СПОСОБ ПАССИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в пассивной гидролокации, а также в атмосферной акустике и пассивной радиолокации.

Методы определения координат с разнесенными в пространстве приемниками по кривизне волнового фронта поля источника излучения основаны на использовании разности времен прихода сигнала со сферическим или цилиндрическим волновым фронтом от источника излучения к нескольким М приемникам с известным расположением их в пространстве.

Известно устройство и способ определения дальности D и направления на объект α относительно заданной позиции по патенту США [1]. В соответствии с этим способом три антенны, расположенные в пространстве известным образом, принимают звуковую энергию, излучаемую объектом и распространяющуюся в водной среде с разным временем распространения t_m(α, D), m=1, 2, 3, определяемым геометрией системы «источник-приемники». Определяют разность времен распространения сигнала к парам антенн τ_mn(α, D)=t_m-t_n, m,n=1, 2, 3, от источника с координатами (α, D), используя взаимную корреляцию сигнала, вырабатываемого каждой m-й антенной, с сигналом каждой другой n-й антенны с переменной задержкой между ними τ, т.е. попарную взаимно-корреляционную функцию (ПВКФ) C_mn(τ). Эту разность времен распространения сигнала к парам антенн τ_mn(α, D) определяют по положению максимума ПВКФ на шкале задержек τ. Для определения положения максимума ПВКФ используют визуализацию ПВКФ на индикаторе ПВКФ C_mn(τ) и компьютер тригонометрического расчета дальности D₀ и направления на источник звука α₀, используя определенные значения τ_mn как параметры в известных формулах.

Недостатками этого способа являются: невозможность наблюдения оператором положения источника и других источников излучения непосредственно в координатах поля наблюдения «направление-дальность», кроме того, этот способ требует обнаружения и наблюдения сигнала на графиках ПВКФ каждой пары антенн по-отдельности, следовательно эффективность метода в целом определяется выходным отношением сигнал/помеха («помехоустойчивостью») каждой пары антенн, если помехоустойчивость пар антенн не одинакова, то конечный результат определяется худшей парой. Кроме того, анализ каждой ПВКФ в случае наличия в поле наблюдения нескольких источников может быть затруднен или невозможен для оператора в связи с неоднозначностью отнесения максимумов ПВКФ к тому или иному источнику, тем более, что наложение друг на друга боковых лепестков ПВКФ разных источников может создавать ложные максимумы, приводящие к неоднозначности решения. В этих случаях необходим специальный анализ взаимного расположения на шкале задержек τ различных полученных максимумов различных ПВКФ, для отнесения их к тому или иному источнику.

Известны другие пассивные способы определения координат источников излучения с разнесенными в пространстве приемниками по кривизне волнового фронта поля источника, например, описанные в [2], недостатки которых аналогичны способу [1].

Наиболее близким по количеству общих признаков к предлагаемому способу является «Метод пассивной звуковой телеметрии» [3]. В данном методе гидролокации сигналы источника звука от трех линейно расположенных антенн А₁, А₂, А₃, обрабатывают путем определения ПВКФ сигналов центральной антенны А₂ с сигналами двух других антенн А₁ и А₃: С₁₂(τ) и С₂₃(τ) на шкале временных задержек τ с накоплением (сглаживанием) оценок С₁₂(τ) и C₂₃(τ) за время T_н. Затем результаты двух ПВКФ совместно обрабатывают с целью определения параметров взаимного расположения их максимумов на шкале τ. Для этого производится модификация ПВКФ по следующему принципу: т.к. обе ПВКФ - С₁₂(τ) и С₂₃(τ) имеют максимумы на шкале задержек τ в некоторых точках τ₁₂ и τ₂₃ и пересекаются на этой шкале в некоторой неизвестной точке β₀, отстоящей от τ₁₂ и τ₂₃ на неизвестное расстояние по шкале задержек, равное τ₀ и -τ₀, соответственно, то для определения точки β₀ производят перебор (сканирование) значений β₁, β₂,…β_l…, при этом для каждого очередного значения β_l производят суммирование значений С₁₂(τ) и С₂₃(τ) для точек по шкале τ, симметричных относительно очередной точки β_l, находят максимум суммы указанных ПВКФ. Перебор по β_l, суммирование ВКФ и определение максимума указанной суммы продолжают до тех пор, пока не определят абсолютный максимум суммы ПВКФ С₀ для некоторого значения β_l=β₀, соответствующего полному наложению главных лепестков С₁₂(τ) и С₂₃(τ) при сканировании по β_l. В результате сканирования по β_l определяют значения β₀, τ₀ и С₀, по которым вычисляют оценки координат α₀ и D₀:

