СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ И СОПРОВОЖДЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2015 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к способу обнаружения, определения координат и сопровождения воздушных объектов при воздействии их акустическим полем на сеть разнесенных в пространстве волоконно-оптических линий связи, использующих при функционировании оптическое излучение. Изобретение может быть использовано в радиолокации и в автоматизированных системах управления.

Известны способы обнаружения, определения координат и сопровождения воздушных объектов при активной и пассивной радиолокации, радиолокации «на просвет» и другие [1].

При активной радиолокации объект облучается радиосигналом. Отраженные от его поверхности радиоволны принимаются, усиливаются, преобразуются в видеосигнал и обрабатываются для получения координат объекта и параметров его движения.

Методы пассивной локации основаны на регистрации излучений самого движущегося объекта: излучения радиовысотомеров и систем радиосвязи, инфракрасного излучения турбин и двигателей, шумов вентиляторов, двигателей и турбин. Излучаемый объектом сигнал, спектр которого находится в области частот от звукового до оптического диапазонов, принимается, усиливается, преобразуется в видеосигнал и затем обрабатывается известными для радиолокации способами.

Известен способ обнаружения, определения координат и сопровождения воздушных объектов с помощью звукоулавливателя [2]. В нем осуществляется обработка информации о звуковом портрете движущегося объекта, который оказывает несбалансированное воздействие на воздушную среду. Распространение фронта волны от источника звука происходит в виде продольной волны сжатия. Диаграмма направленности приемной антенны, образованной парой акустических рупоров, направляется на источник звукового сигнала. Меняя положение диаграммы направленности рупоров, разнесенных на заданное расстояние в пространстве, оператор добивается того, чтобы звук у него в наушниках был одинаковой интенсивности, и определяет направление на источник звука [2]. Для повышения качества работы аппаратуры в данном диапазоне устанавливаются резонансные и перестраиваемые фильтры. Если цель находится в направлении максимума диаграммы направленности антенны, то сигналы обоих рупоров при смешивании взаимно уничтожаются.

Аналогичные процедуры производятся и в угломестной плоскости. Следовательно, при наведении диаграммы направленности антенны на цель звуковой сигнал усиливается, фильтруется на фоне высокочастотных помех и поступает на устройство сравнения, где осуществляется обнаружение цели и определение направления на нее. В качестве чувствительного элемента, определяющего уровень звукового давления, используется человеческое ухо. Оценка местоположения и параметров движения объекта осуществляется с помощью известных методов с использованием измеренных данных: азимутального и угломестного положения объекта в определенные моменты времени и его доплеровской частоты.

Однако для аналога [2] характерны следующие недостатки: необходимо слежение за положением объекта в пространстве, например, посредством перемещения диаграммы направленности антенны с помощью синхронно следящих приводов по азимуту и углу места, создания множества позиций для установки звуколокаторов и сети связи между ними и пунктами контроля (управления). Кроме того, указанная процедура требует участия в процессе обнаружения человека (оператора), например, для эксплуатации оборудования и его охраны.

В то же время известны волоконно-оптические датчики - измерители звукового давления [3]. Среди используемых принципов действия датчиков следует отметить изменение коэффициента пропускания среды, нарушение полного внутреннего отражения. Учитывая то, что в настоящее время наблюдается развитие сетей связи с волоконно-оптическими кабелями воздушной прокладки, протяженные световоды этих кабелей могут быть использованы в качестве регистрирующих устройств интенсивности звуковой волны, излучаемой движущимся объектом.

Известен способ регистрации акустической волны [4]. Он заключается в том, что формируют оптический сигнал, акустическим полем воздействуют на систему датчиков, выполненную в виде вытянутого в прямую линию оптического кабеля, состоящего из волоконных световодов, каждый из которых имеет распределение по длине кабеля коэффициента чувствительности к акустическому давлению, которое аппроксимируется выражением k₁=k_0i+k_1i·cos(d_iz+φ_i), где d_i - параметры световодов; k_0i, k_1i, φ_i - параметры аппроксимации; z - текущая координата вдоль оси кабеля; i - порядковый номер световода. В световоды вводят когерентный свет и регистрируют изменение фазы светового потока измерителем фазы оптического сигнала в каждом световоде как функцию времени Δφ_i(t). Осуществляют спектральный анализ полученных сигналов анализатором спектра. По величине частоты ω гармоники сигнала, полученного из i-го световода, определяют амплитуду составляющей акустической волны с частотой ω и направление ее распространения, характеризующееся углом Θ относительно линии кабеля, который определяется выражением: Θ=arccos(d_iν/ω), где ν - скорость распространения акустической волны.

