СПОСОБ ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H04R1/44 G01S7/52 

Изобретение относится к обработке гидроакустической информации в приемных гидроакустических системах.

В гидроакустических комплексах и станциях в большинстве случаев используются системы кругового или секторного обзора с применением так называемого "статического веера" характеристик направленности (ХН), у которых оси сдвинуты друг от друга на постоянный угол так, чтобы на верхней частоте f_в рабочего диапазона частот f ∈ [f_н, f_в] характеристики направленности пересекались друг с другом на половинной мощности (на уровне 0,707 по давлению). Такие статические, т.е. неподвижные относительно курсового угла объекта носителя гидроакустической системы (ГАС), характеристики направленности заполняют сектор обзора в несколько ярусов. Ширина таких характеристик направленности составляет обычно несколько градусов на верхней частоте рабочего диапазона
α_0,5^o= β^o/N, где α_0,5 ширина раствора главного максимума характеристики направленности на уровне 0,5 по мощности в градусах;
N число главных максимумов характеристик направленности в "веере";
β сектор обзора в градусах (при круговом обзоре β^о 360^о). Поэтому точность определения направленности на цель невелика. Поиск путей повышения точности определения направленности на цель при обзоре с использованием статического веера ХН является актуальной задачей.

Известен способ снижения уровня когерентных помех путем пространственного нормирования порогового уровня [1] который используют в приемных трактах с веером сформированных характеристик направленности. Используют одновременно группу смежных лепестков ХН. Центральный лепесток ХН используют для приема полезного сигнала, а боковые для усреднения уровня помех. По этому усредненному уровню выбирают пороговый уровень, выше которого сигнал считается обнаруженным, например, по критерию Неймана-Пирсона.

Однако этот способ обладает малой помехоустойчивостью.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ, примененный в ГАС кругового обзора Raytheon-1160 [2] Согласно этому способу акустические сигналы в воде принимают неподвижной гидроакустической антенной, преобразуют акустический сигнал в электрические колебания, усиливают и производят частотную фильтрацию этих колебаний, формируют N направлений пространственной фильтрации, сдвинутых относительно друг друга на угол α где β^о угол обзора, охватывающий статический веер характеристик направленности антенны, пересекающихся на заданном уровне, а также усреднение сигналов во времени. При этом за направлением на источник сигнала принимается направление, соответствующее характеристике направленности (или группы ХН), на выходе того приемного тракта, на выходе которого наблюдается наибольший сигнал.

Недостатком этого способа является малая точность определения направления на цель, вынуждающая применять дополнительные тракты точного пеленгования и сопровождения до пеленгу. Другим недостатком, еще более усугубляющим малую точность пеленгования, является то, что ХН пересекаются на высоком уровне. Из-за этого наблюдается отметка о цели одновременно по нескольким приемным каналам, т. е. на нескольких курсовых углах, что затрудняет оценку направления на цель и делает ее еще менее точной, чем при однолепестковом приеме максимальным методом пеленгования.

Устройство-тракт приема сигнала гидролокационной системы Raytheon-1160, реализующее этот способ, содержит параллельно-последовательно соединенные акустико-электрические приемники стационарной гидроакустической антенны, многоканальный блок усиления и фильтрации, блок формирования 18-ти ХН типа Dimis, блок усреднения по 18-ти приемным каналам, соответствующим 18-ти ХН, блок отображения информации по 18-ти приемным каналам. Система цифрового формирования ХН Dimis содержит параллельно-последовательно соединенные регистры сдвига, входы которых соединены с выходами входных цепей (усилителями-ограничителями, преобразующими сигнал в последовательность прямоугольных импульсов), фильтров, детекторов и сглаживающих фильтров.

Недостатком этого устройства является малая точность определения направления на цель в тракте кругового обзора со сформированным статическим веером ХН.

Задачей изобретения является повышение точности определения направления на цель по тракту обзора со статическим веером ХН и подавление многозначности отметки о цели не индикаторе обзора пространства.