,

где с - скорость распространения сигнала, L - расстояния между центром центральной антенны A₂ и центрами антенн А₁ и А₃. Численные значения α₀ и D₀ выдают оператору.

С учетом изложенного, основные операции способа прототипа могут быть сформулированы как:

прием сигналов тремя антеннами, расположенными в пространстве известным образом,

предварительную обработку принятых сигналов, включающую ориентацию характеристик направленности антенн в направлении ожидаемого расположения источника излучения,

определение попарных взаимнокорреляционных функций (ПВКФ) сигналов антенн на шкале задержек τ,

временное накопление ПВКФ,

суммирование ПВКФ,

индикацию ПВКФ на шкале задержек τ,

определение параметров взаимного расположения главных максимумов ПВКФ на шкале задержек τ и вычисление по ним значений искомых координат

выдачу их оператору в виде цифровой информации.

Преимущество способа-прототипа заключается в том, что благодаря использованию операции суммирования двух ПВКФ повышается помехоустойчивость способа, а объем обработки и вычислительных ресурсов сокращается.

Недостатком аналогов и способа-прототипа, является то, что в них предусматривается визуальное наблюдение лишь графиков ПВКФ на шкале временных задержек τ, определение временных задержек на основе анализа ПВКФ (как в аналогах) либо параметров взаимного расположения максимумов ПВКФ на этой шкале задержек τ_mn - β₀, τ₀ и С₀ (как в прототипе) и представление оператору геометрически рассчитанных по ним численных значений координат, но невозможна визуализация на индикаторе расположения источников в поле наблюдения в координатах «направление-дальность» (α, D) и непосредственного определения их координат на шкалах индикаторного поля. Необходимым условием успешного решения задачи в способе-прототипе является наблюдение сигнала источника на каждой ПВКФ по отдельности, поэтому помехоустойчивость результатов ограничена помехоустойчивостью каждой пары антенн по отдельности, так же как в аналоге [1], т.к. взаимная обработка ПВКФ с их суммированием в способе-прототипе имеет целью определение параметров взаимного расположения их максимумов на шкале задержек T₀. Если помехоустойчивость пар антенн неодинакова, то результат будет определяться худшей парой. При наличии в поле наблюдения нескольких источников анализ каждой ПВКФ может быть затруднен или невозможен для оператора, также как в аналоге [1], из-за неоднозначности взаимного расположения максимумов ПВКФ источников на шкале задержек τ. Способ-прототип предусматривает линейное расположение антенн, т.е. на одной базовой линии, что приводит к ограничениям при размещении их на конкретном носителе. В способе-прототипе не предусматривается использование большего количества антенн М>3, что имеет практические применения (см. например [4] и [5]), где использование способа-прототипа невозможно.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы оператора, благодаря визуализации на индикаторе расположения сигнальных отметок источников в поле наблюдения непосредственно в координатах «направление-дальность» (α, D) и прямого определения их координат на шкалах индикаторного поля, причем с максимальной для данной приемной системы помехоустойчивостью, при ограниченном увеличении объемов обработки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение визуального наблюдения источников излучения на экране индикатора, их расположения непосредственно в искомых координатах поля наблюдения «направление-дальность» с прямым определением их координат на шкалах индикаторного поля при максимальной помехоустойчивости, достижимой в данной приемной системе, без необходимости предварительного обнаружения и наблюдения сигнала на графиках ПВКФ каждой пары антенн по отдельности, без определения взаимных задержек сигнала τ_mn(α, D) между антеннами по положению максимума ПВКФ на шкале задержеки τ (как в аналогах) или параметров ПВКФ (как в прототипе), обеспечение однозначного раздельного наблюдения расположения источников в поле наблюдения, при ограниченном увеличении объема обработки и вычислительных затрат. Предлагаемое изобретение может использоваться при произвольном количестве антенн (M≥3) и при произвольном их размещении в пространстве, причем при увеличении количества антенн М>3 преимущества предлагаемого способа быстро увеличиваются.

