СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕЛЕНГА НА ШУМЯЩИЙ ОБЪЕКТ Российский патент 2012 года по МПК G01S3/80 G01S15/02 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для гидроакустических исследований и определения местоположения подводных и поверхностных объектов с использованием акустических комбинированных приемников.

Известны способы определения пеленга на источник шума, например определение пеленгов источников звука в горизонтальной плоскости (з. РФ №2002113840, МПК⁷ G01S 3/00). Способ основан на приеме акустических колебаний двумя линейными группами электроакустических преобразователей, преобразовании акустических сигналов в пропорциональные электрические сигналы, измерении этих сигналов, определении пеленга на источник звука с использованием величин электрических сигналов и определении пеленга на источник звука по отношению между измеренными электрическими сигналами.

Известен способ определения углов пеленга низколетящих целей в пространстве по их акустическим излучениям (з. РФ №95103536, МПК⁶ G01S 3/808). Способ заключается в измерении разности прихода фаз акустической волны между разнесенными точками приема, при этом с целью получения кругового сектора обнаружения без механических перемещений приемной системы приходящий акустический сигнал измеряют в трех фиксированных точках горизонтальной плоскости, находящихся в вершинах равностороннего треугольника, и по значениям разности фаз между различными точками приема определяют углы пеленга низколетящей цели в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Однако эти способы обладают невысокой точностью определения пеленга и низкой помехозащищенностью. Кроме того, для их реализации требуются сложные построения устройства, используется сложная конфигурация и большие размеры приемных систем.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения пеленга на подводный объект, излучающий акустический гармонический сигнал с определенной частотой (п. РФ №2158430, МПК G01S 3/80). Способ включает генерацию и излучение подводным объектом вышеприведенного сигнала, прием сигнала приемником, состоящим, по меньшей мере, из восьми гидрофонов, образующих ориентированную в горизонтальной плоскости круговую измерительную базу, выделение квадратурных составляющих комплексной огибающей принятых акустических сигналов и измерение их фазы. Сигналы, принятые гидрофонами базы, предварительно фазируют на N направлений, проходящих через центр базы и каждый из N гидрофонов. Определяют направление, соответствующее максимуму сигнала, и гидрофон, лежащий на этом направлении. Пеленг на источник в локальной системе координат, связанный с круговой базой, определяют по формуле с учетом угловых координат φ_n гидрофонов, числа гидрофонов, кумулятивной фазы θ_n на n-м гидрофоне относительно фазы на гидрофоне, лежащем на направлении максимума сигнала, то есть направление на источник определяется по максимуму амплитуды и изменению фазы.

Основным недостатком такого способа является требование о необходимости излучения подводным объектом искусственного гармонического сигнала и учет при расчете пеленга только акустического давления, а также необходимость большого количества гидрофонов, расположенных определенным образом, что приводит к сложности выполнения способа, низкой помехоустойчивости и точности.

Задача данного изобретения заключается в разработке помехоустойчивого способа определения пеленга на шумящий объект, упрощении способа и повышении его точности, расширении диапазона рабочих частот способа, что достигается за счет учета в способе одновременно как скалярных, так и векторных информационных характеристик акустического поля и на основе скачка разности фаз между акустическим давлением и горизонтальными компонентами колебательной скорости.

Поставленная задача решается способом определения пеленга на шумящий подводный или надводный объект, включающий измерение в одной точке акустического поля одновременно четырех физических величин: трех ортогональных компонент вектора колебательной скорости и акустического давления p(t) с использованием комбинированного приемника, включающего векторный приемник и гидрофон, преобразование полученного сигнала в цифровой код, перевод его в аналитическую форму для определения разности фаз между акустическим давлением и ортогональными компонентами колебательной скорости при "электрическом" повороте вокруг оси z характеристики направленности векторного приемника и по скачку разности фаз между акустическим давлением p(t) и ортогональными компонентами колебательной скорости V_x(t, α) и V_y(t, α) определяют пеленг на шумящий объект.

Способ основан на постоянном "электрическом" вращении вокруг оси z горизонтальных осей координат x и y комбинированного приемника по формуле

где u_x, u_y - электрические сигналы с каналов x и y, при угле поворота α=0, , - электрические сигналы, при повороте координат на азимутальный угол α.

Комбинированный приемник представляет собой устройство, включеющее векторный приемник и гидрофон [Щуров В.А. Векторная акустика океана. Дальнаука, 2003. 307 с.].

Скачок разности фаз происходит поочередно по одной из компонент колебательной скорости либо по V_x(t, α), либо по V_y(t, α), минимум характеристики направленности которой лежит на прямой, соединяющей комбинированный приемник и лоцируемый объект. При этом максимум характеристики направленности второй компоненты V_y(t, α) совпадает с минимумом направленности первой компоненты V_x(t, α).

После того как установлен сектор углов α₀±Δα, в котором происходит скачок разности фаз на 180°, система координат x0y "качается" "электрическим" способом в угловом секторе α₀±Δα для определения статистических характеристик: среднего значения <α₀>и его среднеквадратического отклонения . Угол <α₀>, отсчитываемый от оси x, совпадает с направлением на источник шума.

