СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ИСТОЧНИКА ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01S15/00 

Предлагаемый способ относится к области пассивной локации и может быть использован для измерения дальности до рыболовного судна в системе охраны морской экономической зоны или до айсберга ("жизнедеятельность" айсберга проявляется, в частности, в его таянии, сопровождающемся генерацией шума) в системе защиты от айсбергов морских платформ нефтедобычи.

Для практических целей, как правило, необходимо обеспечить измерение и дальности, и пеленга источника шумоизлучения. Однако в связи с возможностью независимого измерения этих параметров, а также в связи с тривиальностью решения задачи измерения пеленга последняя задача в рамках заявляемого объекта не рассматривается.

Известные способы измерения дальности до источника шумоизлучения могут быть разделены на следующие группы. К первой группе относятся способы, основанные на многопозиционном приеме и пеленговании источника несколькими приемными позициями (триангуляционный, или угломерный способ), либо измерении разностей расстояний от источника до приемных позиций (разностно-дальномерный способ), либо комбинации указанных двух способов (угломерно-разностно-дальномерный способ) (см. В.В. Караваев, В.В. Сазонов. Статическая теория пассивной локации. М., Радио и связь, 1987, р. 5.4.). Ко второй группе относятся способы, основанные на анализе кривизны фронта волны полезного сигнала (см. цитированную книгу В.В. Караваева, р. 5.1, а также "Подводная акустика и обработка сигналов" под ред. Л. Бъерне. М., Мир, 1985, стр. 325-328 и стр. 415-418). Недостатком указанных способов является необходимость либо наличия нескольких существенно разнесенных в пространстве приемных позиций, либо наличия приемной антенны с очень большой апертурой - при условии сохранения когерентности полезного сигнала по фронту в пределах всей апертуры антенны. Следствиями указанных факторов являются высокие затраты на реализацию способа измерения дальности или/и относительно низкая точность измерения.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения дальности до источника шумоизлучения, описанный в книге "Подводная акустика и обработка сигналов" под ред. Л. Бъерне. М., Мир, 1985, стр. 417 (последний абзац) и 418 (первый абзац). В указанном способе (прототипе) при измерении дальности реализуются операции приема сигналов (фактически имеется в виду прием смеси сигнала шумоизлучения и помехи), их фильтрации, детектирования и усреднения, после чего дальность получается подбором гипотетической дальности. Данный способ обеспечивает измерение дальности, основанное на анализе необходимых задержек, вводимых в элементы антенны в обеспечение ее фокусировки на источник как по пеленгу, так и по дальности.

Недостатком прототипа является низкая точность измерения вследствие имеющих место на практике ограничений на величину апертуры антенны. Для того, чтобы работал эффект фокусировки антенны по дальности на расстояниях хотя бы 5. ..10 км, необходима апертура антенны в сотни метров, однако при таких размерах антенны ограничения точности измерения обусловлены несохранением когерентности полезного сигнала на столь большом пространственном интервале. Кроме того, как указано в цитированном источнике (стр. 418), способ вообще перестает действовать при многолучевом распространении, что, как правило, и имеет место на практике.

Заявляемый способ измерения дальности до источника шумоизлучения предусматривает прием смеси сигнала шумоизлучения и помехи, измерение спектра (здесь и далее, если это не оговорено особо, имеется ввиду энергетический спектр) принятого сигнала, измерение спектра принятой помехи, предварительное формирование прогнозируемых спектров сигнала шумоизлучения в точке приема, вычисление опорного спектра по каждому из сформированных прогнозируемых спектров с учетом результата измерения спектра принятой помехи, вычисление величин функциональной корреляции между измеренным спектром сигнала шумоизлучения и каждым из опорных спектров и подбора гипотетического значения дальности по соотношениям величин функциональной корреляции. Здесь и далее использованный термин "функциональная корреляция" является обобщающим по отношению к классическому термину "корреляция" (см. В.И.Винокур, Р.А. Ваккер. Вопросы обработки сложных сигналов в корреляционных системах. М. Советское радио. 1972. с. 51).