Этот способ регистрации акустической волны основан на особенностях воздействия акустического давления на механические и оптические характеристики протяженных световодов с переменными параметрами. Эти особенности заключаются в том, что изменение оптической длины таких световодов под действием акустического давления происходит неодинаково по длине световода. На каждом бесконечно малом участке световода удельное изменение оптической длины определяется как мгновенным значением акустического поля в данной точке волокна p(r, t), так и значением коэффициента чувствительности световода к акустическому давлению в этой точке кабеля k(z), и пропорционально их произведению. Изменение оптической длины световода в целом под действием акустического поля в каждый момент времени определяется суммированием изменений оптической длины во всех точках волокна и пропорциональногде L - длина оптического кабеля. Изменение оптической длины световода в целом под действием акустического поля определяется путем подачи в световод когерентного излучения и регистрации изменения разности фаз Δφ(t) как функции времени. При выбранном распределении коэффициента чувствительности к акустическому давлению по длине кабеля регистрируемые со световодов сигналы Δφ(t) характеризуются интегралами вида т.е. представляют собой компоненту d_i пространственного преобразования Фурье акустического поля по координате, направленной вдоль линии оптического кабеля.

Таким образом, каждый световод в рассматриваемом аналоге [4] обладает собственной диаграммой направленности при приеме акустических волн. В общем случае временной спектральный анализ позволяет получить набор спектров сигнала из каждого канала. При этом амплитуда гармоники ω сигнала, полученного из i-го канала, оказывается пропорциональной амплитуде составляющей акустического поля, воздействующего на систему, с частотой ω и направлением распространения, составляющим угол Θ=arccos(d_iν/ω) с линией оптического кабеля. Угол может изменяться от 0 до π/2 рад.

Недостатками аналога [4] являются:

необходимость использования для регистрации акустической волны одновременно нескольких световодов и измерителей фазы на приемной стороне;

технически и технологически трудно изготовить световоды, каждый из которых имеет распределение коэффициента чувствительности к акустическому давлению по всей длине кабеля, которое аппроксимируется заданной тригонометрической функцией;

используемые в качестве чувствительной среды световоды должны быть строго прямолинейны и параллельны друг другу;

в световоды необходимо вводить когерентный свет, что приводит к необходимости осуществления дополнительных операций над излучением лазера.

Наиболее близким по большинству существенных признаков и назначению является способ регистрации акустической волны [5], который и принят за прототип. В известном способе регистрации акустической волны, заключающемся в воздействии акустическим полем, создаваемым движущимся воздушным объектом, на датчик, выполненный в виде протяженного волоконно-оптического кабеля, включающем формирование оптического сигнала и ввод его в световод оптического кабеля, передачу его по оптическому кабелю, преобразование оптического сигнала в электрический на приемном конце оптического кабеля, осуществление спектрального анализа электрического сигнала, измерение его амплитуды и определение направления распространения акустической волны, осуществляют модуляцию передаваемого оптического сигнала внешним дискретным сигналом известной структуры, принятый оптический сигнал датчика после преобразования в электрический фильтруют, осуществляют дискретизацию во времени и квантование по амплитуде полученного сигнала, измерение его амплитуды и сравнение ее с «Порогом», заданным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, при этом фиксируют моменты начального и конечного времени превышения сигналом «Порога» t_н и t_к соответственно, момент времени t_м, соответствующий минимальному уровню сигнала, и момент времени t_д, при котором частота одной из характерных составляющих спектра сигнала имеет номинальное значение, и вычисляют расстояние L от приемного конца оптического кабеля до места пересечения движущимся объектом, создающим акустическую волну, оптического кабеля по формуле

где с - скорость распространения света в световоде, кроме того, измеряют частоту Доплера и производят вычисление координат точек входа и выхода движущегося объекта в зону чувствительности датчика в моменты времени t_н и t_к соответственно, экстраполируют траекторию движения объекта по результатам измерения амплитуды сигнала, частоты Доплера по двум или трем точкам в моменты времени t_н, t_д или t_н, t_д, t_к соответственно и определяют направление распространения акустической волны, причем для фиксации упомянутых выше моментов времени формируют временную шкалу из высокостабильных синхросигналов, выделенных из принятого дискретного сигнала.

Недостатками прототипа являются:

неполная обработка радиолокационной информации: отсутствуют операции отождествления обнаруженных воздушных объектов и их траекторий, не обеспечивается распознавание типа объекта;

нет защиты от резких порывов ветра, воспринимаемых датчиком как ложные объекты;

не обеспечивается привязка полученных данных к единому времени и электронной карте местности;

отсутствует операция формирования и выдачи объединенных данных потребителю информации.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение надежности обнаружения, определения координат и сопровождения воздушных объектов.

Технический результат - повышение точности определения координат и построения траекторий движения, обеспечение возможности распознавания типа низколетящих воздушных объектов за счет регистрации акустической волны, излучаемой движущимся объектом, и использования световода волоконно-оптического кабеля воздушной прокладки в качестве чувствительной среды.

