СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ШУМЯЩЕМ В МОРЕ ОБЪЕКТЕ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦВЕТОВЫХ ШКАЛ ДЛЯ НЕГО Российский патент 2000 года по МПК G01S3/84 

Изобретение относится к гидроакустике 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 и направление на него;
- определение класса объекта (например, сильношумящий, слабошумящий);
- определение дистанции до объекта.

Известен способ обнаружения и определения дистанции до цели, использующий характерную особенность распространения звука в море - многолучевость, при этом прием сигнала в пассивном режиме осуществляют одной антенной с различных углов в вертикальной плоскости, а также физически (геометрически) эквивалентный ему способ, использующий прием сигнала на две антенны, разнесенные в пространстве (В.С. Бурдик, "Анализ гидроакустических систем".- Л.: Судостроение, 1988, с. 377).

Следует отметить, что в заявляемом способе прием осуществляют одной антенной (не разнесенный прием).

Известен способ распознавания морских объектов, т.е. определение класса шумящего объекта, основанный на формировании признаковых описаний сигналов с использованием особенностей спектрального состава шумоизлучения объектов различных классов с представлением оператору результатов спектрального, корреляционного, взаимокорреляционного и взаимоспектрального анализов принятого сигнала в различных частотных диапазонах гидроакустических станций (В.В. Деев, Ю.Б. Забродин и др. "Анализ информации оператором-гидроакустиком".- Л. : Судостроение, 1989, с. 109). Способ сложный, требует применения сложной дорогостоящей аппаратуры и не позволяет получить сведений о дистанции.

В шумопеленговании методы совместного определения класса источника шумового сигнала и дистанции до него в настоящее время не известны.

Таким образом, желательно иметь способ получения информации о шумящем в море объекте, который одновременно позволил бы определить класс шумящего объекта и дальность до него и при этом не содержал бы сложных и дорогостоящих в реализации операций корреляционного, спектрального, взаимокорреляционного анализа и т.п.

Наиболее близким по технической сущности (по числу совпадающих операций) к предлагаемому является способ шумопеленгования, в соответствии с которым с помощью индикации в каждом (одном) частотном диапазоне принятого сигнала производят обнаружение трассы сигнала шумящего объекта (А.П. Евтютов, А.С. Колесников и др. Справочник по гидроакустике.- Л.: Судостроение, c. 14, 15).

Этот способ содержит следующие операции:
- прием гидроакустического шумового сигнала с помощью сформированных характеристик направленности антенны;
- частотно-временная обработка сигнала, включающая формирование частотных диапазонов, детектирование, временное осреднение;
- индикация на экране трассы сигналов шумящего объекта в каждом частотном диапазоне.

Задачей изобретения является обеспечение возможности одновременного обнаружения, классификации и определения дистанции до шумящего объекта.

Для решения поставленной задачи в способ получения информации о шумящем объекте, содержащий прием гидроакустического шумового сигнала, частотно-временную обработку сигнала с формированием частотных диапазонов, детектирование и осреднение сигналов в частотных диапазонах, индикацию трассы сигналов в каждом частотном диапазоне, введены новые операции:
- перед индикацией сигнал каждого частотного диапазона кодируют своим цветом, при этом яркость каждой цветовой компоненты определяется уровнем сигнала в соответствующем частотном диапазоне, а соединение цветовых компонент в цветное представление производят, например, так же, как на экране цветного кинескопа;
- производят индикацию цветового изображения сигнала шумящего объекта во времени, при этом результирующий цвет в каждой точке экрана при индикации определяется соотношением уровней сигнала в частотных диапазонах (индикаторная трасса цели);
- определение класса шумящего объекта и оценка дистанции до него путем сопоставления цвета индикаторной трасcы сигнала объекта с цветовыми шкалами шумящих объектов разных классов по дистанции.