Для обеспечения указанного технического результата в способ пассивного определения координат источников, содержащий прием сигналов тремя антеннами, расположенными в пространстве известным образом, предварительную обработку принятых сигналов, определение попарных взаимно-корреляционных функций (ПВКФ) сигналов антенн, временное накопление ПВКФ, суммирование ПВКФ, индикацию, введены новые признаки, а именно: прием сигналов осуществляют M≥3 антеннами, в поле индикации организуют координатную сетку «направление-дальность» (α_p-D_q) с требуемыми границами поля наблюдения «α_min, α_max; D_min, D_max» и с интервалами дискретности Δ_α, Δ_D, для каждого pq-го узла координатной сетки вычисляют попарные разности времен распространения сигнала τ_mn(pq) к каждой m-й антенне и каждой другой n-й антенне из точки поля наблюдения с координатами pq-го узла координатной сетки (α_p-D_q), как если бы источник находился в этой точке, с выходов антенн определяют (М²-М)/2 ПВКФ сигнала C_mn(τ) каждой m-й антенны с сигналом каждой другой n-й антенны и выполняют квадратичное детектирование выходных сигналов каждой антенны, а суммирование ПВКФ выполняют для каждого pq-го узла координатной сетки путем считывания (М²-М)/2 значений полученных ПВКФ C_mn(τ_mn(pq)) на шкале задержек τ в точках τ=t_mn(pq) и суммирования их удвоенного значения с результатами квадратичного детектирования сигналов с каждой антенны, после чего все полученные суммарные значения для всех pq-к узлов выводят на координатную сетку индикатора, а координаты источников излучения определяют по положению максимума индикаторных значений на координатных шкалах координатной сетки.

Дополнительного сокращения объемов обработки и увеличения точности считывания значений ПВКФ C_mn(t_mn(pq)) достигают тем, что определение ПВКФ каждой пары «антенна-другая антенна» выполняют, подвергая сигналы с выхода каждой антенны синхронной дискретизации с интервалом Δ_t, цифровому преобразованию и преобразованию Фурье на выборке длительностью NΔ_t, вычисляют комплексные попарные взаимные спектры плотности мощности (ПВСПМ) сигнала каждой антенны с сигналом каждой другой антенны, а накопление за время T_н выполняют отдельно для реальной и мнимой части ПВСПМ, для каждого ПВСПМ выполняют обратное преобразование Фурье, при котором последовательности ПВСПМ дополняют нулями до 2N, 4N, 8N…, получая промежуточные отсчеты ПВКФ на дискретной шкале временных задержек τ=τ_k, и при считывании значений ПВКФ в точках попарных разностей времен распространения сигнала τ_mn(pq), не совпадающих с дискретными значениями шкалы временных задержек τ_mn(pq)≠τ_k, используют интерполяцию.

Новизна предлагаемого решения заключается в том, что после определения ПВКФ сигналов с выходов антенн C_mn(τ), вместо определения взаимных задержек сигнала (как в аналогах) путем определения положения максимума ПВКФ на шкале τ каждой из ПВКФ, или других взаимных параметров ПВКФ - β₀, τ₀ и С₀ (как в прототипе), просто считывают значения C_mn(τ), без всякого анализа, по правилу τ=τ_mn(pq) и распределяют их по pq-м ячейкам координатной сетки (где τ_mn(pq) - заранее рассчитанные параметры pq-x узлов координатной сетки, р=1, 2,…,P, q=1, 2,…,Q).