Указанный технический результат достигается путем воздействия акустическим полем, создаваемым движущимся воздушным объектом, на датчик, выполненный в виде протяженного волоконно-оптического кабеля, включающий формирование оптического сигнала и ввод его в световод оптического кабеля, передачу его по оптическому кабелю, преобразование оптического сигнала в электрический на приемном конце оптического кабеля, осуществление спектрального анализа электрического сигнала, измерение его амплитуды и определение направления распространения акустической волны, осуществляют модуляцию передаваемого оптического сигнала внешним дискретным сигналом известной структуры, принятый оптический сигнал датчика после преобразования в электрический фильтруют, осуществляют дискретизацию во времени и квантование по амплитуде полученного сигнала, измерение его амплитуды и сравнение ее с «Порогом», заданным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, при этом фиксируют моменты начального и конечного времени превышения сигналом «Порога» t_н и t_к соответственно, момент времени t_м, соответствующий минимальному уровню сигнала, и момент времени t_д, при котором частота одной из характерных составляющих спектра сигнала имеет номинальное значение, и вычисляют расстояние L от приемного конца оптического кабеля до места пересечения движущимся объектом, создающим акустическую волну, оптического кабеля по формуле

где c - скорость распространения света в световоде, кроме того, измеряют частоту Доплера и производят вычисление координат точек входа и выхода движущегося объекта в зону чувствительности датчика в моменты времени t_н и t_к соответственно, экстраполируют траекторию движения объекта по результатам измерения амплитуды сигнала и частоты Доплера по двум или трем точкам в моменты времени t_н, t_д или t_н, t_д, t_к соответственно и определяют направление распространения акустической волны, причем для фиксации упомянутых выше моментов времени формируют временную шкалу из высокостабильных синхросигналов, выделенных из принятого дискретного сигнала, дополнительно вводят операции: проверяют сигналы, превысившие «Порог», на наличие характерных составляющих в спектре акустического сигнала и только при их наличии осуществляют дальнейшую обработку информации с выхода датчика, с помощью сигналов с выхода приемников глобальных навигационных спутниковых систем осуществляют в разнесенных в пространстве волоконно-оптических датчиках единую временную синхронизацию процессов обработки сигналов, превысивших «Порог», для распознавания типа объекта сигналы с выхода аналогово-цифрового преобразователя (полученный спектр) сравнивают с известными спектральными масками (сигнатурами в звуковом диапазоне) воздушных объектов, преобразованными с учетом соответствующего сдвига за счет частоты Доплера спектральных составляющих спектра на допустимые величины, и по результатам сравнения выносят решение о типе объекта, затем в вычислителе формируют с привязкой ко времени проведения измерений кодограмму о типе воздушного объекта и его параметрах движения, данные со всех вычислителей передают на выделенный вычислитель, в котором обеспечивают объединение данных, привязку полученных траекторий к единой системе координат и электронной карте местности, при известном направлении полета снижают величину «Порога» в следующем датчике по направлению движения воздушного объекта и на основании данных двух или более датчиков и рассчитанных параметров движения строят траекторию дальнейшего полета, затем выдают объединенные данные потребителю информации.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается наличием новых операций, в частности:

- выделение наиболее интенсивных составляющих спектра обнаруженного акустического сигнала и оценка их величины;

- сравнение спектра обнаруженного акустического сигнала с известными акустическими сигнатурами воздушных объектов;

- формирование кодограммы о параметрах воздушного объекта;

- привязка кодограммы к единому времени, метки которого снимают с выхода приемников глобальных навигационных спутниковых систем;

- передача кодограмм к выделенному вычислителю;

- объединение данных, привязка их к единой системе координат и электронной карте местности;

- отождествление траекторий;

- выработка команды на изменение величины «Порога» в i-м волоконно-оптическом датчике и управление величиной «Порога»;

- выдача данных потребителю информации;

- отображение типа, местоположения и параметров движения объекта совместно с другими характеристиками, снимаемыми с выходов волоконно-оптических датчиков.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна».

Данный способ существенно отличается от известных аналогов в данной области техники, явным образом не следует из уровня техники, является нетрадиционным, поэтому имеет изобретательский уровень. Заявляемый способ может быть реализован с использованием существующих серийных устройств, применяемых в волоконной оптике, радиотехнике, вычислительной технике и является промышленно применимым.

Заявленный способ содержит следующие выполняемые операции (Фиг. 1):

1 - формирование оптического сигнала;

2 - воздействие акустическим полем на световод оптического кабеля;

3 - ввод в торец световода с одной стороны оптического излучения и передача его по световоду;

4 - преобразование (детектирование) оптического сигнала в электрический сигнал;

5 - проведение спектрального анализа электрического сигнала;

6 - определение направления распространения звуковой волны;

7 - измерение амплитуды электрического сигнала;

8 - модуляция вводимого в световод оптического излучения внешним акустическим сигналом;

9 - фильтрация после детектирования 4;

10 - дискретизация электрического сигнала во времени и квантование по амплитуде;

11 - сравнение его амплитуды с «Порогом»;

12 - определение скорости изменения и величины частоты Доплера ω_д одной из характерных составляющих в спектре видеосигнала и фиксация моментов времени: начального t_н и конечного t_к моментов превышения видеосигналом «Порога», момента t_м минимального уровня видеосигнала, момента t_д, при котором частота одной из характерных составляющих спектра сигнала имеет номинальное значение;

13 - вычисление расстояния от приемного конца оптического кабеля до места пересечения движущимся объектом линии, образованной в пространстве оптическим кабелем L воздушной прокладки;

14 - экстраполяция траектории движения объекта по измерениям в двух (или трех) точках в моменты времени t_н, t_д (или t_н, t_д, t_к) амплитуды видеосигналов и частоты Доплера;

