СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 2015 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к гидроакустике, технической акустике и может быть использовано при разработке гидроакустических систем для автоматического обнаружения сигналов шумоизлучения объектов.

В задачах обработки гидроакустических сигналов шумоизлучения объектов входят определения уровня сигнала и уровня помехи, определение отношение сигнал/помеха, что является одним из основных параметров, определяющих помехоустойчивость систем обнаружения и их основные характеристик, таких как вероятность правильного обнаружения и вероятность ложной тревоги. Поэтому возникает необходимость в определении этих величин при работе в реальных условиях при конкретной помехосигнальной ситуации и определения факта обнаружения сигнала шумоизлучения (А.М. Тюрин Введение в теорию статистических методов в гидроакустике. Л. 1963 г. изд. ВМОЛА стр.116).

Известен способ измерения отношения сигнал/помехи по патенту РФ №2466416, при котором принимают сигнал шумоизлучения и помехи, определяют спектр принятой смеси сигнала шумоизлучения и помехи, определяют вторичный спектр смеси сигнала шумоизлучения и помехи или автокорреляционную функцию (АКФ), определяют точку перегиба АКФ; определяют S₁ как сумму отсчетов АКФ от нулевого отсчета до отсчета в точке перегиба, определяют S₃ как сумму отсчетов АКФ от отсчета точки перегиба до отсчета окончания АКФ, определяют S₂ как произведение значения АКФ в точке перегиба на число отсчетов от нулевого отсчета до точки перегиба, а отношение сигнал/помеха определяют по формуле $$\frac{S_3+S_2}{S_1-S_2}$$ , где S₁ - площадь автокорреляционной функции помехи и сигнала до точки перегиба; S₂ - площадь автокорреляционной функции сигнала до точки перегиба; S₃ - площадь автокорреляционной функции сигнала после точки перегиба.

Недостатком этого способа является сложность обработки огибающей автокорреляционной функции и сложность получения оценки отношения сигнал/помеха, которая существенно зависит от частоты дискретизации входного процесса. Кроме того, сложность обработки не позволяет реализовать автоматическое принятие решения о наличии объекта шумоизлучения.

Известен способ обработки гидроакустического сигнала шумоизлучения от объекта, который содержит прием смеси сигнала шумоизлучения и помехи двумя идентичными приемниками или полуантеннами, расстояние между которыми превышает интервал корреляции помехи, определение суммы сигналов, принятых двумя приемниками, определение разности сигналов, принятых двумя приемниками, спектральный анализ, детектирование, интегрирование и сравнение результата (А.М. Тюрин Введение в теорию статистических методов в гидроакустике Л.1963 г. изд. ВМОЛА стр.172). Предполагается, что помехи, действующие на приемники, статистически независимы, тогда разность сигналов, принятых двумя приемниками, будет определять помеху. Сумма сигналов, принятых двумя приемниками, будет определять сумму сигнал + помеха. Разность энергии суммы сигналов + помехи и энергии помехи будет определять сигнал, а отношение сигнал/помеха будет определяться как частное от деления разности суммы сигналов + помехи и разности сигналов, принятых двумя приемниками, по разности этих сигналов и по величине отношения принимается решение о наличии сигнала.

Недостатком этого способа является необходимость наличия двух идентичных каналов обработки сигналов, принятых в канале суммы и в канале разности, что в реальных условиях вызывает значительные трудности, поскольку со временем за счет старения характеристики элементов изменяются и каналы становятся неидентичными. Кроме того, необходимо иметь два канала обработки, приемники которых разнесены на интервал, превышающий интервал корреляции помехи, что не всегда возможно. Неидентичность каналов измерений может быть вызвана пространственной анизотропией помехи или приемом сигналов сильношумящих объектов боковыми лепестками характеристики направленности, что при дальнейшем накоплении энергетических спектров суммы и разности будет вноситься ошибка в определение энергетического спектра сигнала и спектра помехи и затруднит принятие автоматического решения о наличии сигнала шумоизлучения на входе.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а техническим результатом способа является упрощение аппаратуры, реализующей способ обработки гидроакустического шумоизлучения объекта, и обеспечение автоматического принятия решения о наличии гидроакустического сигнала шумоизлучения объекта при использовании одноканальной системы обработки сигналов