Введение новых признаков позволяет получить на индикаторе визуальную картину расположения источника или нескольких источников излучения в виде сигнальных отметок с максимальными значениями, координаты которых считываются непосредственно на координатных шкалах индикатора. При этом в координатной точке, соответствующей оценке истинного расположения источника, сигнальная отметка имеет максимум, образованный удвоенной суммой главных максимумов всех (М²-М)/2 ПВКФ и М оценок мощности квадратичными детекторами, что обеспечивает наибольшую помехоустойчивость обнаружения, наблюдения и определения координат источников в данной приемной системе, при ограниченном увеличении объемов обработки и вычислительных затрат. При этом главные лепестки каждой ПВКФ располагаются на двумерном поле индикации закономерным образом в виде трасс, пересекающихся в точке истинного расположения источника, создавая рисунок, обеспечивающий как идентификацию сигнальной отметки на фоне выбросов помехи, так и однозначное раздельное наблюдение нескольких источников, благодаря их размещению на двухкоординатной индикаторной картине.

Повышение помехоустойчивости до оптимальной здесь обеспечивается суммированием в каждой точке координатной сетки удвоенных значений всех (М²-М)/2 значений независимых ПВКФ приемной системы с результатами квадратичного детектирования выходных сигналов антенн, а сокращение вычислительных затрат достигается благодаря тому, что:

- взаимная корреляция выхода каждой антенны с каждой другой антенной C_mn(τ) определяется один раз (за время накопления T_н, пока независимо от координатной сетки) и затем используется для всех P×Q узлов координатной сетки путем считывания полученных значений C_mn(τ*_mn(pq)),

- алгоритмы определения ВКФ C_mn(τ) хорошо разработаны до уровня стандартных процедур, как в аналоговой, так и в цифровой форме и оптимизированы по вычислительным затратам, в частности с использованием дискретизации коррелируемых процессов и применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье,

- считывание значений ПВКФ с интерполяцией и их суммирование в P×Q узлах координатной сетки производится после процедуры временного накопления ПВКФ и результатов квадратичного детектирования, т.е. заполнение всех ячеек координатной сетки индикаторной картины производится в темпе времени накопления T_н, что существенно сокращает требуемые объемы обработки и вычислительные ресурсы.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1-5, где на фиг.1 - схематическое изображение системы «источники-антенны» (для 3-х антенн), поясняющее предлагаемое изобретение; на фиг.2 - пример блок-схемы устройства, реализующего предлагаемый способ, на Фиг.3 - пример блок-схемы устройства, реализующего определение ПВКФ, на Фиг.4 - пример сигнальной отметки одиночного источника в поле индикации «направление-дальность» с сечениями по α и по D, проходящими через ее максимум; на Фиг.5 - пример визуализации взаимного расположения двух источников S₁, S₂ пo предлагаемому изобретению с сечениями, проходящими через максимумы их сигнальных отметок.

Сущность предлагаемого изобретения удобно пояснить на примере реализации его в простой двухкоординатной задаче с тремя линейно расположенными антеннами, как показано на поясняющей схеме Фиг.1, где приведено схематическое изображение геометрии системы «источники-приемники» для частной, планарной задачи визуализации источников в поле наблюдения в координатах «направление (α)-дальность (D))», для приемной системы из трех антенн А₁, A₂, А₃, когда источники и приемники находятся в одной плоскости на одной линии. За начало координат принята точка расположения центра центральной антенны А₂. Антенны расположены на оси х с известными координатами x₁, x₂=0, x₃, тогда L₁, L₂, L₃ - траектории сигнала от источника к антеннам A₁, А₂, А₃, соответственно. l₁₂, l₁₃, l₂₃ - разность хода сигнала излучателя к антеннам, тогда попарные разности времен распространения сигнала τ_mn(pq) к каждой m-й антенне и каждой другой n-й антенне (здесь m, n=1, 2, 3) из точки поля наблюдения с координатами pq-то координатного узла, где α_p=a_S, D_q=D_S равны: τ₁₂(α_S, D_S)=l₁₂/c, τ₁₃(α_S, D_S)=l₁₃/с, τ₂₃(α_S, D_S)=l₂₃/с, где с - скорость распространения сигнала. В более общем случае произвольного расположения антенн в пространстве, координаты их центров представлены вектором: или и др. и расчет разностей хода сигнала излучателя к антеннам l₁₂, l₁₃, l₂₃ решается аналогичным образом, по формулам тригонометрии.

