СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 2002 года по МПК G01S15/50 G01S15/58 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров движения объектов.

Известны методы измерения радиальной скорости цели при использовании излучения тонального сигнала и измерении смещения спектра принятого эхосигнала, величина которого пропорциональна радиальной скорости цели в соответствии с эффектом Доплера (Дж. Хортон. Основы гидролокации. Л.: Судостроение, 1961, с.450). Однако автору неизвестны эффективные методы измерения радиальной скорости объектов при отсутствии излучения сигналов, в частности по их шумоизлучению.

Известны способы, в которых измеряют расстояние в пассивном режиме при многолучевом распространении и, казалось бы, можно измерить радиальную скорость по изменению дистанции (В. С. Бурдик. Анализ гидроакустических систем. Л. : Судостроение, 1988, с.377). Однако, как указывается там же, сложность оценки лучевой структуры делает способ пассивного измерения дистанции практически невыполнимым.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ, в соответствии с которым по изменению взаимно корреляционной функции определяется один из параметров, в данном случае - значимость выбранного источника звука. Звуковой сигнал принимается на две разнесенные в пространстве антенны, причем одну из них располагают вблизи источника звука, а другую - в исследуемой точке пространства. Сигналы с выходов антенны подаются на коррелятор. После выделения максимумы взаимно корреляционной функции суммируются, и по результатам суммирования судят о значимости выбранного источника звука. (А.К. Новиков. Корреляционные измерения в корабельной акустике. Л.: Судостроение, 1971, с.158).

Этот способ, однако, не позволяет определять скорость перемещения объектов.

Задачей изобретения является обеспечение возможности определения величины и направления радиальной скорости перемещения шумящего объекта по его шумоизлучению.

Для решения поставленной задачи в способ определения параметров шумящего объекта, содержащей прием сигнала двумя разнесенными в пространстве антеннами измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми этими антеннами, введены дополнительные операции, а именно: измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми разнесенными в пространстве антеннами, производят в дальнем поле шумящего объекта в момент времени t₁ и t₂, измеряют вторичный спектр от измеренных взаимных спектров в моменты времени t₁ t₂, измеряют периоды средних частот заполнения несущей вторичного спектра T₁ и Т₂ в моменты времени t₁ и t₂, измеряют величину изменения периода ΔT = T₁-T₂ за время Δt = t₂-t₁ при этом Δt больше времени измерения периода взаимного спектра; в качестве параметра шумящего объекта выбирают его радиальную скорость, которую вычисляют по формуле
V_p = K_vΔT,
где K_v - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально в полосе обработки принятого сигнала, а направление вектора скорости определяют по знаку ΔT.
Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение возможности определения радиальной скорости и направления вектора скорости (направления перемещения) шумящего объекта в пассивном режиме. Поясним возможности достижения такого результата.

В современной гидроакустике считается известным закон спадания спектральной плотности шумоизлучения цели. (Р.Дж. Урик. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978, с.362).

Кроме того, там же указывается, что при движении объекта в точке приема происходит изменения полосы принимаемого сигнала. Это объясняется с одной стороны изменением расстояния, а с другой стороны - затуханием высокочастотных составляющих при распространении. Для сигнала в точке приема уровень шума Р_ш определяется выражением:

где Р_ш.о. - приведенная шумность цели;
r - расстояние до цели;
f - частота сигнала;
Δf - полоса обработки сигнала;
β - коэффициент затухания, β = f^3/2.

Эта формула справедлива при спадании спектральной плотности по закону 1/f². Таким образом, чем выше частота и больше дистанция, тем уже спектр принимаемого сигнала. Очевидно так же, что при изменении расстояния уровень принимаемого сигнала увеличивается при приближении цели или уменьшается при удалении цели, что приводит к расширению полосы принимаемого сигнала при приближении цели или к сужению полосы спектра при удалении цели.

Дополнительно изменение ширины спектра сигнала происходит за счет влияния коэффициента затухания β = f^3/2. При увеличении расстояния высокочастотная составляющая сигнала ослабляется больше, чем низкочастотная, а соответственно и уменьшается спектр сигнала в точке приема. Кроме того известно, что при движении цели происходит смещение спектра сигнала за счет эффекта Доплера (Дж. Хортон. Основы гидролокации. Л.: Судостроение, 1961, с.452)
Δf = 0,69f_cp/ΔV/,
Δf - величина смещения спектра;
f_ср - средняя частота спектра;
/ΔV/ - радиальная скорость цели.

Наибольшую трудность при проведении измерений составляет определение границ спектра. Эту трудность можно обойти, если измерить среднюю частоту спектра автокорреляционной функции, которая определяется как

По вычислению вторичного спектра или автокорреляционной функции сигнала используются следующие процедуры.

Пусть на каждую антенну поступают временные реализации сигналов X₁(t) и Х₂(t).

Спектр по каждому процессу будет определяться через быстрое преобразование Фурье


а взаимный энергетический спектр

Если считать вторичный спектр как преобразование Фурье от взаимного энергетического спектра, то

Для равномерной полосы приемного устройства

Таким образом, автокорреляционная функция или вторичный спектр содержат две составляющие, одна из которых определяется полосой сигнала шумоизлучения
,
а другая - средней частотой сигнала шумоизлучения

Составляющая, определяемая полосой, является огибающей функции B(τ), а составляющая, определяемая средней частотой, является несущей частотой функции B(τ); та и другая определяются в процессе измерений.

