СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЕЙ И ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ШУМОВ МОРСКОГО НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА Российский патент 2013 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения и контроля уровней шумоизлучения и горизонтальной направленности шумов агрегатов морского нефтегазового комплекса.

Известны способы измерения шумоизлучения подводных и надводных объектов, направленные на измерения шумоизлучения движущихся объектов (патент РФ №2284484 «Способ определения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме», патент РФ №1840512 «Способ измерения подводной шумности корабля-цели», патент РФ №2329474 «Способ исследования первичных гидроакустических полей шумящего объекта»), или направленные на определение уровня звукового давления и спектрального состава шумоизлучения объекта (патент РФ №2105991 «Способ измерения параметров шумоизлучения подводного объекта», патент РФ №2199835 «Гидроакустическая измерительная система»).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является «Способ обнаружения шумящих в море объектов» (патент РФ №2300118), в котором предлагается принимать первичное поле шумоизлучения объектов статическим веером характеристик направленности в горизонтальной плоскости, осуществлять частотно-временную обработку в каждом пространственном канале наблюдения, квадрировать, усреднять по времени, центрировать и нормировать сигналы к помехе, осуществлять наблюдение на текущем цикле обзора принятых нормированных сигналов и принимать решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха. При этом в процессе приема осуществляют сопровождение энергетических параметров шумового сигнала по уровню, дисперсии уровня и отбраковку локальных ложных максимумов шумовых сигналов в статическом веере пространственных каналов. Осуществляют накопление энергии сигнала за время нескольких циклов обзора за счет сопровождения информационных параметров шумового сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и отбраковки пеленгов локальных ложных максимумов шумовых сигналов.

На очередном цикле обзора наблюдение осуществляют двумя независимыми последовательностями операций:

- в первой последовательности осуществляется сопровождение энергетических параметров шумового сигнала по уровню, дисперсии уровня и отбраковки локальных ложных максимумов шумовых сигналов, для чего производятся следующие операции:

- отделяют шумовые сигналы от фоновых шумов над уровнем, который понижен в несколько раз относительно порога обнаружения,

- определяют уровень всех локальных максимумов сигнала,

- вычисляют по заданному закону аппроксимации уточненное значение уровня шумового сигнала по данным нескольких откликов пространственных каналов в окрестности данного локального максимума сигнала, образующих сигнальный фрагмент,

- определяют смещение уровня сигнала за время между предыдущим и текущим циклами обзора и вычисляют плотность вероятности измеренного смещения уровня сигнала и плотность вероятности ложных тревог для заданного времени накопления,

- во второй последовательности осуществляется сопровождение информационных параметров шумового сигнала по пеленгу, дисперсии пеленга, по скорости и ускорению изменения пеленга и отбраковка пеленгов локальных ложных максимумов шумовых сигналов, для чего производятся следующие операции:

- фиксируют пеленг пространственного канала, в котором наблюдается каждый локальный максимум сигнала,

- вычисляют по заданному закону аппроксимации уточненное значение пеленга шумового сигнала по данным нескольких откликов пространственных каналов в окрестности данного локального максимума сигнала, образующих сигнальный фрагмент,

- составляют из совокупности оценки пеленга и величины изменения пеленга (ВИП) вектор параметров движения локальных максимумов сигнала,

- вычисляют матрицу взаимно корреляционных функций для вектора параметров движения локальных максимумов сигнала,

- вычисляют скорость изменения ВИПа и пеленга за время между предыдущим и текущим циклами обзора,

- в результате определяют прогнозные оценки пеленга и ВИПа локальных максимумов сигнала за время между предыдущим и текущим циклами обзора для заданного времени накопления,

- определяют дисперсию прогнозной оценки пеленга для заданного времени накопления и вычисляют ширину строба по пеленгу, в пределах которого осуществляется наблюдение каждого сигнала,

- вычисляют плотность вероятности смещения измеренного пеленга для заданного времени накопления,

- по результатам выполнения двух последовательностей операций вычисляют обобщенный вес локальных максимумов сигнала,

- сравнивают обобщенный вес локальных максимумов сигнала с порогом обнаружения сигнала, который соответствует пороговому отношению сигнал-помеха.

Задачей заявляемого способа является измерение уровней и горизонтальной направленности шумов морского нефтегазового комплекса, количество и координаты агрегатов которого известны.