В более общем случае - трехкоординатной задачи: «азимут, угол места, дальность» [α, θ, D], действия выполняются аналогично описанным ниже для любой пары координат при фиксированном значении третьей координаты: [α, θ, D=const], [α, D, θ=const], [θ, D, α=const]. Выбор фиксированного значения третьей координаты определяется конкретным применением: либо оно известно по условиям задачи, либо задается рядом значений с переключением с одного на другое, либо задача решается параллельно для нескольких заданных значений, например, для веера характеристик направленности в вертикальной или горизонтальной плоскости, последовательности значений дальности и пр.

Отображение графика индикаторного процесса V_S(α, D) может быть представлено в прямоугольных координатах [α, D] (а также [α, θ], [θ, Z)]), как в аксонометрической проекции с линейным кодированием величины V_S(α, D), так и в виде плоской картины с яркостным или цветовым кодированием величины, а также в виде графиков сечений по α или D при фиксированном значении второй координаты, например, сечений, проходящих через максимум V_S(α, D), как показано на Фиг.4 и 5.

График V_S(α, D) может быть представлен также в других системах координат: полярной, географической и пр., в зависимости от конкретного применения.

Вариант реализации предлагаемого изобретения можно пояснить на примере устройства, реализующего прием сигналов в геометрии, представленной на схеме Фиг.1. Блок схема устройства по предлагаемому изобретению на примере системы из трех антенн показана на Фиг.2. Устройство (Фиг.2) содержит: блок 1 предварительной обработки (БПО), блок 2 попарной обработки сигналов (БПОС), блок 3 квадратичных детекторов (БКД), индикатор 4 и пульт управления 5. БПО содержит три входных блока 1.1 (A₁), 1.2 (A₂), 1.3 (А₃), включающих антенны и известные элементы предварительной обработки: усиление, фильтрацию, предварительную ориентацию для приема сигнала с направлений сектора обзора по направлению «α_min, α_max», заданного с пульта управления 5. Три выхода блока 1 соединены с входами блока 2 попарной обработки сигналов (БПОС), и, параллельно, с входами блока 3 квадратичных детекторов (БКД). Блок 2 содержит блок 6 попарной взаимно-корреляционной обработки сигналов (БПВК), блок 7 считывания значений ПВКФ (БС) и сумматор 8 из P÷Q ячеек, суммирующих в каждой ячейки (М²-М)/2 удвоенных результатов попарной обработки сигналов и М результатов квадратичного детектирования, а также вычислительный контур 9 расчета разностей времен прихода сигнала τ_mn(pq) к mn-м парам антенн (m, n=1, 2, 3, при m<n, тогда (М²-М)/2=3, для pq-x узлов координатной сетки, p=1, 2,…,P, q=1, 2,…,Q. Вычислительный контур 9 соединен и управляется устройством сканирования узлов координатной сетки 10 в пределах заданных пультом управления 5 границ поля обзора и индикации «α_min, α_max; D_min, D_max» с заданной дискретностью Δ_α, Δ_D.

БПВК 6 содержит идентичные блоки 6.1, 6.2, 6.3 определения взаимно-корреляционных функций (ВКФ) C_mn(τ), на парные входы которых подключают выходные сигналы пар антенн из БПО 1: А1-А2 (1.1-1.2), А1-А3 (1.1-1.3) и А2-А3 (1.2-1.3), а выходы ВКФ 6.1-6.3 соединены с входами идентичных блоков 7.1, -7.3 блока БС 7 считывания значений ПВКФ C_mn(τ_mn(pq), m, n=1, 2, 3, при m<n, в точках τ=τ_mn(pq), поступающих из вычислительного контура 9 для каждого pq-го узла координатной сетки.