Известно, что основными причинами потерь энергии гидроакустического сигнала с расстоянием в воде (затухания сигнала) являются расширение фронта волны, рассеяние и поглощение. На частотах 1-5 кГц и более основной вклад в затухание (без учета расширения фронта волны) вносит поглощение, которое по своей физической природе является частотно-зависимым и определяет закон спада спектра шумоизлучения от расстояния. При этом потери энергии при распространении являются аддитивными независимо от механизма их возникновения. В связи с этим эмпирически разработана формула для коэффициента пространственного затухания энергии при распространении (β), учитывающая все факторы поглощения энергии.

При измерениях в море было установлено, что гипотеза о сферическом законе расширения фронта волны с учетом поглощения обеспечивает приемлемое соответствие полученным данным для самых разных условий. Таким образом, в пределах обычно большого разброса результатов измерений допущение о суммарном действии сферического закона и поглощения дает удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

С учетом сказанного квадрат давления поля, создаваемого шумоизлучением источника, в точке приема (на дистанции обнаружения) при сферическом законе распространения сигнала в однородной среде определяется формулой

где P_пр(r) - уровень акустического давления в точке приема;
P_o - приведенный уровень шумоизлучения источника (на расстоянии 1 м в полосе 1 Гц на частоте 1 кГц);
r - дистанция обнаружения (распространения);
β - коэффициент пространственного затухания, для оценочных расчетов часто используют эмпирическую формулу Шихи и Хелли (1957 г.)
β = 0,036•f^3/2дБ/км,
где f - частота шумоизлучения источника.

Известно, что приведенные уровни шумоизлучения объектов различных классов отличаются на 20 дБ и более и как следствие отличаются предельные дальности их энергетического обнаружения (до 10 раз).

Следовательно, если даже в источнике шумовые сигналы объектов различных классов имеют близкие по форме спектры (законы спада 6 дБ/октаву), то при их обнаружении на предельных дистанциях за счет частотно-зависимого затухания при распространении законы спада их спектров будут отличаться на 5-8 дБ.

Используемой характеристикой оценки формы (закона спада) спектра объекта выбрано соотношение уровней принятого сигнала в трех частотных диапазонах, на которые разбит весь диапазон принимаемого сигнала. Как следует из всего вышесказанного, данное соотношение для объектов различных классов на предельных дистанциях их обнаружения будет различно, а при обнаружении объектов разных классов на близких по значению дистанциях значения данного соотношения будут также различны.

Следовательно, при введении цветового кодирования сигнала, принятого в каждом из ЧД, такого, что яркость каждой цветовой компоненты зависит от уровня сигнала, с последующим соединением их в цветное изображение на индикаторе, можно утверждать, что цвет свечения индикаторной трассы объекта, отражающий значение соотношения уровней сигнала в ЧД, несет информацию о дистанции до шумящего объекта и его классе.

Получение информации о дистанции и классе шумящего объекта в предлагаемом способе осуществляют путем сопоставления цвета трассы сигнала с цветовыми шкалами классов по дистанции, полученными для существующих гидроакустических условий.

Цветовые шкалы классов получают способом, содержащим следующие операции:
- измеряют зависимость скорости звука в воде от глубины;
- измеряют волнение на поверхности моря;
- по измеренным данным и по известным характеристикам дна рассчитывают акустическое поле сигналов разных классов шумящих объектов в каждом частотном диапазоне по дистанции.

Расчет производят, например, методом расчета акустического поля, изложенным в "Справочнике по гидроакустике", Л.: Судостроение, 1982, с. 102,103.

Сущность приближенного метода расчета состоит в вычислении аномалии распространения, т.е., если интенсивность поля в однородной безграничной среде определяется соотношением

где I_o - интенсивность источника на расстоянии r_o, в реальных средах выражение (2) имеет вид
I_p=I(r)•A(r), (3)
где A(r) - величина аномалии распространения,
для некогерентного суммирования аномалия рассчитывается по формуле
(4)
где F_j - фактор аномалии (фокусировки) j-го луча, определяемый степенью рефракции акустических лучей.

