СПОСОБ ПЕЛЕНГОВАНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ И АНТЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01S3/16 

Изобретение относится к способу определения пеленга источника излучения широкополосного шума.

Преимущественная область использования разработанного способа - гидроакустическая шумопеленгация источника излучения в мелком море с плоским горизонтальным генеральным рельефом дна.

Особенно актуален способ в случае, когда горизонтальная дальность R от пеленгатора до источника излучения много больше глубины моря. При этом в точках приема присутствует излучение источника, отраженное от границ среды (поверхность-дно), а прямой луч может отсутствовать из-за явления рефракции, вызванного изменением скорости звука C(z) по глубине z.

Аналоги разработанного способа в настоящее время по результатам проведенного поиска отсутствуют.

За прототип выбран известный способ пеленгования источника излучения, в котором пеленг находят с помощью определения временной задержки максимума взаимной корреляционной функции сигналов, принимаемых от источника двумя горизонтально разнесенными ненаправленными или слабонаправленными антеннами. Пеленг Φ на источник излучения находится по формуле

где Δτ - временная задержка максимума взаимной корреляционной функции излучения, принятого разнесенными антеннами пеленгатора,
D - база пеленгатора,
C - скорость звука на глубине размещения антенн пеленгатора,
θ - угол места источника.

К очевидным недостаткам прототипа следует отнести: необходимость знания угла места θ источника излучения и скорости звука C в точке приема; нелинейный характер зависимости Φ от Δτ.

Однако в условиях мелкого моря (когда горизонтальная дальность до источника излучения R много больше глубины моря H) недостатки способа-прототипа становятся более существенными. В этом случае акустическое поле в точках размещения приемных антенн пеленгатора представляет собой совокупность сигналов, принятых от источника излучения по разным лучам (прямой луч, отраженный от поверхности, отраженный от дна, отраженный от поверхности и дна и т. д. ). Иными словами, антенны пеленгатора принимают излучение не только от реального источника, но и от его отражений, "мнимых" источников, имеющих разные углы места θ_k Временная задержка лучей, принятых разнесенными антеннами от k-источника излучения, равна:

где t_1k, t_2k - время распространения от k источника до 1 и 2 антенн;
θ_k - угол места k-источника;
Φ - азимут источника излучения (угол между азимутом направления на источник излучения и плоскостью нулевых задержек пеленгатора Φ = 0).
В общем случае при Φ ≠ 0 взаимная корреляционная функция сигналов, принятых разнесенными антеннами пеленгатора по разным лучам, содержит несколько слабых локальных корреляционных максимумов при разных Δτ_k, что объясняется существенным отличием θ_k для разных "мнимых" источников.

На больших расстояниях, когда уровень шумов моря сравним с уровнем шума источника излучения, из-за малости локальных максимумов в условиях помех возможны захваты за ложные максимумы взаимной корреляционной функции и смещение оценки пеленга, вызванные шумовыми флуктуациями и наложением друг на друга локальных максимумов взаимных корреляций одноименных лучей и их комбинаций.

При уменьшении угла Φ(Φ→0) локальные максимумы взаимной корреляционной функции, соответствующие разным "мнимым" источникам, приближаясь к области нулевых временных задержек, начинают сливаться в мощный единый корреляционный всплеск. Этот эффект и положен в основу предлагаемого способа пеленгования.

Предлагаемый способ направлен на решение задачи повышения помехоустойчивости и точности пеленгования источников широкополосного излучения в условиях мелкого моря с ровным горизонтальным дном.

Существенными и отличительными признаками способа являются:
- наличие антенной системы из нескольких ненаправленных или слабонаправленных антенн, парные комбинации которых образуют полный набор баз пеленгаторов с изменяющейся с равномерным шагом ориентацией по азимуту в требуемом диапазоне измерения азимутальных углов;
- определение грубой оценки пеленга по номеру пары антенн с наибольшим коэффициентом корреляции принятых сигналов;
- уточнение пеленга по местоположению максимума взаимной корреляционной функции сигналов, принятых парой антенн с максимальным коэффициентом корреляции.

Эффект повышения помехоустойчивости и точности пеленгования достигается за счет объединения в области нулевых временных задержек всплесков взаимных корреляционных функций сигналов, принятых по прямому и отраженным от горизонтальных границ среды лучам, в антенной паре, ориентированной на источник.

Основной технический результат, указанного выше способа состоит в следующем.

1. Значительно упрощается процедура вычисления пеленга, особенно в случае, когда оказывается достаточно "грубой" оценки пеленга.

2. Обеспечивается ориентация антенной базы пеленгатора на источник излучения и тем самым повышается коэффициент корреляции сигналов антенн пеленгатора и, следовательно, помехоустойчивость пеленгования в условиях "мелкого" моря.

На чертеже приведена антенная система из 12 элементов, предназначенная для реализации предлагаемого способа пеленгования.

Сущность разработанного способа как объекта изобретения состоит в следующем.

1) В качестве приемной антенной системы пеленгатора используют систему приемных ненаправленных (или слабонаправленных) антенн, расположенных в определенных точках плоскости антенны так, что M различных парных комбинаций антенн образуют полный набор баз пеленгаторов с равномерным шагом ориентации по азимуту, равным πM в диапазоне углов 0-π. При этом размеры баз D_k пеленгаторов, образуемых k-парами (i, j) антенн, не должны существенно различаться.