Выходы БС 7.1, 7.2, 7.3 соединены с входами блока 8 сумматоров значений ПВКФ в pq-x узлах координатной сетки, который также имеет входы, соединенные с выходами блоков 3.1, 3.2, 3.3 блока 3 БКД, а его выход соединен с индикатором 4, соединенным также с пультом управления 5, управляющий адресами узлов координатной сетки pq.

Пример экономичной реализации блока 6 определения попарной взаимной корреляции (БПВК) в частотной области приведен на схеме Фиг.3, где блоки 11.1-11.3 - синхронно работающие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), управляемые тактовой частотой F_т с генератора 16, 12.1-12.3 - идентичные блоки преобразования Фурье (БПФ), 13.1-13.3 - идентичные контуры вычисления комплексных попарных взаимных спектров плотности мощности (ПВСПМ) выходных сигналов всех пар антенн, 14.1-14.3 - идентичные блоки накопителей реальных и мнимых частей ПВСПМ, 15.1-15.3 - контуры вычисления обратного преобразования Фурье, выходные данные которых поступают на входы блока 6 (БС) считывания значений ПВКФ.

Пример выполнения предлагаемого способа целесообразно рассмотреть совместно с работой устройства по схеме Фиг.2. В блоке 4 индикации организуют координатную сетку «направление-дальность» (α_p-D_q) с требуемыми границами поля наблюдения «α_min, α_max; D_min, D_max» и с интервалами дискретности шкал Δ_α, Δ_D, задаваемыми с пульта управления 5. В блоке 5 сканирующее устройство перебирает узлы координатной сетки и передает значения координат α_p, D_q в вычислительный контур 9 расчета разностей времен прихода сигнала по формулам тригонометрии с использованием координат центров антенн в приемной системе и последовательным значениям предполагаемых координат источника излучения α_p, D_q (см. Фиг.1). Расчет разностей времен прихода сигнала производят при задании с пульта управления 5 параметров координатной сетки и сохраняют в памяти до следующего их задания. Сигналы, принятые антеннами с предварительной обработкой (блоки 1.1-1.3) поступают в блок попарной обработки сигналов 2, где в блоке 6 определяют ПВКФ сигналов всех пар антенн C_mn(τ) в блоках 6.1-6.3. Результаты определения ПВКФ C_mn(τ) поступают в блоки 7.1-7.3 считывания значений ПВКФ для значений разностей времен прихода сигнала τ=τ_mn(pq) к _mn-парам антенн для pq-х узлов координатной сетки, т.е. C_mn(τ_mn(pq)). Значения разностей времен прихода сигнала τ_mn(pq), как параметров считывания, поступают в блоки 7.1-7.3 из вычислительного контура 9. Результаты считывания значений ПВКФ из блоков 7.1-7.3 поступают в блок 8, где они суммируются в сумматорах pq-х узлов координатной сетки. Блок сумматоров 8 также имеет входы, соединенные с выходами квадратичных детекторов 3.1, 3.2, 3.3 блока 3 БКД, выходные значения которых u_m поступают на сумматоры pq-x узлов координатной сетки, угловая координата которых α_p укладывается в заданный строб относительно направления предварительной ориентации m-й антенны α_m:α_p∈α_m±Δ_γm, где Δ_γm - сектор внутри главного лепестка ХН антенны на уровне γ=0.7, 0.8, 0.9,…, по условиям конкретного применения.

Таким образом, в блоке 8 получают P×Q суммарных значений всех [М²-М)/2 ПВКФ и М выходов квадратичных детекторов (с накоплением), которые выводят на индикатор 4.

Пример сигнальной отметки одиночного источника на индикаторе 4 по предлагаемому изобретению с реализацией по схеме Фиг 2 приведен на рисунке Фиг.4. На Фиг.5 приведен пример визуализации взаимного расположения двух источников S₁, S₂ по предлагаемому изобретению.