Он рассчивается на расстоянии r от источника при угле выхода луча из источника θ_иj по формуле

h_и - глубина погружения источника;
h_пр - глубина погружения приемника;
θ_прj - угол скольжения луча на горизонте приемника;
где K_Пj - коэффициент отражения по интенсивности от поверхности j-гo луча.

Для j-гo луча, падающего на поверхность под углом скольжения θ_пj, коэффициент может быть рассчитан по формуле
K_Пj= exp[2•(-0,3•k•H•sinθ_Пj)] (6)
k = 2π/λ - волновое число,
H - высота волны в зависимости от силы ветрового волнения, в баллах; где К_Дj - коэффициент отражения по интенсивности от дна j-гo луча, при угле скольжения у дна θ_Дj, для районов с плоским дном он может быть рассчитан по формуле

ρ и c - плотность и скорость звука в придонном слое воды;
ρ₁ и c₁ - плотность и скорость звука в поверхностном слое грунта;
где R_l(θ_прj) - характеристика направленности антенны в вертикальной плоскости;
где n и m - число отражений j-го луча от поверхности и дна соответственно;
где N - число лучей, приходящих в точку наблюдения.

В соответствии с выражениями (2)-(7) производят расчет аномалии распространения, расчет потерь на распространение в реальной среде.

Расчет уровня акустического давления (акустического поля сигнала) в точке приема производится по формуле
N_пр(r)=S+N_о(r)+A'(r) (8)
где N_пр(r)= 20Ig[P_пр(r)/P_одБ] - уровень акустического давления (в дБ) в реальной океанической среде в точке приема;
S = 20Ig(P_о/P_одБ) - уровень излучения на единичном расстоянии от источника:
N_о(r) - потери на распространение, учитывающие сферическое расхождение фронта волны и километрическое затухание акустических сигналов (β);
A'(r) ≈ 10lgA(r) - аномалия распространения, выраженная в дБ.

Для определения возможности обнаружения шумящего объекта в пассивном режиме по дистанции решают уравнение гидроакустики, которое связывает технические характеристики гидроакустической аппаратуры, параметры шумящего объекта взаимодействия, характер его расположения относительно приемной антенны и границ среды и особенности распространения сигналов и шумов в океане.

УИ-ПР-УШ-ПН+ПО = УП + ПО, где
УИ - интенсивность шумоизлучения на акустической оси в 1 м от источника;
ПР - потери при распространении звука в морской среде;
УП = УШ - ПН - интенсивность помех на выходе приемника, равная разности интенсивности шумов (УШ) и показателя направленности (ПН);
ПО - порог обнаружения: отношение мощности сигнала определенной формы к мощности помехи. Все упомянутые расчеты могут быть проведены по алгоритмам, например, приведенным в книге "Дальность действия гидроакустических средств", Л.: Судостроение, 1981.

Полученные расчетные уровни сигналов в трех ЧД в каждой точке по дистанции для каждого класса объектов, где возможно их обнаружение гидроакустической аппаратурой, преобразуют из цифровой формы в аналоговую и передают на прединдикаторную обработку (такую же, как в основном способе), т.е. в каждом частотном диапазоне сигналы кодируют своим цветом так, что яркость каждой цветной компоненты определяется мощностью сигналов. По результатам решения уравнения гидроакустики в каждой точке по дистанции три цветовые компоненты соединяют в цветное представление на экране, и полученное изображение цветовой шкалы для данного класса шумящего объекта в зависимости от дистанции запоминают.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ получения информации о шумящем в море объекте.

На фиг. 2 приведена блок-схема устройства получения цветовых шкал для первого способа.