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе обработки гидроакустического сигнала шумоизлучения объекта, содержащем прием гидроакустического сигнала шумоизлучения в смеси с помехой, определение спектра электрического сигнала шумоизлучения объекта, определение электрического спектра помехи, накопление, сравнение результатов, введены новые признаки, а именно: прием гидроакустического сигнала шумоизлучения объекта производят с выхода единой антенны, производят дискретизацию электрического сигнала шумоизлучения объекта, быстрое преобразование Фурье набора дискретизированного электрического сигнала с формированием комплексного спектра, для всех N последовательных наборов, производят выделение реальной части комплексного спектра этого сигнала и выделение мнимой части комплексного спектра этого же сигнала, производят суммирование реальных частей комплексного спектра по N наборам и суммирование мнимых частей комплексного спектра по N наборам, возводят в квадрат сумму реальных частей комплексного спектра, возводят в квадрат сумму мнимых частей комплексного спектра, суммируют квадрат суммы реальных частей комплексного спектра и квадрат суммы мнимых частей комплексного спектра, одновременно с этим по тем же исходным данным производят последовательное вычитание реальных частей комплексного спектра по N наборам, производят вычитание мнимых частей комплексного спектра по N наборам, возводят в квадрат полученную разность реальных частей комплексного спектра N наборов, возводят в квадрат полученную разность мнимых частей комплексного спектра N наборов, суммируют квадрат разности реальных частей комплексного спектра и квадрат разности мнимых частей комплексного спектра, а решение о наличии сигнала шумоизлучения объекта принимают в том случае, если сумма квадрата суммы реальных частей комплексного спектра и квадрата суммы мнимых частей комплексного спектра будет больше суммы квадрата разности реальных частей комплексного спектра и квадрата разности мнимых частей комплексного спектра, при этом число N должно быть четным и определяться мощностью шумоизлучения объекта, значение которого выбирается для обнаружения сильношумящих объектов и обнаружения малошумящих объектов после принятия решения об отсутствии сигнала шумоизлучения.

Физическая основа предлагаемого способа обработки гидроакустического сигнала шумоизлучения объекта базируется на известном факте, что дисперсия суммарного или разностного стационарного процесса будет равна сумме дисперсий составляющих (В.Т. Горяинов, А.Г. Журавлев, В.И. Тихонов «Примеры и задачи по статистической радиотехнике» М. Сов. радио. 1970г. стр.111). Дисперсия в прикладном смысле представляет собой мощность процесса (A.M. Заездный «Основы расчетов по статистической радиотехник». М. Связь 1969 г., стр.37). Таким образом, дисперсия суммы двух независимых некоррелированных случайных процессов равна сумме дисперсий слагаемых и дисперсия разности независимых некоррелированных случайных процессов равна сумме дисперсий вычитаемых и они будут равны между собой (А.М. Тюрин «Введение в теорию статистических методов в гидроакустике» Л.1963 г изд. ВМОЛА стр.11, 12). В предлагаемом техническом решении используются при обработке гидроакустических сигналов не энергетические спектры, которые используются в современных системах, а комплексные спектры, представляющие собой отдельно реальную часть и мнимую часть, каждая из которых является знакопеременным процессом с нулевым средним. А в прототипе используется энергетические спектры сигнала и помехи, среднее значение которых не равны нулю после накопления. Энергетический спектр представляет собой конечный продукт спектральной обработки и определяется как сумма квадратов реальной и мнимой части, а комплексный спектр - это промежуточная составляющая, которая в дальнейшем превращается в энергетический спектр («Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма М.Мир 1980 г. стр.389-436).