Дополнительное сокращение объемов обработки и увеличение точности считывания значений ПВКФ C_mn(τ_mn(pq)) достигается с помощью устройства, представленного на Фиг.3. Устройство (фиг.3) содержит блоки АЦП 11.1-11.3, соединенные по входу с выходами блоков предварительной обработки 1.1-1.3 соответственно, а по выходу - с блоками быстрого преобразования Фурье (БПФ) 12.1-12.3 соответственно, блоки АЦП 11.1-11.3 соединены с тактовым генератором 16, синхронизирующим их работу. Выходы блоков БПФ 12.1-12.3 попарно соединены с парными входами идентичных блоков определения взаимных спектров плотности мощности (ВСПМ) 13.1-13.3, выходы которых соединены с накопителями реальных и мнимых частей ВСПМ 14.1-14.3. Выходы накопителей соединены с входами контуров вычисления обратного преобразования Фурье (ОБПФ) 15.1-15.3, выходы которых соединены с соответствующими входами блока считывания ПВКФ (БС) 7 (7.1-7.3).

С помощью устройства фиг.3 ПВКФ каждой пары «антенна-другая антенна» выполняют, подвергая сигналы с выхода каждой антенны 1.1-1.3 синхронной дискретизации с интервалом Δ_t с тактовой частотой F_т генератора 16, цифровому преобразованию в 11.1-11.3 и быстрому преобразованию Фурье на выборке длительностью NΔ_t в 12.1-12.3. Вычисляют комплексные попарные взаимные спектры плотности мощности (ПВСПМ) сигнала каждой антенны с сигналом каждой другой антенны в 13.1-13.3, а накопление за время T_н выполняют отдельно для реальной и мнимой части ПВСПМ в 14.1-14.3, затем для каждой упомянутой ПВСПМ выполняют обратное преобразование Фурье в 15.1-15-3, при котором последовательности ПВСПМ дополняют нулями до 2N, 4N, 8N… с целью получения дополнительных, промежуточных отсчетов ПВКФ для увеличения точности считывания значений ПВКФ, результаты которых поступают в блок считывания 7 на входы блоков 7.1-7.3 соответственно.

Известны практические приложения с другим количеством антенн М>3, как например в [4], где три бортовые антенны используют совместно с носовой антенной (М=4), или в трехкоординатном звуколокаторе [5] с пятью антеннами (М=5), где применение способа-прототипа невозможно или существенно уступает в помехоустойчивости. В случае применения предлагаемого способа с большим количеством антенн М состав, содержание и связи операций сохраняются, увеличивается лишь количество К идентичных блоков в схемах типа Фиг.2 и Фиг.3 в соответствии с формулой K=(М²-М)/2: при М=3, K=3, при М=4, K=6, при М=5, K=10 и т.д., при этом с увеличением количества антенн преимущества предлагаемого способа быстро увеличиваются.

Работоспособность предлагаемого способа подтверждена моделированием и натурными испытаниями на макетах в реальных условиях, в том числе с количеством используемых разнесенных антенн М>3 [5]. В частном примере индикации поля наблюдения (типа Фиг.4 и 5) с координатной сеткой 200×100 узлов, с тремя антеннами, верхней частотой приема 8 кГц, частотой дискретизации 20 кГц, N_БПФ=512, расширением массива нулями до размера 4N, при времени накопления T_н=1.0 с, с интерполяцией C_mn(τ) полиномом 2 порядка по 3 точкам, с применением предлагаемого изобретения получена помехоустойчивость результата на уровне оптимальной обработки, т.е. максимальная при данной приемной системе, а сокращение объема обработки и времени решения на обычном персональном компьютере, составляет ≈50 раз по сравнению с прямым оптимальным решением.

Источники информации

1. Патент США №3,947,803. Система определения направления. МПК G01S 11/14; G01S 11/00; G01S 3/00; G01S 3/808; G01S 003/80, заявл. 12.05.1971, публ. 30.03.1976 г.

2. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы. СПб.: Наука. 2004. С. 66-68.

3. Патент США №4,910,719. Метод пассивной звуковой телеметрии. МПК G01S 5/18, заявл. 20.04.1988, публ. 20.03.1990. (Прототип).

4. Патент США №4,480,322. Пассивная акустическая система подводного измерения дальности. МПК G01S 3/80; G01S 5/18, заявл. 05.04.1982, публ. 30.10.1984.