Блок-схема заявляемого способа приведена на фиг. 1, где обозначены: 1 - прием смеси сигнала шумоизлучения и помехи; 2 - измерение спектра принятой помехи; 3 - измерение спектра смеси принятого сигнала шумоизлучения и помехи; 4.1-4.A - предварительное формирование прогнозируемых спектров сигнала шумоизлучения в точке приема; 5.1-5. A - вычисление опорного спектра (с учетом результата измерения спектра принятой помехи); 6.1-6.A - вычисление функциональной корреляции; 7 - подбор гипотетического значения дальности.

Операция 1 предусматривает преобразование акустических сигналов в электрические. Она может быть реализована как одним гидрофоном, так и антенной решеткой из нескольких гидрофонов. Смысл операций 2 и 3 определяется их названиями. Совокупность операций 4 (4.1...4.A) реализуется путем предварительного расчета и запоминания спектров сигнала шумоизлучения в точке приема при заданных дальностях, например, R_i = iΔR (где ΔR - заранее выбранный шаг по дистанции, составляющий на практике (0.005-0.1)R_max, где R_max - максимально возможная дальность до источника шумоизлучения, i=1...N - целые числа, причем NΔR = R_max ) и параметрах наклона спектра сигнала шумоизлучения (приведенного к расстоянию 1 м от источника) V_j. При этом спектр сигнала шумоизлучения в точке излучения (т.е. в одном метре от источника) с точностью до несущественной константы равен (где f_l = lΔf, Δf - заранее выбранный шаг по частоте; на практике он может составлять от 0.1 до 50 Гц); целые числа l находятся в диапазоне от l_H до l_B, при этом рабочий диапазон частот расположен в интервале от f_lH до f_lB.

При заданных значениях R_i и V_j прогнозируемый спектр сигнала шумоизлучения в точке приема с точностью до несущественной константы вычисляется по формуле:

где β(f_l) - величина километрического затухания на частоте f_l, вычисляемая, например, для летних условий распространения по формуле

где a₁ - несущественная (в данном способе измерения дальности) константа (она может быть положена равной 0), a₂ и a₃ - констатны, зависящие от района использования способа. Так, например, в Охотном море a₃=1.5, a₂=0.036, а в Черном море a₃=2, a₂=0.005.

Выбор значений V_j осуществляется следующим образом. Возможные наклоны спектра сигнала шумоизлучения в принципе варьируются в диапазоне значений от n= 3 дБ/окт (при этом V_j=1) до n=8 дБ/окт (при этом V_j=2.66). В общем случае V_j=n_j•0.3322.

Согласно результатам проведенного моделирования заявляемого способа целесообразен перебор всех возможных значений n_j с шагом 0.25 дБ/окт, тогда V_j= [3+(j-1)•0.25] •0.3322 при целых значениях j=1...M, где M=21. При более точном априорном знании величины параметра наклона спектра диапазон значений индекса j может быть сокращен.

Спектры G_прi,j(f_l) рассчитываются для всех сочетаний индексов i=1...N, j= 1...M, чем обеспечивается выполнение операций 4.1-4.A, при этом общее число спектров G_прi,j(f_l) составляет A=N•M. Каждый спектр содержит по l_В-l_Н+1 отсчетов.

При приеме сигнала и помехи на многоэлементную антенную решетку в расчетах спектров учитываются частотные зависимости коэффициента усиления решетки по сигналу и помехе. В настоящем описании этот учет для простоты опущен.

Рассчитанные значения спектров G_прi,j(f_l) (массивы спектров) заносятся в долговременные (постоянные) запоминающие устройства.

Операция 5 (5.1...5A) для спектра с индексами i и j предусматривает вычисления по формуле

где результат выполнения операции 2 (измерения спектра принятой помехи) на частоте f_l.

Операция вычисления массивов H_опi,j(f_l) реализуется A раз.

Операция 6 (6.1. ..6A) реализуется для каждого из рассчитанных опорных спектров H_опi,j(f_l) путем вычисления по формуле

либо по формуле

где результат выполнения операции измерения спектра принятой смеси сигнала и помехи (на частоте f₁, принадлежащей диапазону частот f_H... f_B).

