ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСТАНЦИИ С ПОМОЩЬЮ ВЗРЫВНОГО ИСТОЧНИКА Российский патент 2015 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения сигнала от объекта и измерения дистанции до него.

Известны способы обнаружения объектов под водой с использованием излучения зондирующего сигнала, которые содержат прием эхосигнала, преобразование акустического сигнала в электрический гидроакустической антенной, определении энергетического спектра электрического процесса, представляющего собой смесь электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, измерение дистанции по времени задержки излученного сигнала и принятого эхосигнала. Евтютова Е.С. и Митько В.Б. ″Примеры инженерных расчетов в гидроакустике″, Судостроение, 1981 г., с.77.

Аналогичный способ обнаружения эхосигнала и измерения дистанции изложен в книге B.C. Бурдика ″Анализ гидроакустических систем″. Судостроение, 1988 г., стр.347 и содержит многоканальную по частоте фильтрацию, детектирование, выделение огибающей и сравнение с порогом. По каналу с максимальной амплитудой сигнала по частоте определяется смещение спектра, которое пропорционально радиальной скорости цели, а по моменту превышения выбранного порога определяется задержка эхосигнала и дистанция до цели.

Недостатком этих способов обнаружения цели является отсутствие скрытности носителя источника излучения. Кроме того, детерминированные сигналы как тональные, так и сложные имеют большие флюктуации амплитуды, которые возникают при интерференции, что затрудняет качество обработки.

Известны гидроакустические методы измерения с использованием взрывных источников. Обработка сигналов взрывных источников не требует вспомогательного оборудования и не имеет ограничения по глубине, что позволяет их использовать практически всегда при любом разрезе скорости звука (Д. Вестон. Взрывные источники звука. ″Подводная акустика″. М.: МИР. 1965 г., стр.63). Известные взрывные источники применялись в основном при измерении распространения сигналов на большие расстояния. ″Физические основы подводной акустики″ Сов.Радио. М.: 1955 г., стр.258-345.

Преимущества взрывных источников перед другими заключаются в том, что с их помощью можно получить информацию об объекте, отражающем взрывной сигнал, в широком диапазоне частот. Эти источники обладают большой мощностью, не требуют сложной аппаратуры при излучении и при обработке. Один из способов обработки изложен на стр.202 ″Акустика Океана″, Наука, М.: 1974 г.

Способ использования взрывных источников состоит в том, что одно судно производит взрыв, удаляется полным ходом от приемного судна, сбрасывая через определенные промежутки времени взрывные источники, а аппаратура приемного судна принимает сигналы антенной, усиливает и пропускается через фильтры, детектирует и фиксирует на индикаторе в широкой полосе принятый сигнал. Таким образом определяются условия распространения акустического сигнала в океанической среде.

На стр.454 книги ″Акустика Океана″, Наука, М.: 1974 г. приведен метод исследования отражательной способности дна океана с использование взрывных источников. Метод содержит сброс взрывного источника на безопасную дистанцию, прием отраженного от дна эхосигнала широкополосным приемником, многоканальный частотный анализ, детектирование и отображение на многоканальном индикаторе огибающих с выхода каждого частотного канала. Это наиболее близкий аналог, который целесообразно выбрать за прототип.

Если известно время излучения взрывного сигнала и место излучения совмещено с местом приема эхосигнала, то задача измерения дистанции решается также как и в обычном гидролокаторе. Ситуация существенно усложняется, если не известно место излучения взрывного источника и не неизвестно время излучения, например если взрывные источники находятся в автономной работе. Поэтому недостатком рассматриваемых методов является невозможность определения дистанции до объекта отражения при неизвестном времени излучения и местоположении взрывного источника.