15 - вычисление координат точки входа (выхода) объекта в зону чувствительности датчика в момент времени t_н (t_к);

16 - выделение на приемной стороне из внешнего дискретного сигнала импульсов временной синхронизации;

17 - выделение наиболее интенсивных составляющих спектра обнаруженного акустического сигнала и оценка их величины;

18 - сравнение спектра обнаруженного акустического сигнала с известными акустическими сигнатурами воздушных объектов;

19 - формирование кодограммы о параметрах воздушного объекта;

20 - привязка кодограммы к единому времени, метки которого снимают с выхода приемников глобальных навигационных спутниковых систем;

21 - передача кодограмм к выделенному вычислителю;

22 - операции: объединения данных, привязка их к единой системе координат и электронной карте местности, отождествление траекторий, отображение воздушной ситуации, выработка команды на изменение величины «Порога» в i-м волоконно-оптическом датчике;

23 - управление величиной «Порога»;

24 - выдача данных потребителю информации;

25 - операции, проводимые в каждом волоконно-оптическом датчике.

Из работ по авиационной акустике [6] известно, что звуковое давление вблизи измерителя давления определяется суперпозицией прямой и отраженной от земной поверхности звуковых волн, приходящих с различными фазами и амплитудами. На фиг. 2 в вертикальной плоскости упрощенно изображены различные траектории распространения звука от воздушного объекта (Ц) на один волоконно-оптический датчик, расположенный в точке В: прямая (линия ЦВ), отражение от поверхности Земли (линия ЦАВ). Координаты воздушного объекта могут быть определены по излучаемым им звуковым сигналам, снимаемым с выхода волоконно-оптического датчика путем измерения на его выходе величины относительных задержек между прямыми сигналами и отраженными сигналами от подстилающей поверхности, например, следующим образом. При движении воздушный объект представляет собой источник акустического сигнала. Создаваемое им звуковое давление воздействует 2 (Фиг. 1) на протяженный кабель. В результате этого воздействия в кабеле возникают следующие явления: световоды с волоконно-оптическим кабелем начинают совершать колебания в направлении распространения звуковой волны; изменяется коэффициент преломления из-за микроизгибов волокон; нарушается прямолинейность оптического волокна из-за скрутки и появляются напряжения скручивания и неоднородности внутренней поверхности волокна из-за сжатия защитной трубки кабеля и взаимного давления соседних волокон внутри кабеля [7]. Указанные процессы увеличивают затухание оптического сигнала в кабеле, поэтому коэффициент пропускания оптического канала в световоде может снижаться до 0,2…0,4.

В рассматриваемом случае протяженный кабель является датчиком звукового давления, создаваемого объектом. Излучаемый объектом при его движении акустический сигнал оказывает воздействие 2 (Фиг. 1) на чувствительную среду - световод оптического кабеля - и преобразуется в ней в отрицательное приращение мощности оптического излучения, формируемого, например, с помощью лазера. Это оптическое излучение модулируется внешними дискретными акустическими сигналами, например, сигналами импульсно-кодовой модуляции телефонных каналов. Основным требованием к этим сигналам является отсутствие спектральных составляющих в области акустических (звуковых) частот. При необходимости, составляющие спектра внешнего дискретного сигнала могут быть дополнительно выделены 16 и использованы для синхронизации операций 5, 7, 10, 12, 14. Оптическое излучение вводят в торец световода 3 и передают на приемную сторону, где сигналы оптического диапазона детектируются 4 и фильтруются 9 для выделения обнаруженного звукового сигнала на фоне помех. Ширина полосы частот фильтрации определяется спектром излучаемых объектом частот. Например, для воздушных объектов он находится в диапазоне (100-10000) Гц [6]. Отфильтрованные сигналы квантуются по амплитуде и дискретизируются во времени 10. Цену младшего разряда обычно выбирают равной амплитуде шума оптического приемника. Затем измеряют 7 амплитуду электрического сигнала и сравнивают 11 ее с «Порогом». После преобразования 10 проверяют все акустические сигналы, превысившие «Порог», на наличие характерных составляющих в спектре акустического сигнала 5, 17 и только при их наличии осуществляют дальнейшую обработку информации с выхода датчика с помощью операций 12, 14, 18. Величина «Порога» определяется в соответствии с критерием Неймана-Пирсона исходя из заданного уровня ложных тревог. Моменты времени, характеризующие процессы перехода цифровым сигналом значения «Порога», в реальном масштабе времени фиксируют 12 и привязывают к текущему времени для вычисления места преодоления объектом «барьера», образованного чувствительной средой. В моменты времени, соответствующие превышению «Порога», осуществляется измерение амплитуды сигналов датчика и сравнение ее с предыдущем значением. Формирование 16 временной шкалы осуществляется из высокостабильных синхросигналов, выделенных из принятого дискретного сигнала. Например, при использовании в качестве чувствительной среды волоконно-оптического кабеля воздушной прокладки цифровой системы передачи абонентских линий в качестве цикловых импульсов могут быть выбраны синхросигналы временного группообразования с частотой 8 кГц или в 2ⁿ раз ниже (n=1, 2, 3…), а в качестве тактовых - импульсы с частотой следования 2,048 МГц или 8,448 МГц. Период цикловых импульсов должен быть больше времени распространения высокочастотного сигнала по всей длине чувствительной среды. Период и стабильность частоты тактовых импульсов, уровень шума в полезном звуковом сигнале, в основном, определяют погрешность измерения временного положения моментов t_н, t_к прохождения электрического сигнала через порог, времени минимального уровня электрического сигнала t_м и времени t_д, при котором частота Доплера ω_д, измеренная по наиболее характерной частоте 17 в спектре акустического сигнала, имеет номинальное значение. Эти данные необходимы для выполнения операций 12 и 14. Расстояние L до места пересечения воздушным объектом "барьера" - линии, образованной оптическим кабелем воздушной прокладки, - вычисляют 13 по формуле , где с - скорость света в световоде.