Для решения поставленной задачи предлагается способ обработки гидроакустической информации, состоящий из следующих операций (рисунок 1):

- Операция 1 включает прием гидроакустического сигнала на несколько приемных линейных антенн с развитой апертурой в горизонтальной плоскости, выполнение БПФ над временными выборками сигналов с отдельных гидрофонов антенны и диапазонную фильтрацию.

- Операция 2 заключается в формировании статического веера характеристик направленности в горизонтальной плоскости для каждой из антенн.

- Операция 3 представляет собой предварительное обнаружение шумящих источников и заключается в выявлении локальных максимумов (ЛМ) в широкополосной характеристике направленности, полученной квадрированием и суммированием отсчетов частотного спектра в пространственных каналах, оценке уровня помехи в окрестности ЛМ, оценке отношения сигнал/помеха и проведении пороговой процедуры обнаружения по значению отношения сигнал/помеха для каждого ЛМ.

- Операция 4 заключается в выделении узкополосных составляющих в спектрах каждого пространственного канала. Для этого используется метод частотного «контраста».

- Операция 5 решает задачу исключения влияния узкополосных составляющих спектра (УСС) сильных шумящих источников на спектры в пространственных каналах веера характеристик направленности. Задача решается путем определения пространственных каналов, где узкополосные составляющие одной частоты имеют максимальный уровень, и режекции УСС, т.е. замены значений спектральных отсчетов в полосе узкополосной составляющей значениями спектральных отсчетов сплошной части в окрестности этой узкополосной составляющей в спектрах всех остальных пространственных каналов, где уровень выделенных узкополосных составляющих ниже максимального.

- Операция 6 решает задачу идентификации локальных максимумов априорно известных неподвижных шумящих объектов (агрегатов и механизмов нефтегазодобывающего комплекса) по известным их координатам. При этом для каждого шумящего объекта формируется список пространственных каналов из статического веера характеристик направленности, спектр сигнала в которых не искажен влиянием сигналов других объектов из-за совпадения пеленгов на объекты либо их незначительного отличия пеленгов.

- Операция 7 производит оценку спектра шума отдельных шумящих объектов, включая сплошную часть и узкополосные составляющие, набор которых для разных объектов может отличаться по частотам и уровням, путем учета величины затухания отсчетов спектра от точки излучения до точки приема - фазового центра антенны и последующего усреднения уровней спектральных составляющих по выбранным по результатам операции 6 пространственным каналам с нескольких антенн. Параметры затухания и координаты антенн и объектов определяются заранее по данным акустической калибровки антенн и района их установки. Таким образом, формируется спектр шумоизлучения отдельного объекта.

- Операция 8 состоит в сравнении полученных оценок уровней отсчетов спектра шумящих объектов, приведенных к 1 м, со значениями допустимых уровней шума и выработка признака превышения допустимого уровня с детализацией частоты и уровня фрагментов спектра, где имеет место превышение допустимого уровня шума.

- Операция 9 состоит в отборе пространственных каналов статического веера характеристик направленности каждой из приемных антенн, в которых присутствуют сигналы агрегатов и механизмов нефтегазового комплекса, и в последующем выборе пространственного канала с максимальной энергией спектра мощности. Спектр мощности из этого канала является оценкой пространственного спектра сигнала, излучаемого нефтегазовым комплексом в направлении на соответствующую линейную антенну.

В результате выполнения операций 1÷8 формируются сигналы о превышении допустимого уровня шумоизлучения отдельными агрегатами нефтегазового комплекса, если таковые имеют место, а операции 4÷8 выполняют функции локализации шума отдельных агрегатов и фрагментов их спектров, где наблюдается превышение уровня. В результате выполнения операции 9 формируется диаграмма направленности шумоизлучения комплекса в горизонтальной плоскости.

Источники информации

1. Патент РФ №2284484.

2. Патент РФ №1840512.

3. Патент РФ №2329474.

4. Патент РФ №2105991.

5. Патент РФ №2199835.

6. Патент РФ №2300118.

7. Заявка о выдаче патента на изобретение №2011121950 от 01.06.2011.