При движении цели ее полоса изменяется в зависимости от пройденного расстояния. При увеличении расстояния верхняя частота будет снижаться. В момент времени t₁ имеем

В момент времени t₂ имеем

Тогда для момента t₁ период будет равен

а для момента

Скорость изменения периода за время ΔT будет пропорциональна радиальной скорости шумящего объекта, определяемой изменением средней частоты спектра.

Коэффициент пропорциональности определяется радиальной скоростью объекта и частотным диапазоном системы измерения.

Если разность ΔT>0, это означает, что средняя частота уменьшается, и полоса становится уже, а значит объект удаляется;
если ΔT<0, то этот объект приближается. Сама величина ΔT определяет радиальную скорость объекта.

Коэффициент K_v определяется параметрами тракта и полосой обработки.

где V_калиб - фиксированная скорость движения объекта;
T₀ - величина периода сигнала несущей при отсутствии движения;
T_калиб - величина периода сигнала несущей при движении объекта с радиальной скоростью V_p=V_калиб.

Таким образом достигается эффект измерения направления перемещения шумящего объекта и радиальной скорости перемещения.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2 и 3, где на фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ;
На фиг. 2 изображена средняя частота спектра сигнала, принимаемая двумя антеннами в моменты времени t₁ и t₂. Для момента времени t₁ средняя частота сигнала f_ср1 и длина периода T₁.

Для момента времени t₂ средняя частота f_cp2 и длина периода Т₂. При приближении цели средняя частота увеличивается, а период уменьшается. Величина разности ΔT определяет радиальную скорость цели. На фиг.3 показаны периоды средней частоты автокорреляционной функции для моментов времени t₁ и t₂.

Устройство фиг.1 содержит две приемные антенны 1 и 2, соединенные с первым блоком БПФ измерения взаимного спектра, выход которого соединен со входом второго блока БПФ-4 и далее с блоками измерения периода несущей вторичного спектра 5 и 6 для моментов времени t₁ и t₂. В блоке 7 измеряется разность между периодами несущей частоты. Измеренное значение разности со знаком разности подается на блок принятия решения, где определяется направление перемещения шумящего объекта и его радиальная скорость.

Предложенный способ имеет следующую последовательность операций: в момент времени t₁ сигналы, принимаемые с двух антенн 1 и 2, подаются на блок 3 измерения взаимного спектра и далее на второй блок 4 измерения вторичного спектра. При этом в автокорреляционной функции формируется несущая частота фиг.2, которая определяется когерентной частью полосы сигнала шумоизлучения. С выхода блока 4 несущая частота, определяемая составляющей и огибающей подаются в блок измерения периода несущей частоты по значениям точки перехода через нулевую отметку фиг.2. Затем ту же процедуру производят в момент времени t₂.

На фиг.3 представлены АКФ для двух моментов времени t₁ и t₂.

Значение коэффициента K_v определяют при калибровке устройства до начала работы. Измеряют значение частоты эталонного объекта при скорости V₁=0 и на фиксированной скорости движения V_калиб.

Коэффициент K_v определяется как
,
где V_калиб - фиксированная скорость движения;
Т₀ - период при V=0;
Т_калиб - период при V=V_калиб.

Предположим, что во время калибровки средняя частота изменилась с 10 до 15 кГц при изменении скорости на V_калиб= 30 узлов, тогда К_v=750 уз./мс.

При изменении частоты, принятой от шумящего объекта в процессе работы, с 10 до 10,5 кГц получим ΔT=0,0047 мс и V_p=750 уз./мс•0,0047 мс =3,5 узла, что соответствует приближению объекта. Если в процессе работы частота изменилась с 11 до 10,5 кГц, что соответствует изменению периода с 0,0909 до 0,0952 и ΔT= -0,0042, что соответствует удалению объекта. Таким образом, задача определения скорости и направления перемещения объекта решена.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров движения объектов. Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение возможности определения радиальной скорости и направления вектора скорости шумящего объекта в пассивном режиме, для чего в способ определения параметра шумящего объекта включают прием сигнала двумя разнесенными в пространстве антеннами, измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми этими антеннами, измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми разнесенными в пространстве антеннами в дальнем поле шумящего объекта в момент времени t₁ и t₂, измерение вторичного спектра от измеренных взаимных спектров в моменты времени t₁ и t₂, измерение периодов средних частот заполнения несущей вторичного спектра Т₁ и Т₂ в моменты времени t₁ и t₂, измерение величины изменения периода ΔT = T₁-T₂ за время Δt = t₁-t₂ при этом Δt больше времени измерения периода взаимного спектра, в качестве параметра шумящего объекта выбирают его радиальную скорость V_p = K_vΔT, где К_v - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально в полосе обработки принятого сигнала, а направление вектора скорости и определяют по знаку ΔT. 3 ил.

Способ определения параметра шумящего объекта, включающего прием сигнала двумя разнесенными в пространстве антеннами, измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми этими антеннами, отличающийся тем, что измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми разнесенными в пространстве антеннами, производят в дальнем поле шумящего объекта в момент времени t₁ и t₂, измеряют вторичный спектр от измеренных взаимных спектров в моменты времени t₁ и t₂ измеряют периоды средних частот заполнения несущей вторичного спектра Т₁ и Т₂ в моменты времени t₁ и t₂, измеряют величину изменения периода ΔT = T₁-T₂ за время Δt = t₁-t₂, при этом Δt больше времени измерения периода взаимного спектра, а в качестве параметра шумящего объекта выбирают его радиальную скорость, которую вычисляют по формуле V_p = K_vΔT, где К_v - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально в полосе обработки принятого сигнала, причем направление вектора скорости определяют по знаку ΔT.