Алгоритм способа включает в себя следующую последовательность операций. Четырехкомпонентный узкополосный акустический сигнал p(t, f₀), V_x(t, f₀), V_y(t, f₀), V_z(t, f₀), регистрируемый векторным приемником и гидрофоном, преобразуется в цифровой код, который в вычислительном блоке преобразуется в аналитическую форму с использованием обычного математического преобразования, например преобразования Фурье или Гильберта:

S=S-j·Re(TH(S)),

где TH(S) - преобразование Гильберта сигнала S.

Вычисляется отношение мнимой и вещественной части аналитического сигнала для получения тангенса фазы:

где P(f) - акустическое давление, зависящее только от времени t; V_x(t, α), V_y(t, α) - ортогональные компоненты колебательной скорости, зависящие от времени t и азимутального угла поворота α; φ_p(t), φ_x(t, α), φ_y(t, α) - усредненные значения фазы акустического давления и колебательной скорости аналитического сигнала. Величина усреднения по времени зависит от скорости движения шумящего объекта.

Вывод о наличии шумящего объекта в данном направлении α₀ следует из скачка разности фаз между акустическим давлением p(t) и компонентами колебательной скорости Δφ_x=φ_p-φ_x или Δφ_y=φ_p-φ_y при переходе через α₀ от α₀-Δα до α₀+Δα.

Для повышения точности пеленгования находятся производные от Δφ_x(t, α) и Δφ_y(t, α) по углу α: , . Результирующий пеленг определяют как (α₀+180°)±σ_α, где σ_α - среднеквадратичное отклонение.

На чертеже приведены результаты пассивного лоцирования подводного источника. Глубина источника ≈60 м. Глубина комбинированного приемника 150 м. Скачки разности фаз а) - Δφ_x(α₀, t₀), б - Δφ_y(α₀, t₀); 1 - соответствуют кривым Δφ(α₀, t₀), Δφ_y(α₀, t₀), 2 - их производным. Вертикальные линии на кривых соответствуют σ_x и σ_y. Угол поворота α измеряется в градусах, разность фаз - в радианах. Источник находился на глубине около 60 м. Комбинированный приемник находился на глубине 150 м. Частота, на которой проводилось пассивное лоцирование объекта, равна 617 Гц. Полоса анализа Δf=3 Гц. Отношение сигнал/шум не более 3 dB. По первому скачку разности фаз (чертеж, а) следует, что α₀ равно 32,5°±5,0° и пеленг на объект равен 212,5°±5,0°.

Таким образом, заявляемый способ позволяет достичь заявляемый технический результат и обнаружить в пассивном режиме поверхностный или подводный объект по излучению им шумоподобного сигнала, а не по излучению им искусственно генерируемых гармонических колебаний. Переход от амплитудных характеристик к фазовым существенно увеличил помехозащищенность способа, поскольку разность фаз Δφ_x(t, α) и Δφ_y(t, α) принимает только два значения 0° или 180° и переход от одного значения разности фаз к другому происходит скачком. В заявляемом способе направление на источник определяется только по скачку разности фаз между акустическим давлением и горизонтальными компонентами колебательной скорости, равному 180°, в то время как в прототипе направление на источник определяется по максимуму амплитуды и изменению фазы. Кроме того, вместо набора из N гидрофонов (минимум 8 в прототипе) возможно использование одного практически точечного комбинированного приемника, включающего векторный приемник и гидрофон.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для гидроакустических исследований и определения местоположения подводных и поверхностных объектов с использованием акустических комбинированных приемников. Заявленный способ заключается в приеме акустического сигнала при "электрическом" вращении диаграммы направленности компонент x и y комбинированного приемника, состоящего из векторного приемника и гидрофона. Принятый сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию посредством преобразования Гильберта или Фурье с последующим преобразованием сигнала в аналитическую форму. Далее осуществляют вычисление отношения мнимой части сигнала к реальной и оценку по этому отношению разности фаз между акустическим давлением p(t) и ортогональными компонентами колебательной скорости . При обнаружение скачка разности фаз на 180° определяют пеленг на шумящий объект. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот способа (при низкочастотном приемнике от 5 Гц до 800 Гц; при среднечастотном приемнике от 500 Гц до 11 кГц). 1 ил.

Способ определения пеленга на шумящий подводный или надводный объект, включающий измерение в одной точке акустического поля одновременно четырех физических величин: трех ортогональных компонент вектора колебательной скорости и акустического давления p(t) с использованием комбинированного приемника, включающего векторный приемник и гидрофон, преобразование полученного сигнала в цифровой код, перевод его в аналитическую форму, вычисление отношения мнимой части сигнала к реальной для получения тангенса фазы и по скачку разности фаз между акустическим давлением p(t) и ортогональными компонентами колебательной скорости V_x(t, α) и V_y(t, α) при "электрическом" повороте вокруг оси z характеристики направленности векторного приемника определяют пеленг на шумящий объект.