Использование: относиться к области гидроакустики, а именно к способу измерения уровней и горизонтальной направленности шумов морского нефтегазового комплекса. Сущность: способ включает в каждом цикле обработки гидроакустической информации прием гидроакустического сигнала на несколько приемных линейных антенн с развитой апертурой в горизонтальной плоскости, выполнение БПФ над временными выборками сигналов с отдельных гидрофонов антенны и диапазонную фильтрацию, а также формирование статического веера характеристик направленности в горизонтальной плоскости для каждой из антенн, частотно-временную обработку в каждом пространственном канале, квадрирование, усреднение по времени, нормирование сигналы и помехи, принятие решения об обнаружении путем сравнения с пороговым отношением сигнал/помеха. К перечисленному выше последовательно выполняет дополнительно в каждом цикле обработки гидроакустической информации следующие операции: выявление узкополосных составляющих в спектрах каждого пространственного канала; исключение влияния узкополосных составляющих спектра (УСС) сильных шумящих источников на спектры в пространственных каналах веера характеристик направленности; идентификация локальных максимумов априорно известных неподвижных шумящих объектов по известным их координатам; оценка спектра шума, включая сплошную часть и узкополосные составляющие; сравнение полученных оценок уровней отсчетов спектра шумящих объектов, приведенных к 1 м, со значениями допустимых уровней шума и выработка признака превышения допустимого уровня с детализацией частоты и уровня фрагментов спектра, где имеет место превышение допустимого уровня шума; отбор пространственных каналов статического веера характеристик направленности каждой из приемных антенн. Технический результат: повышение точности при измерении уровней и горизонтальной направленности шумов морского нефтегазового комплекса, при условии, что количество и координаты его агрегатов известны. 1 ил.

Способ измерения и контроля уровней шумоизлучения и горизонтальной направленности шумов агрегатов морского нефтегазового комплекса, включающий в каждом цикле обработки гидроакустической информации прием гидроакустического сигнала на несколько приемных линейных антенн с развитой апертурой в горизонтальной плоскости, выполнение БПФ над временными выборками сигналов с отдельных гидрофонов антенны и диапазонную фильтрацию, а также формирование статического веера характеристик направленности в горизонтальной плоскости для каждой из антенн, частотно-временную обработку в каждом пространственном канале, квадрирование, усреднение по времени, нормирование сигнала и помехи и принятие решения об обнаружении путем сравнения с пороговым отношением сигнал/помеха, отличающийся тем, что в каждом цикле обработки гидроакустической информации в дополнение к названным выше последовательно выполняются следующие операции:
- выявление узкополосных составляющих в спектрах каждого пространственного канала, для чего используется метод частотного «контраста»;
- исключение влияния узкополосных составляющих спектра (УСС) сильных шумящих источников на спектры в пространственных каналах веера характеристик направленности путем определения пространственных каналов, где узкополосные составляющие одной частоты имеют максимальный уровень, и режекции УСС, т.е. замены значений спектральных отсчетов в полосе узкополосной составляющей значениями спектральных отсчетов сплошной части в окрестности этой узкополосной составляющей в спектрах всех остальных пространственных каналов, где уровень выделенных узкополосных составляющих ниже максимального;
- идентификация локальных максимумов априорно известных неподвижных шумящих объектов (агрегатов и механизмов нефтегазодобывающего комплекса) по известным их координатам, при этом для каждого шумящего объекта формируется список пространственных каналов из статических вееров характеристик направленности с нескольких антенн, спектр сигнала в которых не искажен влиянием сигналов других объектов из-за совпадения пеленгов на объекты либо незначительного отличия пеленгов;
- оценка спектра шума, включая сплошную часть и узкополосные составляющие, набор которых для разных объектов может отличаться по частотам и уровням, путем учета величины затухания отсчетов спектра от точки излучения до точки приема - фазового центра антенны и последующего усреднения уровней спектральных составляющих с нескольких антенн, где параметры затухания и координаты антенн и объектов определяются заранее по данным акустической калибровки антенн и района их установки;
- сравнение полученных оценок уровней отсчетов спектра шумящих объектов, приведенных к 1 м, со значениями допустимых уровней шума и выработка признака превышения допустимого уровня с детализацией частоты и уровня фрагментов спектра, где имеет место превышение допустимого уровня шума;
- отбор пространственных каналов статического веера характеристик направленности каждой из приемных антенн, в которых присутствуют сигналы агрегатов и механизмов нефтегазового комплекса, и в последующем выборе пространственного канала с максимальной энергией спектра мощности, спектр мощности из которого является оценкой пространственного спектра сигнала, излучаемого нефтегазовым комплексом в направлении на соответствующую линейную антенну.