Положение места пересечения протяженного датчика легко определяется в выбранной системе координат, например прямоугольной, так как используемые для передачи волоконно-оптические линии связи стационарные. Топографическая погрешность привязки их к местности составляет единицы метров.

Определение величины частоты Доплера $${\omega }_{{д}_i}$$ 14 в моменты времени t_i, формирование акустического портрета воздушного объекта, выделение характерных составляющих из спектра видеосигнала осуществляется после процесса спектрального анализа 5.

В момент пересечения объектом «барьера», образованного волоконно-оптическим кабелем, частота ω_д, измеренная по наиболее характерной частоте 17 в спектре акустического сигнала, например, наиболее высокочастотной, имеет номинальное значение, а затем при удалении воздушного объекта от «барьера» постепенно уменьшает свое значение. Фиксация этого момента времени t_д позволяет не только определить место пересечения объектом «барьера» L_д, но и прогнозировать трассу его полета. Например, если траектория движения прямолинейная, то по известному положению на волоконно-оптическом кабеле проекции начальной точки (R_н) входа объекта в зону обнаружения датчика (точка L_н) и средней радиальной скорости движения объекта , где λ - длина волны характерной составляющей спектра акустического сигнала, можно вычислить 15 расстояние υ_p(t_д-t_н) от точки R_н в пространстве до точки L_д. Затем по двум точкам можно экстраполировать траекторию движения объекта. Третье измерение частоты Доплера в момент времени t_к выхода объекта из зоны чувствительности датчика позволит уточнить траекторию полета объекта. Направление прихода акустической волны Θ_i совпадает с экстраполированной траекторией движения воздушного объекта. По знаку ω_д определяют 6 направление акустической волны Θ_i: при положительной величине ω_д характерной составляющей спектра акустического сигнала воздушный объект приближается к датчику, при отрицательной величине ω_д - удаляется от него.

Учитывая, что в групповом сигнале волоконно-оптической системы передачи информации используются балансные коды, при которых средняя мощность сигнала постоянна, независимо от числа «нулей» и «единиц» в сообщении и в области звуковых частот мощность спектральных составляющих передаваемой информации мала, эти два воздействия на датчик после выделения фильтром нижних частот, например полосы до 20 кГц, с помощью соответствующего аналогово-цифрового преобразования могут быть селектированы по амплитуде и выделены по времени [3, 5]. Очередность следования минимумов величины тока оптического приемника датчика в результате таких воздействий постоянна и инвариантна величинам расстояния до воздушного объекта R, высоты подвеса датчика H и высоты полета воздушного объекта h. Координаты воздушного объекта могут быть вычислены, например, в простейшем случае путем расчета по приведенным ниже формулам, полученным с помощью геометрических преобразований на фиг. 2 при известной величине H и измеренной величине задержки τ отраженного от земной поверхности акустического сигнала:

l=υ₃τ

где υ₃ - скорость звука, τ - длительность задержки относительно прямого звукового сигнала отраженного сигнала от участка земной поверхности, облучаемого диаграммой направленности воздушного объекта. Для получения более точных результатов могут быть использованы методы пассивной радиолокации и радиолокации «на просвет».

После вычисления значений R, h и определения места первоначального воздействия шума воздушного объекта на датчик для заданного момента времени вычисляются координаты объекта. Уточнение координат может быть осуществлено при обнаружении воздушного объекта в соответствии с указанными выше процедурами двумя или несколькими волоконно-оптическими датчиками на основе световодных линий дальней связи воздушной прокладки, что эквивалентно методу триангуляции [1, 8]. Оценки вектора состояния воздушного объекта с выхода волоконно-оптического датчика совместно с сообщениями с других датчиков обрабатываются с помощью известных алгоритмов вторичной обработки информации в выделенном вычислителе.

Обнаружение нескольких одновременно воздействующих на волоконно-оптический датчик воздушных объектов может быть осуществлено по следующим признакам:

- времени входа и выхода объекта из зоны обнаружения;

- спектру излучаемого объектом акустического сигнала;

- радиальной скорости однотипных объектов;

- направлению движения;

- пространственному положению источника звука;

- данным предыдущих датчиков или радиолокационных объектов, которые сопровождали цели;

- профилю полета (относительно проекции местоположения воздушного объекта на трехмерную электронную карту местности);

- комбинациям указанных выше признаков.