Первый способ может быть реализован в устройстве, изображенном на фиг. 1. Шумовой сигнал принимается антенной 1, сигнал с выхода антенны передается в блок 2 формирования диаграмм направленности, с выхода блока 2 сигнал поступает на вход трехполосного диапазонного фильтра блокa 3 и далее сигналы в трех частотных диапазонах через блоки детектирования 4 и накопления (осреднения) 5 поступают на вход блока цветового кодирования 6. Изображение трассы сигнала получают на экране электронной лучевой трехцветной трубки 7 (индикатор). Способ получения цветовых шкал может быть реализован устройством для получения цветовых шкал, представленнoм на фиг. 2. Оно содержит вычислительное устройство 8, которое рассчитывает акустическое поле сигналов и решает уравнение гидроакустики по данным, поступающим:
- от устройства измерения зависимости скорости звука от глубины 9 (в качестве такого устройства может быть применен измеритель XSV ВМФ США);
- от измерителя волнения поверхности моря 10;
- от районированного банка характеристик дна 11 (Океанографические таблицы.- Л.: Гидрометиздат, 1975).

С выхода вычислительного устройства 8 сигналы в трех частотных диапазонах через блок 12 преобразования цифровой формы сигналов в аналоговую передаются в блок цветного кодирования 6 и затем на индикатор 7. Полученное изображение цветной шкалы в зависимости от дистанции заносится в блок видеопамяти 13.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в пассивных системах шумопеленгования. Частотно-временную обработку шумового сигнала, принятого антенной, осуществляют как минимум в трех частотных диапазонах. Перед индикацией сигнал каждого частотного диапазона кодируют своим цветом, при этом яркость каждой цветовой компоненты определяется уровнем сигнала в соответствующем частотном диапазоне. Цветовые компоненты соединяют в цветное представление, например, так же, как на экране цветного кинескопа. Цвет трассы шумящего объекта на экране индикатора в такой системе будет функцией дистанции для определенного класса шумящего объекта (например, малошумящий, сильношумящий и т.п.). Определение класса шумящего объекта и оценка дистанции до него осуществляются путем сопоставления цвета индикаторной трассы с цветовыми шкалами шумящих объектов разных классов по дистанции, полученными по гидрологическим данным путем расчета уровня сигналов в диапазонах и отображения на экране цветного сигнала в зависимости от дистанции. Способ не требует дорогостоящей в реализации аппаратуры и позволяет одновременно судить о классе шумящего объекта и о дистанции до него, что и является достигаемым техническим результатом. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения информации о шумящем в море объекте, в котором принимают гидроакустический шумовой сигнал, осуществляют частотно-временную обработку сигнала с формированием как минимум трех частотных диапазонов, осуществляют индикацию на экране трассы сигналов, отличающийся тем, что перед индикацией сигнал каждого частотного диапазона кодируют своим цветом, при этом яркость каждой цветовой компоненты определяется уровнем сигнала в соответствующем частотном диапазоне, а результирующий цвет при соединении компонент в цветное представление в каждой точке экрана при индикации определяется соотношением уровней сигнала в частотных диапазонах, при этом класс шумящего объекта и оценку дистанции до него определяют путем сопоставления цвета индикаторной трассы сигнала с цветовыми шкалами классов шумящих объектов по дистанции, полученными для существующих гидрологических условий. 2. Способ получения цветовых шкал для шумящих объектов разных классов по дистанции для способа получения информации о шумящем в море объекте, в котором измеряют зависимость скорости звука в воде от глубины и волнение на поверхности моря, по измеренным данным и по известным характеристикам дна рассчитывают акустическое поле сигналов разных классов шумящих объектов в каждом частотном диапазоне по дистанции, решают уравнение гидроакустики в пассивном режиме для каждого класса с учетом характеристик тракта шумопеленгования, полученные данные преобразуют из цифровой формы в аналоговые сигналы, которые перед индикацией в каждом частотном диапазоне кодируют своим цветом так, что яркость каждой цветовой компоненты определяется уровнем сигналов, по результатам решения уравнения гидроакустики в каждой точке по дистанции три цветные компоненты соединяют в цветное представление на экране и полученное изображение цветовой шкалы для данного класса шумящего объекта в зависимости от дистанции запоминают.