Сигнал шумоизлучения от объекта имеет стационарный характер и постоянный на длительном интервале времени спектральный состав и последовательные наборы этого процесса являются зависимыми. Спектральные свойства сигнала детерминированы на всем временном интервале наблюдения и когерентно связаны в последовательных во времени наборах дискретизированных отсчетов, последовательно поступающих на систему обработки. При накоплении реальной и мнимой частей комплексного спектра сигнала для дискретизированных наборов временной реализации положение спектральной составляющей сигнала по оси частот будет детерминировано. При этом происходит суммирование положительных реальных частей и суммирование отрицательных реальных частей сигнальной составляющей. Спектральные соотношения помехи между наборами временных реализаций, разнесенных на интервал времени, больший, чем интервал корреляции для помехи, окажутся независимыми и некоррелированными, что практически всегда имеет место в реальных условиях. Если сигнал в набранных реализациях отсутствует, а имеется только помеха, то будет происходить случайное суммирование помехи. Поскольку помеха в соседних временных последовательностях не коррелирована, то реальная часть помехи будет складываться не когерентно с реальной частью помехи последующего набора. Аналогично и мнимая часть помехи будет складываться не когерентно с мнимой частью последующих наборов. Также и в канале разности помеха в соседних временных последовательностях не коррелирована, и реальная часть помехи будет вычитаться не когерентно с реальной частью помехи последующего набора. При наличии сигнала в канале разности в соседних временных последовательностях сигнал коррелирован, и реальная часть сигнала будет вычитаться когерентно с реальной частью сигнала последующего набора, а помеха не когерентно. Нулю будет равно среднее значение суммарного процесса и среднее значение разностного процесса, поскольку средние значения отдельных составляющих исходного процесса равны нулю. Если выходной энергетический спектр (сумма квадрата реальной части и сумма квадратов мнимой части комплексного спектра) («Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма М.Мир 1980 г. стр.389-436) будет больше выходного энергетического спектра разности комплексных спектров, то это означает, что на входе приемника присутствует шумоизлучение сигнала от объекта. Если выходной энергетический спектр суммы комплексных спектров будет равен выходному энергетическому спектру разности комплексных спектров, то это означает, что на входе приемника отсутствует шумоизлучение сигнала от объекта, при этом количество временных последовательных наборов должно быть обязательно четным. Как правило, объекты шумоизлучения подразделяются на сильношумящие и малошумящие. Для сильношумящего объекта решение о наличии сигнала шумоизлучения может быть принято при малом числе накоплений, что позволит сразу перейти к решению задачи классификации и измерению параметров движения, но если решение не принятого это не означает, что в данном направлении отсутствует мало шумящий объект. Для обнаружения малошумящих объектов необходимо увеличивать время накопления. Поэтому предусмотрена двухэтапная процедура, содержащая малое время накопления и принятие быстрого решения, и продолжение накопления для принятия решения о наличии малошумящего объекта.

Сущность изобретения поясняет фиг.1, на которой изображена блок-схема устройства, реализующего данный способ.

На фиг.1 антенна и приемное устройство 1 через дискретизатор 2 связанны с входом блока 3 БПФ. Первый, второй, третий и четвертый выходы блока 3 соединены со входами накопителя 4 суммы реальной части комплексного спектра, накопителя 5 суммы мнимой части комплексного спектра, накопителя 7 разности мнимой части комплексного спектра и накопителя 8 разности мнимой части комплексного спектра, соответственно. Выходы накопителей 4 и 5 соединены со входами блока 6 вычисления суммы квадратов накопленной суммы реальной части комплексного спектра и накопленной суммы мнимой части комплексного спектра. Выходы блоков 7 и 8 соединены со входами блока 9 вычисления суммы квадратов накопленной разности реальной части спектра и накопленной разности мнимой части спектра. Выходы блоков 6 и 9 соединены со входами блока 10 сравнения и принятия решения, а выход блока 10 соединен со вторым входом блока 3 БПФ.

Реализацию предлагаемого способа покажем на примере работы системы (фиг.1). С выхода антенны и приемного устройства 1 входной процесс поступает на вход дискретизатора 2, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой вид и фиксированными последовательными массивами передает в блок 3 БПФ, где по известным алгоритмам производится вычисление комплексного спектра входной реализации исходного аналогового процесса. На выходе блока 3 БПФ формируются в процессе вычисления реальная и мнимая части спектра, каждая из которых содержит положительную и отрицательную часть. Полученная оценка реальной части комплексного спектра с первого выхода блока 3 БПФ передается в накопитель 4, а со второго выхода блока 3 БПФ оценка мнимой части комплексного спектра передается в накопитель 5. Накопленные оценки реальной и мнимой части комплексного спектра, содержащего смесь шумового сигнала объекта и помехи, подаются на блок 6, где возводятся в квадрат и суммируются, образуя энергетический спектр суммы. С третьего выхода блока 3 БПФ оценка мнимой части комплексного спектра поступает в блок 7, где происходит вычитание реальной части предыдущего набора комплексного спектра из реальной части последующего набора комплексного спектра и так далее по мере поступления наборов, а с четвертого выхода блока 3 БПФ в блок 8 поступает мнимая часть комплексного спектра, где происходит вычитание из предыдущего набора мнимой части комплексного спектра последующего набора мнимой части комплексного спектра и накапливается сумма разности реальных частей комплексного спектра. Полученные оценки накопленной разности реальных частей и накопленной разности мнимых частей поступают на блок 9, где каждая из составляющих возводится в квадрат и суммируется друг с другом, образуя энергетический спектр разности. Полученные оценки накопленной разности и накопленной суммы конечных энергетических спектров поступают в блок 10 сравнения, где принимается решение о наличии или отсутствии шумоизлучения объекта в принятом сигнале. Если полученные энергии комплексных оценок суммы и разности равны, то это означает, что на входе действует только одна помеха. В этом случае в блок 3 БПФ передается сигнал на увеличении числа накоплений. Если уровень энергетического спектра суммы больше уровня энергетического спектра разности, то это означает, что в принятом входном сигнале имеется шумоизлучение объекта.