Точность определения координат воздушного объекта зависит от следующих параметров:

- длины протяженного волоконно-оптического датчика;

- разрядности аналогово-цифрового преобразователя;

- предельных возможностей применяемой для обработки вычислительной техники;

- назначения волоконно-оптического датчика, а именно при работе в качестве «барьерного» обнаружителя или устройства измерения координат и сопровождения целей;

- типа волоконно-оптического датчика: фазовый, амплитудный, поляризационный;

- уровня излучаемого объектом акустического сигнала вблизи волоконно-оптического датчика;

- мощности передаваемого оптического сигнала;

- конфигурации сети волоконно-оптических датчиков;

- наличия целеуказаний с предыдущих ступеней обнаружения воздушного объекта;

- типа крепления волоконно-оптического кабеля к опорам;

- точности топографической привязки волоконно-оптического кабеля к карте местности;

- спектрограммы акустического сигнала от воздушного объекта;

- высоты подъема волоконно-оптического кабеля над Землей;

- шероховатости подстилающей поверхности;

- климатических условий в окружающей волоконно-оптический датчик среде;

- уровня помех в акустическом диапазоне (взрывы, шумы транспорта и т.п.);

- вероятности ошибочного приема в системах передачи данных датчиков на выделенный вычислитель;

- наличие ошибочных решений в устройствах отображения воздушной обстановки.

Распознавание воздушных объектов 18 основано на различии спектрального состава акустических шумов, излучаемых ими при движении: турбореактивных, винтовых, вертолетных. В каждом из типов воздушных объектов имеются характерные (наиболее интенсивные) спектральные составляющие, указывающие, например, на частоты вращения лопаток турбин, пропеллера, винта и их гармоники. Например, звук от турбореактивного самолета создается, в основном, лопатками турбин. Этот акустический сигнал распространяется в головном и хвостовом направлениях. Основными источниками шума на воздушном судне является вентилятор, струя, турбина, компрессор. В боковом направлении излучаемая мощность звукового сигнала меньше из-за экранировки лопастей турбин корпусом самолета. Акустический шум от воздушного объекта содержит случайную и периодическую составляющую. Случайная составляющая шума является результатом вибраций корпуса и движения его отдельных частей, создающих равномерный спектр шума в полосе до 1 кГц [6]. Периодическая составляющая вызывается быстро вращающимися частями самолета. Более мощные периодические составляющие вызывают модуляцию фонового шума в полосе (100-10000) Гц.

На основании проведенных измерений в датчике и расчетов формируют 19 кодограммы. Кодограммы, включающие в своем составе номер датчика, полностью определяющий его привязку к местности, данные о типах воздушных объектов, траекториях их движения и других параметрах, полученных после проведения операций 6, 13, 15, 18, привязывают к единому времени 20 с помощью сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. Далее сообщения со всех волоконно-оптических датчиков передают 21 на выделенный вычислитель. На основании данных двух датчиков и рассчитанных параметров движения в выделенном вычислителе осуществляют стандартные операции 22: объединение данных с датчиков, привязка их к единой системе координат и электронной карте местности, отождествление траекторий, отображение воздушной ситуации, выработка команды на изменение величины «Порога» в i-м волоконно-оптическом датчике (при известном направлении полета снижают величину «Порога» 23 в следующем по направлению движения объекта датчике). Затем строят траекторию дальнейшего полета и выдают объединенные данные потребителю информации 24. Полный объем операций, проводимых в каждом волоконно-оптическом датчике 25, необходим для реализации предлагаемого способа.

Система обнаружения, измерения координат и сопровождения воздушного объекта на основе данных, снимаемых с протяженных волоконно-оптических датчиков, построенная по предложенному способу, реализуется следующим образом. Имеется разнесенная в пространстве сеть волоконно-оптических датчиков, на приемных концах которых установлены соответствующие датчики и каналы связи на выделенный вычислитель. Информация о воздействии на датчик акустического сигнала может быть снята, например, с аналогового выхода оптического приемника (типа ФПУ-02 [9]), который обычно используется для контроля. Все датчики с помощью выделенных каналов связи, например, той же волоконно-оптической системы передачи информации, световоды которой используются в качестве чувствительной среды датчика, соединены с выделенным вычислителем, который назначается основным центром обработки информации с волоконно-оптических датчиков. После сбора данных со всех датчиков в этом вычислителе осуществляются известные процедуры первичной и вторичной обработки радиолокационной информации [1]. Первичная обработка информации в датчике осуществляется в несколько этапов. На первом этапе определяются координаты j-го воздушного объекта в заранее заданные моменты времени t_i по величинам оценок в соответствии с приведенными выше формулами. Затем данные преобразуются к единой прямоугольной системе координат. Ошибки преобразования координат зависят не только от погрешности их измерения, но и от точности определения привязки датчиков к электронной карте местности.