Для этого в способе обзора пространства гидроакустической системой, включающем прием акустического сигнала в водной среде с помощью неподвижной гидроакустической антенны, преобразование акустического сигнала в электрические колебания, усиление и частотную фильтрацию этих колебаний, формирование N направлений пространственной фильтрации в пространстве обзора, сдвинутых относительно друг друга на угол α где β^о угол обзора, охватывающий статический веер характеристик направленности антенн, пересекающихся на заданном уровне, а так- же усреднение во времени сигналов, принимаемых по каждому из направлений пространственной фильтрации, и определение направления на цель, по каждому направлению пространственной фильтрации электрические колебания после их усиления и частотной фильтрации преобразуют в энергетические спектры, которые сопоставляют попарно по соседним направлениям пространственной фильтрации и определяют направление Θ_х на удаленный источник сигнала из уравнения
, где G₁(f), G₂(f) энергетические спектры, соответствующие соседним направлениям пространственной фильтрации; R( Θ ) любая из характеристик направленности статического веера, причем Θ_х определяют для каждой из частот спектрального анализа в рабочем диапазоне, после чего усредняют по ансамблю полученные данные, при этом после сопоставления энергетических спектров G₁(f) и G₂(f) подавляют сигналы в направлениях с меньшими значениями энергетических спектров на всех частотах.

В устройство приема сигнала гидроакустической системы, содержащее последовательно соединенные гидроакустическую антенну, многоканальный блок усиления и фильтрации сигналов, блок многоканального аналого-цифрового преобразования, блок формирования характеристик направленности и систему отображения информации, блок многоканального анализа энергетических спектров, блоки электронных реле, блоки вычисления направлений на источник сигнала и блоки управления. Синхровыходы блока управления соединены соответственно с синхровходами блока многоканального аналого-цифрового преобразования, блока формирования характеристик направленности, блока многоканального анализа энергетических спектров, блоков сравнения и деления энергетических спектров, блоков электронных реле, блоков вычисления направления на источник сигнала и системы отображения информации, причем входы блока многоканального анализа энергетических спектров соединены с выходами блока формирования характеристик направленности, а его выходы попарно с входами блоков сравнения и деления энергетических спектров и входами блоков электронных реле, которые соединены с управляющими выходами блоков сравнения и деления энергетических спектров, при этом выходы блоков сравнения и деления соединены с входами блоков вычисления направления на источник сигнала, а выходы блоков электронных реле и блоков вычисления направления на источник сигнала соединены с соответствующими входами системы отображения информации.

На фиг. 1 приведено пояснение к способу формирования ХН в пространстве обзора гидроакустической системы; на фиг. 2 блок-схема предлагаемого устройства приема гидроакустической системой.

П р и м е р. Был произведен прием сигнала в водной среде с помощью линейной придонной гидроакустической антенны длиной l. Акустические сигналы в воде от удаленного косяка рыб преобразовывались с помощью акустико-электрических преобразователей, усиливались, частотно фильтровались, а потом пространственно отфильтровывались с помощью веера статических характеристик направленности (фиг. 1), пересекающихся друг с другом на уровне 0,5 по энергии. Чтобы избежать неоднозначности определения направления на акустический сигнал от косяка рыб электрические сигналы по каждому приемному каналу преобразовывались в энергетические спектры и формировалось отношение двух энергетических спектров G₁(f) и G₂(f) от рядом расположенных пространственных приемных каналов. Из уравнения
определялось значение Θ_х, являющееся более точным направлением, чем направление по отметкам на индикаторе от нескольких пространственных каналов.

Квадрат характеристик направленности описывался формулой
R²(f,θ_x) , где l размер антенны;
с скорость звука в среде.

По второму приемному каналу
R²(f,θ_x+α_0,5) . Отношение
имеет только одну неизвестную величину Θ_х, которая может быть найдена из этого уравнения. Чтобы получить явное выражение для Θ_х была сделана линейная аппроксимация квадрата ХН, при которой функцию R²(f, Θ ) при l можно приближенно аппроксимировать треугольником, вершина которого расположена при Θ 0, а основание равно расстоянию до первого нуля функции R²( Θ), т.е. до угла Θ_оо, определяемому выражением
sinθ_oo= θ_oo Тогда
R²(θ) 1- ;
R²(θ+α_0,5) 1- и, следовательно,
. Откуда, окончательно
θ_x= . Были выполнены расчеты при разных f, соответствующих условию l > 1, и было произведено усреднение, что позволило найти Θ_х с повышенной точностью.