Техническим результатом является обеспечение измерения дистанции до отражающего объекта при неизвестном положении источника излучения и не известном времени производства взрывов.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе, содержащем излучение взрывного сигнала в морской среде, прием отраженного сигнала широкополосным приемником, многоканальный частотный анализ отраженного сигнала и отображение на индикаторе спектров с выхода каналов, введены новые операции, а именно производят автономную установку и подрыв источника взрывного сигнала, измеряют зависимость скорости звука от глубины, измеряют уровень помехи в полосе приема, определяют порог обнаружения, принимают сигнал прямого распространения взрывного сигнала, который превысил выбранный порог обнаружения, определяют время приема сигнала прямого распространения от взрывного источника до приемника Т_прям, измеряют спектр сигнала прямого распространения, превысившего порог обнаружения, определяют ширину спектра сигнала прямого распространения в полосе приемного устройства Ф_прям, принимают сигнал, отраженный от объекта, определяют время приема отраженного сигнала Т_эхо, измеряют спектр отраженного сигнала, определяют полосу спектральных составляющих отраженного сигнала, превысивших порог обнаружения Ф_эхо, определяют дистанцию до объекта по формуле Д_изм=К(Ф_прям-Ф_эхо), где К - коэффициент, определяющий частотное затухание спектра сигнала при распространении, при этом Д_изм>(Т_эхо-Т_прям)С, где С - скорость звука.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Взрывные источники сигналов, работающие в автономном режиме, могут быть установлены различным способом с помощью сбрасыванием с надводного корабля, сбрасыванием с самолета или вертолета. Либо может быть использован самоходный необитаемый подводный аппарат. Спектр, излучаемый взрывным источником, достаточно широкий и занимает полосу от десятков Гц до десятков кГц (стр.63, Д.Вестон. Взрывные источники звука. ″Подводная акустика″. М.: МИР, 1965 г.). Как правило, максимум спектральной плотности расположен на частоте порядка одного 1 кГц, и снижается практически линейно.

Известны методы оценки дистанции до цели по величине пространственного затухания высокочастотной составляющей спектра шумоизлучения шумящего объекта. (Демиденко В.А., Перельмутер Ю.С.″ Спектральный метод оценки дистанции Научно-технический сборник ″ Гидроакустика″. вып.6, СПб., 2006 г., стр.51-59).

Аналогичная ситуация может быть рассмотрена и при излучении спектра с использованием источника взрывного сигнала. Спектр сигнала уменьшается как при распространении до объекта отражения, так и при отражении при распространении до приемника. При этом можно получить две оценки спектра, один спектр будет соответствовать спектру прямого сигнала распространения от источника взрывного сигнала до приемника, который придет непосредственно без отражений и с малым затуханием высокочастотной части спектра. Но, поскольку принимается сигнал прямого распространения большой мощности, то принятый спектр будет мало отличаться от спектра исходного сигнала, образованного источником взрывного сигнала, и его можно будет принять за спектр источника взрывного сигнала. Аналогично спектр сигнала, который распространяется от источника взрывного сигнала до объекта отражения, имеет большую исходную мощность и так же практически не изменяется. Мощность отраженного сигнала существенно меньше мощности прямого сигнала и именно на отраженном сигнале проявляется эффект изменения спектра. Выбор полосы обработки определяется используемой антенной и характеристиками приемника. Если это низкочастотная антенна, то принимается и обрабатывается низкочастотная часть спектра излучения от десятков Гц до 1 кГц. Если это высокочастотная антенна, то выбирается ее диапазон обработки от 1 кГц до 10 кГц. Зная исходную полосу спектра излучения и исходную закономерность спада спектра, можно определить величину затухания высокочастотной составляющей спектра, которая исчезла при отражении от объекта и при распространении от источника взрывного сигнала до объекта отражения и от объекта отражения до приемника. В качестве приемника может быть использован широкополосный тракт практически любой современной системы шумопеленгования. Как правило, такой тракт системы шумопеленгования имеет процедуру измерения спектра во всей полосе частот. Поэтому имеется возможность провести спектральный анализ излученного сигнала взрывным источником, измерить его спектр по сигналу прямого распространения, определить полосу излученного сигнала Ф_прям, измерить спектр по сигналу отраженного от объекта, определить полосу отраженного сигнала Ф_эхо, найти разность измеренных полос и определить дистанцию до объекта отражения по формуле Д_изм=К(Ф_прям.-Ф_эхо), где коэффициент К определяет величину затухания высокочастотной части спектра при распространении от источника взрывного сигнала до объекта и от объекта до приемника. Коэффициент К можно рассчитать, используя программы расчета поля, которые определяют затухание частоты сигнала при распространении (В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк ″Дальность действия гидроакустических средств″. Судостроение. Л.: 1981 г., стр.130-201). Расчет поля является известной операцией, которая используется во всех гидроакустических комплексах. Для этого необходимо знать зависимость скорости звука от глубины, которая измеряется специальным прибором и широко используется на практике глубину излучения, глубину приема и глубину положения отражателя. Последние параметры влияют на уровень принимаемого сигнала, но не влияют на величину спектра. (В.А. Комляков. ″Корабельные средства измерения скорости звука и моделирование акустических полей в океане″. Наука. СПб. 2003 г.). Величина изменения ширины спектра зависит в основном от дистанции.