На следующем этапе преобразованные результаты измерений отождествляются между собой и с построенными ранее траекториями, осуществляется сопровождение воздушного объекта по маршруту с привязкой к единому времени и электронной карте местности. Неотождествленные данные используются для завязки новых траекторий. Затем информация в виде оценок вектора состояния воздушного объекта в момент t_k, включающий, например, привязанные к единой декартовой системе три координаты и их производные, обрабатывается в фильтрах Калмана с помощью известных алгоритмов вторичной обработки [1]. Для каждого момента времени t_k+1 фильтр Калмана формирует сглаженную оценку вектора состояния на основе оценки (полученной по предыдущим к наблюдениям цели в моменты t₁, t₂, …, t_k) и вновь поступившего замера.

Результатами фильтрации на каждом шаге являются оптимальная сглаженная оценка вектора состояния и корреляционная матрица.

На каждом датчике может быть осуществлена операция 18 распознавания типа воздушного объекта по характерным особенностям акустических сигнатур, регистрируемых на выходе волоконно-оптического датчика:

- числа экстремумов устойчиво фиксируемых в i-й полосе частот ΔF_i

где N₃ - число выделенных для анализа полос ΔF_i между верхней F_В и нижней F_Н граничными частотами исследуемого акустического диапазона;

- энергии составляющих в различных участках спектра анализируемых частот (F_В-F_Н)

- характеру изменения мощности составляющих спектра W_i в полосе ΔF_i в течение заданного интервала времени t_j-t_i;

- моментам времени входа и выхода (t_вх и t_вых) воздушного объекта в зону обнаружения датчика и пролета объекта над волоконно-оптическим кабелем t_к.

Расчеты показывают, что электронное оборудование датчика, построенное на современных аналого-цифровых преобразователях и средствах вычислительной техники, позволяет обработать информацию о 10 воздушных объектах, находящихся одновременно в зоне обнаружения протяженного датчика. При увеличении их количества в алгоритме обработки информации волоконно-оптического датчика закладывают процедуру выдачи признака групповой цели.

Различие спектрограмм (акустических сигнатур) в зависимости от направления и величины скорости движения воздушного объекта относительно протяженного волоконно-оптического датчика потребуют статистической обработки сигналов и организации банка данных по структурам акустических сигнатур низколетящих воздушных объектов для устойчивого выделения их информационных признаков.

Для анализа спектрального состава излучаемого воздушным объектом акустического сигнала величина полосы частот цифровых фильтров, выполненных, например, программными методами с учетом допустимой скорости обработки информации в спецвычислителях, выбирается равной ΔF_i=(0,01-0,1) Гц. Время интегрирования анализируемых составляющих спектра выбирают таким, чтобы оно было достаточным для обеспечения требуемого спектрального разрешения. Обработка информации с выходов системы фильтров осуществляется известными способами, применяемыми в радиолокации.

Таким образом, в результате использования заявляемого способа можно не только регистрировать акустические волны, излучаемые движущимся объектом, но и определить его тип и траекторию движения, обеспечить его сопровождение по маршруту с привязкой к единому времени и электронной карте местности. Одно из достоинств предложенного способа заключается в том, что оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента датчика акустического давления и как среда для передачи радиолокационной информации с волоконно-оптического датчика на выделенный вычислитель для дальнейшей обработки, принятия решения и выдачи данных потребителю информации. Каждая из операций, указанных выше, необходима, а все в совокупности достаточны для достижения поставленной цели.

Операции, указанные в заявляемом способе, могут быть реализованы следующим образом: операции 1 и 8 с помощью передающих оптических модулей ПОМ - 3 [9]; операция 2 - при воздействии акустического поля, например, самолета на световод кабеля марки ОКПН (ТУ 16.К71-026-88); детектирование 4 - на фотоприемном устройстве ФПУ-02 [9]; операция 5 - на анализаторе спектра типа СК4-72 или программно на ПЭВМ; операции 6, 11, 12, 13, 14, 15-20, 22-24 - программно с помощью вычислений на ПЭВМ типа 1 ВМ РС или сигнальном процессоре ТМ8320С10; операция 7 - на аналого-цифровом преобразователе ИМС серии 1108; фильтрация 9 - на ИМС серии 298; выделение синхросигналов 16 из внешнего дискретного сигнала может быть проведено, например, с помощью кварцевых фильтров, как в цифровой системе передачи; операция 21 - на выделенных каналах той волоконно-оптической системы передачи информации, световоды которой используются в качестве чувствительной среды.

На момент выдачи заявки разработаны алгоритмы обработки информации, снимаемой с датчика.

Изобретение может быть использовано в радиолокации для обнаружения низколетящих воздушных объектов, а также в охранных системах, оборудовании дистанционного контроля состояния газо- и нефтетрубопроводов.

Источники информации

1. Теоретические основы радиолокации: Учебн. пособие для вузов / под ред. Ширмана Я.Д. - М.: Сов. радио, 1970. - 560 с.

2. Бурдик В.С. Анализ гидроакустических систем: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1988. - 392 с.

3. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

4. А.С. №1818604 А1, МКИ G0113/80. Способ регистрации акустической волны. М.П. Петров, А.А. Фотиади (СССР), 1991.