Следует отметить, что в нахождении угла Θ_оо погрешность вносили помехи, энергетический спектр которых приведенный к входу тракта имел вид G_n(f), причем поскольку коэффициенты концентрации для R( Θ ) и для R( Θ + α_0,5) практически одинаковы, то и энергетические спектры помех G_n(f) по обoим приемным каналам тоже были одинаковыми. Тогда уравнение для определения направления Θ_оо записывается в виде
, где G(f)иG(f) энергетические спектры сигнала и помех по первому и второму приемным каналам соответственно. Таким образом для повышения точности определения направления на шумящий источник звука предварительно скомпенсировали энергетический спектр помех, запомнив его до начала воздействия сигнала, а в другом случае, использовав данные о G_n(f) по приемному каналу и отвернутому от шумящего источника.

Для повышения точности определения направления Θ_х, наряду со снижением смещенности оценки спектра сигнала из-за помех, производилось подавление флуктуационной составляющей измерения энергетического спектра, вычисляемого по процедуре БПФ в реальном масштабе времени. Среднее квадратическое значение случайной составляющей
ε , где К число усредняемых реализацией спектра. Ансамбль усредняемых спектров в рассматриваемом примере выбран был равным К1024.

В результате операций способа направления было определено примерно в 6 + 8 раз с меньшей погрешностью, чем при способе-прототипе.

Устройство приема сигнала гидроакустической системой (фиг. 2) содержит параллельно-последовательно соединенные акустико-электрические приемники 1, образующие неподвижную гидроакустическую антенну, блоки 2 усиления и фильтрации, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 3, блок 4 формирования характеристик направленности, блок 5 спектрального анализа, блоки 6 деления и электронные реле 7, блоки 8 вычисления направления Θ_х, систему 9 отображения информации, причем входы блоков 6 деления и блоков 7 электронных реле соединены с попарно расположенными каналами близлежащих характеристик направленности, а управляющие выходы блоков 6 соединены с управляемыми входами блоков 7, а также блок 10 управления, синхровыходы которого соединены соответственно с синхровходами блоков 3 9.

Устройство работает следующим образом.

Акустические сигналы в водной среде преобразуются в блоках 1 в электрические колебания (t), которые усиливаются и фильтруются в блоке 2, ограничивающем рабочую полосу частот f ∈ [f_н, f_в] Далее в блоке 3 формируется последовательность x(n). В блоке 4 формируются характеристики направленности, на каждом выходе которого имеется последовательность y_i(n), i 1, 2, N.

В блоке 5 формируются последовательности y_r,i(n) каждая по l отсчетов. Для каждой из последовательностей y_r,i(n) рассчитываются коэффициенты БПФ Y_r,i(К) по формуле
Y_r,i(K) y_r,i(n)W(n)e, где W(n) соответствующее окно (обычно типа Хэннинга или Хэмминга).

Вычисляются периодограммы
I_r,i(f_k) Y_r,i(K), где f_k частоты дискретного преобразования Фурье (ДПФ);
U W²(n) энергия окна.

Находят оценки спектральной плотности мощности (f_k) по формуле
(f_к) I_r,i(f_к).

В блоке 6 деления и сравнения находят частное от деления (f_k) и (f_k), и при уровне значимости α проверяют гипотезу: (f_k) < (f_k) путем сопоставления
Z_набл= с критической точкой Z_кр, определяемой из уравнения
Φ(Z_кр) , где Φ (·) функция Лапласа. При Z_набл. > Z_кр. гипотеза о том, что (f_k) < (f_k) считается принятой и подается команда на реле 7, которое пропускает только сигнал (t_k). При Z_набл. > Z_кр считается, что справедлива нулевая гипотеза о равенстве (f_k) (f_k), и сигнал продолжает поступать по обоим трактам, т.е. срабатывания (запирания) электронного реле 7 не производится. Значение α Z_кр и К заранее известны и они занесены в ПЗУ схемы сравнения блока деления и сравнения, которая выполняет традиционную логическую операцию сравнения.