Возможны различные варианты реализации операции 7 (подбор гипотетического значения дальности). В одном из них эта операция реализуется следующим образом. Определяется то сочетание индексов i=i₀ и j=j₀, при котором величина K максимальна, т.е. удовлетворяет условию

Измеряемая величина дальности при этом может быть определена как

либо (в более точном варианте реализации заявляемого способа)

Последнее соотношение методически основано на уточнении оценки дальности путем определения абсциссы максимума параболы, приведенной через три смежных "по дистанции" отсчета решающей статистики K_i,j (см. , например, "Применение цифровой обработки сигналов" под ред. Э. Оппенгейма, М., Мир, 1980, стр. 325).

Результаты моделирования заявляемого способа показали, что для достижения потенциально возможной точности целесообразно не столько применение формулы расчета дальности в варианте б), сколько применение формулы в варианте а) при выборе достаточно малого значения кванта дальности ΔR.
Как отмечено выше, целесообразно выбирать ΔR = (0.005...0.1)•R_max, где R_max - максимально возможная дальность.

Возможен очевидный вариант реализации способа, при котором в начале при относительно большом значении ΔR(ΔR = 0,1R) определяется грубая оценка дальности а затем в стробе с центром в точке реализуется точное измерение при малом значении ΔR.
Возможен также вариант реализации заявленного способа при A=3; при этом дальность оценивается по положению максимума функции, связывающей вычисленные 3 величины функциональной корреляции и истинную дистанцию до объекта. (Для простоты описания способа соответствующие расчетные соотношения в этом варианте его реализации опускаются).

Принцип действия заявляемого способа основан на том, что постоянная составляющая результата вычисления функциональной корреляции K_i,j (при соответствующем определении необходимых нормировок отсчетов уровней опорных спектров, получаемых по соответствующим прогнозируемым спектрам сигналов шумоизлучения в точке приема) будет максимальной именно при тех индексах i и j, при которых значения дальности R_i и параметра наклона спектра V_j в наибольшей степени соответствуют истинным значениям дальности и параметра наклона спектра (здесь оценка параметра спектра является побочным результатом реализации заявляемого способа). В соответствии с результатами моделирования, заявляемый способ при точном задании параметра a₂ в формуле для расчета величины километрического затухания (неточность задания параметров a₁ и a₃ в указанной формуле существенного влияния на точность измерения дальности не оказывает) обеспечивает измерение (при ширине полосы анализа 1 кГц), времени измерения 25 с и практически пороговом отношении сигнал/шум) со стандартной относительной погрешностью не более 2...3%. При наличии ошибки в задании величины a₂ имеет место систематическая ошибка в оценке дистанции, причем относительная величина последней обратно пропорциональна относительной ошибке в задании величины a₂.

Блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ, практически повторяет блок-схему на фиг. 1 (при очевидных уточнениях названий отдельных элементов) и поэтому в настоящем описании отдельно не приводится.

При реализации указанного устройства между выходом антенны (выполняющей операцию 1 приема смеси сигнала и помехи) и входами блоков, реализующих операции измерения спектров помехи (2) и сигнала (3), включен многоканальный (по числу элементов антенны) аналого-цифровой преобразователь, содержащий, в частности, генератор тактовых импульсов, обеспечивающий "взятие" выборок смеси сигнала и помехи. В простейшем случае, при двух элементах антенны, блоки, реализующие операции 2 и 3, имеют по 2 функциональных входа (а антенна соответственно 2 выхода); при этом блок, выполняющий операцию 2, реализуется как последовательно соединенные блок вычитания и блок спектрального анализа, а блок, выполняющий операцию 3, - как последовательно соединенные блок суммирования и блок спектрального анализа. Каждый из указанных блоков спектрального анализа содержит соединенные последовательно блок L-точечного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) (см. блок 1 описания "Процессора дискретного преобразования Фурье" по АС N 1361574), многоканальный блок вычисления квадрата модуля, в каждом l-м канале которого вычисляется квадрат модуля l-того коэффициента ДПФ по формуле:
|B_l|² = Re(B_l)²+Im(B_l)²,
(где Re(B₁) и Im(B₁) соответственно реальная и мнимая части соответствующего коэффициента ДПФ), и многоканальный накапливающий сумматор (т.е. совокупность накапливающих сумматоров), в каждом l-м канале которого реализуется накопление поступающих последовательно во времени значений |B_l|².
Все накапливающие сумматоры объединены по синхровходам (при подаче импульса на синхровход содержимое всех накапливающих сумматоров обнуляется).