Эти расчеты производятся для известного закона спада спектра и известной мощности излучения, что не всегда можно учесть при использовании взрывного источника.

Более достоверно можно получить значение коэффициента К экспериментально при проверке работоспособности метода в реальных условиях при использовании конкретного источника взрывного сигнала и известной дистанции между приемником и отражателем. Для этого определяется ширина спектра взрывного источника, ширина спектра отраженного сигнала от объекта при известной дистанции принятого приемником, после чего можно определить величину К, которая характеризует величину ширину полосы затухания сигнала от взрывного источника на единицу дистанции и имеет размерность км/Гц.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена блок схема устройства, которое может быть использовано для определения дистанции с применением источника взрывного сигнала.

Устройство (фиг.1) содержит источник 1 взрывного сигнала, последовательно соединенные антенну 2, приемник 3, процессор 4 обработки, в состав которого входит анализатор 5 спектра, измеритель 8 полосы сигнала, блок 9 измерения времени приема прямого сигнала, блок 11 измерения ширина спектра прямого сигнала, блок 13 определения дистанции. Второй выход анализатора 5 спектра соединен через блок 6 измерения помехи и блок 7 выбора порога со вторым входом измерителя 8 полосы сигнала. Второй выход измерителя 8 полосы сигнала через блок 10 измерения времени прихода эхосигнала и блок 12 измерения полосы эхосигнала соединен со вторым входом блока определения 13 дистанции. Второй вход процессора обработки соединен с выходом блока 14 исходных данных.

С использованием предлагаемого устройства измерение дистанции производится следующим образом. Установка взрывного источника 1 производится сбрасыванием с любого корабля, с самолета или с использованием самоходного необитаемого подводного аппарата. В некоторое время и при достижении установленной глубины происходит подрыв источника 1 взрывного сигнала. Излученный сигнал распространяется во все стороны и принимается антенной 2, усиливается приемником 3 в выбранной полосе частот и подается на спецпроцессор обработки 4. Спецпроцессоры обработки являются известными устройствами, которые широко используются в гидроакустической аппаратуре при обработке гидроакустических сигналов (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В.Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника СПб., Наука, 2004 г., стр. 278-297). С выхода приемника 3 сигнал поступает на вход блока 5 анализатора спектра, который может быть выполнен на основе известной процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра сигнала (″Применение цифровой обработки сигналов″, изд. Мир, М.: 1990 г., стр.296). С выхода блока 5 измеренный энергетический спектр поступает на измеритель 8 полосы сигнала, а второй выход блока 5 соединен с блоком 6 измерения помехи, который определяет среднее значение спектра помехи в отсутствии сигналов и передает на блок 7 выбора порога. Задача блока 7 состоит в выборе порога для сигнала прямого распространения и для эхосигнала. В качестве критерия оценки ширины спектра используется стандартная процедура определения превышения уровнем принятого сигнала выбранного порога. Измерение помехи производится в отсутствии принятого сигнала прямого распространения, поскольку в противном случае может происходить наложение сигналов реверберации от поверхностных и донных отражений. Уровень помехи определяется как среднее значение амплитуды спектра в отсутствии сигнала, усредненное за несколько накоплений. Для сигнала прямого распространения принятый спектр не будет отличаться от излученного источником взрывного сигнала, поскольку мощность сигнала достаточно большая. Так же существенно не изменится спектр сигнала прямого распространения, который придет к объекту отражения. Поэтому можно считать ширину спектра источника взрывного сигнала известной величиной. В блоках 9 и 10 происходит определение момента времени прямого сигнала Т_прям от источника взрывного сигнала и до приемника, и времени приема эхосигнала от источника взрывного сигнала и отраженного от объекта до приемника Т_эхо, а в блоках 11 и 10 измерение полосы принятых сигналов Ф_прям и Ф_эхо. Практически задачи измерения разнесены во времени и поэтому могут выполняться одними и теми же блоками. Измерение времени приема сигналов является известной операцией, которая используется во всех гидролокаторах и определяет момент времени, когда произошло превышения выбранного порога амплитудой отраженного от объекта сигналом. Определение полосы принятого сигнала является так же известной операцией, которая определяет крайние значения частот, амплитуды которых превысили порог. Измеренные значения времени и полосы сигналов прямого распространения от источника взрывного сигнала до приемника и от излучателя взрывного сигнала до отражателя и эхосигнала до приемника с выхода блоков 11 и 12 передаются в блок 13 определения дистанции, где по формуле Д_изм=К(Ф_прям-Ф_эхо) определяется дистанция до объекта. На второй вход спецпроцессора 4 поступает исходная информация из блока 14 исходных данных о параметрах, необходимых для определения коэффициента К, или само значение коэффициента К, измеренное экспериментально. Поскольку дальность действия взрывного сигнала не известна, а распространение его направлено во все стороны, то на вход приемника может приходить большое число отражений от дна и от поверхности. Для ограничения вероятности ложной тревоги целесообразно использовать ограничение по дистанции, которое предполагает появление эхосигнала только после выполнение указанных ограничений по дистанции Д_изм>(Т_эхо-Т_прям)С.