Принципы цифрового преобразование и обработки достаточно подробно приведены в работе («Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма М. Мир 1980 г. стр.389-436) При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса. В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную обработку и обнаружение сигнала, а также измерение спектров сигнала шумоизлучения, автокорреляционную обработку и процедуры анализа спектров. Вопросы реализации спецпроцессоров достаточно подробно рассмотрены в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт-Петербург «Наука»2004 г. стр.281.

Таким образом, достигается технический результат, связанный с определением энергии сигнала, энергии помехи с помощью одноканальной системы приема, и при сравнении результатов обработки обеспечивается автоматическое принятие решения о наличии или отсутствии сигнала шумоизлучения объекта на входе приемника.

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для разработки гидроакустической аппаратуры различного назначения. Способ позволяет автоматически обнаруживать гидроакустические сигналы шумоизлучения объектов. Способ обработки гидроакустического сигнала шумоизлучения объекта, содержащий прием сигнала шумоизлучения, определение спектра шумового сигнала и помехи, накопление, сравнение результата, прием сигнала шумоизлучения производят с выхода единой антенны, производят выделение реальной части спектра, выделение мнимой части спектра, повторение процедуры выделения реальной части спектра и повторение процедуры выделения мнимой части спектра для N последовательных наборов, суммирование реальных частей по N наборам, суммирование мнимых частей по N наборам, возведение в квадрат суммы реальных частей, возведение в квадрат суммы мнимых частей, определение энергетического спектра сигнала суммы, одновременно с определением энергетического спектра суммы по тем же исходным данным определяется энергетический спектр разности, определяют энергетический спектр разности как сумму квадратов N наборов разности реальных частей и сумму квадратов N наборов разности мнимых частей, а решение о наличии сигнала шумоизлучения объекта принимается в том случае, если энергетический спектр суммы будет больше энергетического спектра разности. 1 ил.

Способ обработки гидроакустического сигнала шумоизлучения объекта, содержащий прием гидроакустического сигнала шумоизлучения в смеси с помехой, определение спектра электрического сигнала шумоизлучения объекта, определения электрического спектра помехи, накопление, сравнение результатов, отличающийся тем, что прием гидроакустического сигнала шумоизлучения объекта производят с выхода единой антенны, производят дискретизацию электрического сигнала шумоизлучения объекта, быстрое преобразование Фурье набора дискретизированного электрического сигнала с формированием комплексного спектра, для всех N последовательных наборов, производят выделение реальной части комплексного спектра этого сигнала и выделение мнимой части комплексного спектра этого же сигнала, производят суммирование реальных частей комплексного спектра по N наборам и суммирование мнимых частей комплексного спектра по N наборам, возводят в квадрат сумму реальных частей комплексного спектра, возводят в квадрат сумму мнимых частей комплексного спектра, суммируют квадрат суммы реальных частей комплексного спектра и квадрат суммы мнимых частей комплексного спектра, одновременно с этим по тем же исходным данным производят последовательное вычитание реальных частей комплексного спектра по N наборам, производят вычитание мнимых частей комплексного спектра по N наборам, возводят в квадрат полученную разность реальных частей комплексного спектра N наборов, возводят в квадрат полученную разность мнимых частей комплексного спектра N наборов, суммируют квадрат разности реальных частей комплексного спектра и квадрат разности мнимых частей комплексного спектра, а решение о наличии сигнала шумоизлучения объекта принимают в том случае, если сумма квадрата суммы реальных частей комплексного спектра и квадрата суммы мнимых частей комплексного спектра будет больше суммы квадрата разности реальных частей комплексного спектра и квадрата разности мнимых частей комплексного спектра, при этом число N должно быть четным и определяться мощностью шумоизлучения объекта, значение которого выбирается для обнаружения сильношумящих объектов и обнаружения малошумящих объектов после принятия решения об отсутствии сигнала шумоизлучения.