При ориентации антенны в направлении на полезный сигнал блок вычитания (входящий в состав блока, выполняющего операцию 2) обеспечивает подавление полезного сигнала, т.е. обеспечивает возможность измерения спектра помехи. Блок суммирования (в составе блока, выполняющего операцию 3) обеспечивает частичное (на 3 dB) подавление помехи, что увеличивает отношение сигнал/шум в принимаемой смеси сигнала и помехи.

Ориентация антенны в направлении на источник сигнала может быть осуществлена либо механическим поворотом, либо путем электронной компенсации.

Процедуры предварительного вычисления спектров сигналов в точке приема непосредственно в составе заявляемого объекта могут для простоты не рассматриваться. При этом блоки, реализующие операции 4.1-4.A, представляют собой постоянные запоминающие устройства. При рассмотрении же указанных процедур в составе заявляемого объекта последние блоки включают также и процессоры, вычисляющие массивы G_прi,j(f_l).

Блоки, выполняющие операции 5.1-5.A, содержат процессоры, вычисляющие массивы H_опi,j(f_l), и оперативные запоминающие устройства, хранящие результаты вычислений.

Блок 6 содержит комбинационные арифметические устройства вычитания, умножения и сложения, обеспечивающие вычисление величин K_i,j по указанным выше формулам.

Блок, реализующий операцию 7, является, например, многовходовым цифровым компаратором последовательного или параллельного типа. Алгоритм работы указанного компаратора следующий:
1) В ячейку оперативного запоминающего устройства (назовем ее K_max) заносится машинный нуль. Значения индексов i и j также устанавливаются в нуль.

2) Затем сигналы (их коды) на выходах блоков 6 с индексами i,j сравниваются со значением K_max, Если величина K_i,j больше K_max, то в ячейку K_max заносится значение K_i,j и индексы i и j.

3) После этого индекс j увеличивается на 1 и повторяют шаг 2 до тех пор, пока j не примет значение A.

4) Обнуляют индекс j и увеличивают на 1 индекс i. Затем повторяют шаги 2-3 до достижения индексом i значения A.

5) По окончании шага 4 в ячейке ОЗУ находятся значение K_max и соответствующие ему значения индексов i и j, однозначно связанные с искомой дальностью и наклоном спектра шумоизлучения в точке излучения.

Заявляемый способ в части операций 2...7 технически реализуется на средствах вычислительной техники, которые могут быть либо аппаратными, либо программируемыми. В первом случае требуемая последовательность выполнения операций 2...7 обеспечивается соответствующим соединением элементов памяти и арифметических блоков комбинационного типа. Во втором случае требуемая последовательность операций 2...7 обеспечивается программируемым вычислителем, при этом вычислитель должен иметь доступ к внешней памяти объемом 0.5-4 Мбайт для хранения заранее вычисленных опорных спектров и промежуточных результатов вычислений и процессор, обеспечивающий реализацию базовых арифметических операций, сравнение чисел и условные переходы.

Заявляемый способ в динамике реализуется следующим образом. Прием смеси сигнала и помех реализуется непрерывно. Операция 2 измерения спектра помехи (а также измерения принятой смеси сигнала и помехи 3) фактически реализуется как измерение соответствующего спектра путем вычисления ДПФ от входной реализации на интервале времени τ₀ (на практике τ₀ ≈ 0,5c) при обновлении данных в окне анализа также с периодом τ₀, а также осреднение (реализуемое накапливающими сумматорами) квадратов модулей результатов ДПФ на интервале времени τ_s (на практике τ_s = 20-30c), при этом некогерентно накапливается 40-60 результатов измерений мгновенного спектра. Результаты выполнения операций 2 и 3 формируются 1 раз за τ_s секунд (в конце каждого τ_s - секундного интервала осреднения).