2) Сигналы антенной системы фильтруют так, чтобы обеспечить корреляцию излучении, принятых парой антенн с ориентацией базы, наиболее близкой к направлению на источник.

3) Вычисляют коэффициенты корреляции излучений для всех M пар антенн с различной ориентацией по азимуту и по номеру k пары антенн с наибольшим коэффициентом корреляции определяют "грубую" оценку пеленга на источник излучения. "Грубая" оценка пеленга находится по формуле

4) Для уточнения оценки пеленга вычисляют задержку Δ_kτ = t_i-t_j максимума взаимной временной корреляционной функции излучений, принятых k-парой (i,j) антенн, соответствующей "грубому" пеленгу. "Точную" оценку пеленга определяют по формуле

Приведенная на чертеже антенная система состоит из 12 гидрофонов (L = 12) и образует M = 32 пары пеленгаторов с шагом π/32 ориентации по азимуту. В таблице 1 приведены координаты размещения гидрофонов по окружности в горизонтальной плоскости. Порядковые номера направлений k и соответствующие им парные комбинации (i, j) антенн приведены в таблице 2. Там же приведен нормированный размер баз пеленгаторов B_k = D_k/D, образуемых соответствующими парами антенн.

Такая антенная система обеспечивает наличие одной пары гидрофонов с базой, ориентированной на источник излучения с погрешностью δΦ_гр ≅ π/64 ≈ 0,05 рад.
При D = 3 м задержки Δτ_k лучей, принятых от k-источников излучения ориентированной на них парой гидрофонов, будут ограничены величиной

Корреляция излучений, принятых ориентированной на источник парой гидрофонов, обеспечивается фильтрацией сигналов так, чтобы τ_корр > Δτ_k ≈ 10^-4 с.
Обычно в мелком море основную долю энергии сигнала в точке приема составляют лучи от мнимых источников с углами скольжения θ ≅ 0,5 (из-за резкого спада коэффициента отражения от дна при θ > 0,5). Следовательно, 0,87 < cosθ_k < 1 и разброс временных задержек Δτ_k для ориентированной пары не превышает величины
δτ < 0,13•10^-4c,
т. е. значительно меньше интервала корреляции τ_корр,/ что приводит к объединению корреляционных максимумов взаимных корреляционных функций сигналов от реального и "мнимых" источников в один. Измерение временной задержки Δ_kτ этого максимума и позволяет вычислить "точную" оценку пеленга в соответствии с формулой (4).

Предлагаемый способ как объект изобретения заключается в том, что для определения пеленга на источник широкополосного шума в качестве приемной антенной системы пеленгатора используют приемные ненаправленные (или слабонаправленные) антенны, расположенные в определенных точках плоскости антенны так, что различные парные комбинации антенн образуют набор баз пеленгаторов с равномерным шагом ориентации по азимуту в требуемом диапазоне углов измерения пеленга. При этом размеры баз пеленгаторов, образуемых парами антенн, не должны существенно различаться. Сигналы антенной системы фильтруют так, чтобы обеспечить корреляцию излучений, принятых парой антенн с ориентацией базы, наиболее близкой к направлению на источник. Вычисляют коэффициенты корреляции излучений для всех пар антенн с различной ориентацией по азимуту и по номеру пары антенн с наибольшим коэффициентом корреляции определяют "грубую" оценку пеленга на источник излучения. Для уточнения оценки пеленга вычисляют задержку максимума взаимной временной корреляционной функции излучений, принятых парой антенн, соответствующей "грубому" пеленгу. Предлагаемая для реализации данного способа антенная система представляет собой две ненаправленные или слабонаправленные антенны, расположенные по окружности так, что парные комбинации этих антенн образуют полный набор баз пеленгаторов с равномерным шагом ориентации по азимуту, равным π/32, в диапазоне углов 0-π. При этом отношение минимального размера базы к максимальному составляет ~ 0,71. 2 с.п.ф-лы. 2 табл. 1 ил.

1. Способ пеленгования источника широкополосного излучения по взаимно корреляционной функции сигналов, принятых системой разнесенных ненаправленных антенн пеленгаторов, отличающийся тем, что парные комбинации антенн системы разнесенных ненаправленных антенн образуют набор баз пеленгаторов с ориентацией по азимуту, изменяющейся с равномерным шагом в требуемом диапазоне углов измерения пеленга, сигналы, принятые системой разнесенных ненаправленных антенн пеленгаторов, фильтруют так, чтобы обеспечить корреляцию сигналов, принятых парой антенн, указанной системы, имеющих ориентацию базы, наиболее близкую к направлению на источник широкополосного излучения, затем для всех пар антенн системы разнесенных ненаправленных антенн вычисляют коэффициенты корреляции сигналов и по номеру пары антенн с наибольшим коэффициентом корреляции определяют "грубую" оценку пеленга на источник широкополосного излучения, а в случае необходимости уточнения оценки пеленга для пары антенн, соответствующей "грубому" пеленгу, вычисляют задержку максимума взаимно корреляционной функции принятых сигналов, по которой находят поправку к "грубой" оценке пеленга. 2. Система разнесенных ненаправленных антенн пеленгатора, предназначенная для реализации описанного выше способа, отличающаяся тем, что двенадцать ненаправленных антенн расположены по окружности так, что парные комбинации этих антенн образуют набор примерно одинаковых по длине баз пеленгаторов с равномерным шагом ориентации по азимуту, равным π/32, в диапазоне углов от 0 до π.