Таким образом, используя зависимость затухания спектра эхосигнала от частоты, можно получить оценку дистанции до объекта отражения при неизвестном моменте излучения и неизвестном местоположении излучателя.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для обнаружения объекта в морской среде и измерения координат. Техническим результатом от использования изобретения является измерение дистанции до объекта отражения при неизвестном времени излучения и месте постановки, что повышает эффективность использования гидроакустических средств. Для достижения указанного технического результата производится излучение взрывного сигнала в морской среде, прием отраженного сигнала широкополосным приемником, многоканальный частотный анализ отраженного сигнала, отображение на индикаторе спектров с выхода каналов, производят автономную установку и подрыв источника взрывного сигнала, измеряют зависимость скорости звука от глубины, измеряют уровень помехи в полосе приема, определяют порог обнаружения, принимают сигнал прямого распространения взрывного сигнала, который превысил выбранный порог обнаружения, определяют время приема сигнала прямого распространения от взрывного источника до приемника Т_прям, измеряют спектр сигнала прямого распространения, превысившего порог обнаружения, определяют ширину спектра сигнала прямого распространения в полосе приемного устройства Ф_прям, принимают сигнал, отраженный от объекта, определяют время приема отраженного сигнала Т_эхо, измеряют спектр отраженного сигнала, определяют полосу спектральных составляющих отраженного сигнала, превысивших порог обнаружения Ф_эхо, определяют дистанцию до объекта по формуле Д_изм=К(Ф_прям-Ф_эхо), где К - коэффициент, определяющий частотное затухание спектра сигнала при распространении, при этом Д_изм>(Т_эхо-Т_прям)С, где С - скорость звука. 1 ил.

Гидроакустический способ измерения дистанции с помощью взрывного источника, содержащий излучение взрывного сигнала в морской среде, прием отраженного сигнала широкополосным приемником, многоканальный частотный анализ отраженного сигнала и отображение на индикаторе спектров с выхода каналов, отличающийся тем, что производят автономную установку и подрыв источника взрывного сигнала, измеряют зависимость скорости звука от глубины, измеряют уровень помехи в полосе приема, определяют порог обнаружения, принимают сигнал прямого распространения взрывного сигнала от источника взрывного сигнала до приемника, который превысил выбранный порог обнаружения, определяют время приема сигнала прямого распространения от взрывного источника до приемника Т_прям, измеряют спектр сигнала прямого распространения, превысившего порог обнаружения, определяют ширину спектра сигнала прямого распространения в полосе приемного устройства Ф_прям, принимают сигнал, отраженный от объекта, определяют время приема отраженного сигнала Т_эхо, измеряют спектр отраженного сигнала, определяют полосу спектральных составляющих отраженного сигнала, превысивших порог обнаружения Ф_эхо, определяют дистанцию до объекта по формуле Д_изм=К(Ф_прям-Ф_эхо), где К - коэффициент, определяющий частотное затухание спектра сигнала при распространении, при этом Д_изм>(Т_эхо-Т_прям)C, где C - скорость звука.