перебор по углам вертикальной плоскости и разным частотным диапазонам позволяет выделить шумящие объекты, которые в условиях перебора имеют общие (единые) параметры, и, тем самым, не пропустить истинные цели и отбраковать их от ложных во всем пространстве параметров. Это позволяет считать задачу выполненной.

Формула изобретения

Способ получения информации о шумящих в море объектах, при котором принимают в фиксированном частотном диапазоне шумовые сигналы в горизонтальной плоскости многоэлементной антенной решеткой шумопеленгатора и осуществляют первичную обработку, для чего: преобразуют в цифровую форму напряжения шумовых сигналов антенной решетки, выполняют преобразование Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов антенной решетки, вычисляют для каждого из полученных частотных отсчетов амплитудные и фазовые коэффициенты синфазного сложения напряжений сигналов антенной решетки, суммируют выходные напряжения сигналов антенной решетки с постоянными весами, равными произведению амплитудных и фазовых коэффициентов, чем образуют совокупность пространственных каналов наблюдения в горизонтальной плоскости, квадрируют и осуществляют вторичную обработку и трассовое обнаружение на каждом цикле обзора, для чего: суммируют по всем частотным отсчетам выходные напряжения образованных пространственных каналов, усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе, осуществляют наблюдение полученных отметок принятых сигналов и сопровождение энергетических и информационных параметров сигнала, осуществляя сопровождение энергетических параметров сигнала по уровню, дисперсии уровня и времени существования сигнала, времени потери акустического контакта и выделение локальных максимумов сигналов путем отбраковки ложных, а сопровождение информационных параметров сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и отбраковку пеленгов локальных ложных максимумов сигналов, трассовое обнаружение путем сравнения обобщенного веса локальных максимумов сигнала с порогом обнаружения сигнала, который соответствует пороговому отношению сигнал-помеха, отличающийся тем, что осуществляют на каждом цикле обзора прием, первичную обработку, квадрирование, вторичную обработку и трассовое обнаружение шумовых сигналов, по крайней мере, еще в двух частотных диапазонах и дополнительно еще, по крайней мере, для двух углов наблюдения в вертикальной плоскости, образуя новый расширенный набор пространственных каналов, на очередном цикле обзора пространства для всех углов наблюдения в вертикальной плоскости для всех частотных диапазонов осуществляют обработку независимыми последовательностями операций, для чего: определяют количество локальных максимумов сигнала шумящего в море объекта, обобщенный вес которых превысил порог обнаружения и имеет дисперсию пеленга меньше заданной величины, составляют для каждого локального максимума обнаруженного сигнала вектор параметров в виде совокупности оценок пеленга и скорости изменения пеленга, вычисляют ковариационную матрицу вектора параметров, вычисляют оценку близости вектора параметров к текущему вектору центра тяжести локальных максимумов обнаруженного сигнала с весом, равным обратной ковариационной матрице суммы матриц вектора параметров и вектора центра тяжести, определяют локальные максимумы обнаруженного сигнала, у которых оценка близости вектора параметров меньше порога смещения, и вычисляют новый вектор центра тяжести локальных максимумов сигнала и ковариационную матрицу вектора центра тяжести, если порог не превышен, определяют локальные максимумы, оценка близости вектора параметров которых имеет наименьшее значение и вектор центра тяжести которых на текущем цикле отличается от вектора центра тяжести на предыдущем цикле меньше порога близости, и принимают принадлежащими одному шумящему в море объекту, определяют локальные максимумы, вектор параметров которых на текущем цикле отличается от вектора параметров предыдущего цикла меньше, чем на величину заданного порога близости, и принимают принадлежащими одному шумящему в море объекту те из них, которые имеют наименьшее отличие вектора параметров, определяют количество таких шумящих в море объектов и для них определяют угол наблюдения в вертикальной плоскости сигнала и частотные диапазоны.

РИСУНКИ