В блоке 8 производится решение уравнения
, из которого определяют Θ_х(f_k), а потом находят в накапливающем сумматоре блока 8 усредненное значение
= (f_k), где r ансамбль частот f_k. Данные о Θ_х поступают на систему 9 отображения информации.

Использование: обработка гидроакустической информации в приемных гидроакустических системах. Сущность изобретения: способ обзора пространства гидроакустической системой включает прием акустического сигнала в водной среде с помощью неподвижной гидроакустической антенны, преобразование акустического сигнала в электрические колебания. Усиление и частотную фильтрацию этих колебаний, формирование N направлений пространственной фильтрации в пространстве обзора, сдвинутых друг относительно друга на заданный угол, а также усреднение во времени сигналов, принимаемых по каждому из направлений пространственной фильтрации, и определение направления на цель. При этом по каждому направлению пространственной фильтрации колебания после их усиления и частотной фильтрации преобразуют в энергетические спектры, которые сопоставляют попарно по соседним направлениям фильтрации и определяют направление на удаленный источник сигнала. В самостоятельном пункте формулы описано устройство для осуществления данного способа. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обзора пространства гидроакустической системой, включающий прием акустического сигнала в водной среде с помощью неподвижной гидроакустической антенны, преобразование акустического сигнала в электрические колебания, усиление и частотную фильтрацию этих колебаний, формирование N направлений пространственной фильтрации в пространстве обзора, сдвинутых относительно друг друга на угол где β угол обзора, охватывающий статический веер характеристик направленности антенны, пересекающихся на заданном уровне, а также усреднение во времени сигналов, принимаемых по каждому из направлений пространственной фильтрации, и определение направления на цель, отличающийся тем, что по каждому направлению пространственной фильтрации электрические колебания после их усиления и частотной фильтрации преобразуют в энергетические спектры, которые сопоставляют попарно по соседним направлениям пространственной фильтрации, и определяют направление q_x на удаленный источник сигнала из уравнения

где G₁(f), G₂(f) энергетические спектры, соответствующие соседним направлениям пространственной фильтрации;
R(θ_x) любая из характеристик направленности статического веера,
причем θ_x определяют для каждой из частот спектрального анализа в рабочем диапазоне,
после чего усредняют по ансаблю полученные данные, при этом после сопоставления энергетических спектров G₁(f) и G₂(f) подавляют сигналы в направлениях с меньшими значениями энергетических спектров на всех частотах. 2. Устройство для приема сигнала гидроакустической системой, содержащее последовательно соединенные гидроакустическую антенну, многоканальный блок усиления и фильтрации сигналов, блок многоканального аналого-цифрового преобразования, блок формирования характеристик направленности и систему отображения информации, отличающееся тем, что в него введены блок многоканального анализа энергетических спектров, блоки сравнения и деления энергетических спектров, блоки электронных реле, блоки вычисления направления на источник сигнала и блок управления, синхровыходы которого соединены соответственно с синхровходами блока многоканального аналого-цифрового преобразования, блока формирования характеристик направленности, блока многоканального анализа, энергетических спектров блоков сравнения и деления энергетических спектров, блоков электронных реле, блоков вычисления направления на источник сигнала и системы отображения информации, причем входы блока многоканального анализа энергетических спектров соединены с выходами блока формирования характеристик направленности, а его выходы попарно с входами блоков сравнения и деления энергетических спектров и входами блоков электронных реле, которые соединены с управляющими выходами блоков сравнения и деления энергетических спектров, при этом выходы блоков сравнения и деления соединены с входами блоков вычисления направления на источник сигнала, а выходы блоков электронных реле и блоков вычисления направления на источник с соответствующими входами системы отображения информации.