5. Л.Е. Гампер. О пространственных характеристиках трехмерной разнесенной акустической системы. Натурные испытания. Докл. XI школы-семинара им. акад. Л.М.Бреховских "Акустика океана" и XVII сессия Российского Акустического общества, май 2006 г. М.: ГЕОС, 2006.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в пассивной гидролокации, а также в атмосферной акустике и пассивной радиолокации. Достигаемый технический результат - обеспечение визуального наблюдения источников излучения на экране индикатора, их расположения непосредственно в искомых координатах поля наблюдения «направление-дальность» с определением их координат на шкалах индикаторного поля при максимальной помехоустойчивости, достижимой в данной приемной системе и ограниченном увеличении объема обработки и вычислительных затрат. Способ включает прием сигналов М≥3 антеннами, организацию в поле индикации координатной сетки «направление-дальность» с требуемыми границами и интервалами дискретности, вычисление для каждого узла координатной сетки попарных разностей времен распространения сигнала, определение (М²-М)/2 попарных взаимно-корреляционных функций (ПВКФ) сигналов с выходов антенн, квадратичное детектирование выходных сигналов каждой антенны, считывани (М²-М)/2 значений полученных ПВКФ и суммирование их удвоенного значения с результатами квадратичного детектирования сигналов с каждой антенны, после чего все полученные суммарные значения выводят на координатную сетку индикатора, а координаты источников излучения определяют по положению максимума индикаторных значений на шкалах координатной сетки. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ пассивного определения координат источников излучения, содержащий прием сигналов тремя антеннами, расположенными в пространстве известным образом, предварительную обработку принятых сигналов, определение попарных взаимнокорреляционных функций (ПВКФ) сигналов антенн, временное накопление ПВКФ, суммирование ПВКФ, индикацию, отличающийся тем, что прием сигналов производят М≥3 антеннами, в поле индикации организуют координатную сетку «направление-дальность» (α_p-D_q) с требуемыми границами поля наблюдения «α_min, α_max; D_min, D_max» и с интервалами дискретности Δ_α, Δ_D, для каждого pq-го узла координатной сетки вычисляют попарные разности времен распространения сигнала к каждой m-й антенне и каждой другой n-й антенне из точки поля наблюдения с координатами pq-го узла координатной сетки τ_mn(pq), как если бы источник находился в этой точке, с выходов антенн определяют (М²-М)/2 ПВКФ сигнала C_mn(τ) каждой m-й антенны с сигналом каждой другой n-й антенны и выполняют квадратичное детектирование выходных сигналов каждой антенны, а суммирование ПВКФ выполняют для каждого pq-то узла координатной сетки путем считывания (М²-М)/2 значений полученных ПВКФ C_mn(τ) в точках τ=τ_mn(pq) на шкале задержек τ и суммирования их удвоенного значения с результатами квадратичного детектирования сигналов каждой антенны, после чего все полученные суммарные значения для всех pq-x узлов выводят на координатную сетку индикатора, а координаты источников излучения определяют по положению максимума индикаторных значений на координатных шкалах координатной сетки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение ПВКФ каждой пары «антенна-другая антенна» выполняют, подвергая сигналы с выхода каждой антенны синхронной дискретизации с интервалом Δ_t, цифровому преобразованию и преобразованию Фурье на выборке длительностью NΔ_t, вычисляют комплексные попарные взаимные спектры плотности мощности (ПВСПМ) сигнала каждой антенны с сигналом каждой другой антенны, а накапление за время T_н выполняют отдельно для реальной и мнимой части ПВСПМ, для каждого ПВСПМ выполняют обратное преобразование Фурье, при котором последовательности ПВСПМ дополняют нулями до 2N, 4N, 8N…, получая промежуточные отсчеты ПВКФ на дискретной шкале временных задержек τ=τ_k, и при считывании значений ПВКФ в точках попарных разностей времен распространения сигнала τ_mn(pq), не совпадающих с дискретными значениями шкалы временных задержек τ_mn(pq)≠τ_k, используют интерполяцию.