После формирования очередных результатов измерения спектров (операции 2 и 3) через некоторое время задержки τ_з ≪ τ₀ (на практике τ_з ≈ 10^-4-10^-6 секунд) формируются результаты выполнения операций 5.1...5.A (в этот момент на синхровходы накапливающих сумматоров в блоках, выполняющих операции 2 и 3 подается синхроимпульс, обнуляющий содержимое этих сумматоров) после чего еще через τ_з формируются результаты выполнения операций 6.1...6.A и далее также с указанной задержкой - результаты выполнения операции 7.

Таким образом, результат измерения дальности до источника шумоизлучения формируется при каждом выполнении операции 7 с периодом обновления 20-30 с, после чего он может быть использован в совокупности операций трассового анализа, выходящей за рамки заявляемого объекта.

Наряду с упомянутым выше моделированием заявляемого объекта с имитацией сигналов и помех была проведена обработка и реальных записей сигналов и помех, проведенных в натурных условиях. При этом, например, на дальностях 300 км стандарт флуктуационной ошибки составил менее 10 км. В известных аналогах такая точность не достигалась.

Предлагаемый способ относится к области пассивной локации и может быть использован для измерения дальности до рыболовного судна в системе охраны морской экономической зоны или до айсберга в системе защиты от айсбергов морских платформ нефтедобычи. Целью заявляемого объекта является повышение точности измерения дистанции, что и является достигаемым техническим результатом. Заявляемый способ измерения дальности до источника шумоизлучения предусматривает прием смеси сигнала шумоизлучения и помехи, измерение спектра принятой смеси, измерение спектра принятой помехи, предварительное формирование прогнозируемых спектров сигнала шумоизлучения в точке приема, вычисление опорного спектра по каждому из сформированных прогнозируемых спектров с учетом результата измерения спектра принятой помехи, вычисление величин функциональной корреляции между измеренным спектром смеси и каждым из опорных спектров и подбор гипотетического значения дальности путем определения номера того из опорных спектров, величина функциональной корреляции которого с измеренным энергетическим спектром принятой смеси максимальна. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения дальности до источника шумоизлучения, состоящий в приеме смеси сигнала шумоизлучения и помехи и подборе гипотетического значения дальности, отличающийся тем, что путем запоминания результатов расчетов реализуется предварительное формирование прогнозируемых спектров сигнала шумоизлучения в точке приема G_прi,j (f_l) для всех заранее выбранных сочетаний дальностей R_i и параметров наклона спектра сигнала шумоизлучения V_j, где f_l = lΔf, причем Δf - заранее выбранный шаг по частоте, l - целые числа, находящиеся в диапазоне от l_н до l_в, при этом рабочий диапазон частот расположен в интервале от f_lн до f_lв, i - целые числа в диапазоне от 1 до N, j - целые числа в диапазоне от 1 до М, кроме этого реализуется измерение спектра смеси принятого сигнала шумоизлучения и помехи, вычисление опорного спектра Н_опi,j (f_l) по каждому из сформированных прогнозируемых спектров G_прi,j (f_l), вычисление величины функциональной корреляции К_i,j между измеренным спектром смеси принятого сигнала шумоизлучения и помехи и каждым опорным спектром Н_опi,j (f_l), а подбор гипотетического значения дальности осуществляется путем определения совокупности номеров i_о, j_о того из опорных спектров, величина функциональной корреляции которого с измеренным спектром смеси принимаемого сигнала шумоизлучения и помехи максимальна. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчеты, путем запоминания результатов которых осуществляется предварительное формирование прогнозируемых спектров сигнала шумоизлучения в точке приема, осуществляются по формуле

где β(f_l) - величина километрического затухания на частоте (f_l) при распространении сигнала шумоизлучения в среде, при спектре сигнала шумоизлучения в точке излучения, имеющем при параметре его наклона v_j вид

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что операция вычисления опорного спектра Н_опi,j (f_l) по каждому из сформированных прогнозируемых спектров G_прi,j (f_l) реализуется путем расчетов по формуле

где G_п (f_l) - спектр помехи. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в результате подбора гипотетического значения дальности, осуществляемого путем определения совокупности номеров i_о, j_о того из опорных спектров, величина функциональной корреляции которого с измеренным спектром смеси принятого сигнала шумоизлучения и помехи максимальна, определяется сочетание индексов i_о, j_о, при котором удовлетворяется условие

и в качестве искомой дальности принимается величина