5. Патент РФ №2189050, М. Кл. G01S 3/80, H04B 10/00. Способ регистрации акустической волны. А.В. Кейстович, А.А. Кейстович, БИ №25, 2002 - прототип.

6. Авиационная акустика в 2-х ч. Ч.1. Шум на местности дозвуковых пассажирских самолетов и вертолетов / Мунин А.Г., Самохин В.Ф., Шипов Р.А. и др.; Под ред. А.Г. Мунина. - М.: Машиностроение, 1986. - 248 с.

7. Гуляев Ю.В., Меш М.Я., Проклов В.В. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. - М.: Радио и связь, 1991. - 152 с.

8. Черняк В.С. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993. - 416 с.

9. Изделия волоконно-оптической техники. Каталог. - М.: 1993.

Изобретение относится к радиолокации, в частности к способу обнаружения, определения координат и сопровождения воздушных объектов при воздействии их акустическим полем на сеть разнесенных в пространстве волоконно-оптических линий связи, использующих при функционировании оптическое излучение. Способ заключается в воздействии акустическим полем, создаваемым движущимся воздушным объектом, на датчик, выполненный в виде протяженного оптического кабеля. Вычисляют моменты начального и конечного времени превышения сигналом «Порога» t_н и t_к, момент времени t_м, соответствующий минимальному уровню сигнала, и момент времени t_д, при котором частота одной из характерных составляющих спектра сигнала имеет номинальное значение. На основании этих данных и измеренной частоты Доплера определяются координаты воздушных объектов, которые со всех датчиков передаются на выделенный вычислитель, где они объединяются, отождествляются и по ним строятся траектории. При известном направлении полета снижают величину «Порога» в следующем датчике по направлению движения воздушного объекта. Технический результат - упрощение процесса обнаружения, определения координат, построения траекторий движения и распознавания типа низколетящих воздушных объектов. 2 ил.

Способ обнаружения, определения координат и сопровождения воздушных объектов, заключающийся в воздействии акустическим полем, создаваемым движущимся воздушным объектом, на датчик, выполненный в виде протяженного волоконно-оптического кабеля, включающий формирование оптического сигнала и ввод его в световод оптического кабеля, передачу его по оптическому кабелю, преобразование оптического сигнала в электрический на приемном конце оптического кабеля, осуществление спектрального анализа электрического сигнала, измерение его амплитуды и определение направления распространения акустической волны, осуществляют модуляцию передаваемого оптического сигнала внешним дискретным сигналом известной структуры, принятый оптический сигнал датчика после преобразования в электрический фильтруют, осуществляют дискретизацию во времени и квантование по амплитуде полученного сигнала, измерение его амплитуды и сравнение ее с «Порогом», заданным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, при этом фиксируют моменты начального и конечного времени превышения сигналом «Порога» t_н и t_к соответственно, момент времени t_м, соответствующий минимальному уровню сигнала, и момент времени t_д, при котором частота одной из характерных составляющих спектра сигнала имеет номинальное значение, и вычисляют расстояние L от приемного конца оптического кабеля до места пересечения движущимся объектом, создающим акустическую волну, оптического кабеля по формуле
$$L=\frac{1}{3}c\left(\frac{t_{н}-t_{к}}{2}+t_{м}+t_{д}\right)$$ ,
где c - скорость распространения света в световоде, кроме того, измеряют частоту Доплера и производят вычисление координат точек входа и выхода движущегося объекта в зону чувствительности датчика в моменты времени t_н и t_к соответственно, экстраполируют траекторию движения объекта по результатам измерения амплитуды сигнала, частоты Доплера по двум или трем точкам в моменты времени t_н, t_д или t_н, t_д, t_к соответственно и определяют направление распространения акустической волны, причем для фиксации упомянутых выше моментов времени формируют временную шкалу из высокостабильных синхросигналов, выделенных из принятого дискретного сигнала, отличающийся тем, что проверяют сигналы, превысившие «Порог», на наличие характерных составляющих в спектре акустического сигнала и только при их наличии осуществляют дальнейшую обработку информации с выхода датчика, с помощью сигналов с выхода приемников глобальных навигационных спутниковых систем осуществляют в разнесенных в пространстве волоконно-оптических датчиках единую временную синхронизацию процессов обработки сигналов, превысивших «Порог», для распознавания типа объекта сигналы с выхода аналогово-цифрового преобразователя (полученный спектр) сравнивают с известными спектральными масками (сигнатурами в звуковом диапазоне) воздушных объектов, преобразованными с учетом соответствующего сдвига спектральных составляющих спектра на допустимые величины за счет частоты Доплера, и по результатам сравнения выносят решение о типе объекта, затем в вычислителе формируют с привязкой ко времени проведения измерений кодограмму о типе воздушного объекта и его параметрах движения, данные со всех вычислителей передают на выделенный вычислитель, в котором обеспечивают объединение данных, привязку полученных траекторий к единой системе координат и электронной карте местности, при известном направлении полета снижают величину «Порога» в следующем датчике по направлению движения воздушного объекта и на основании данных двух или более датчиков и рассчитанных параметров движения строят траекторию дальнейшего полета, затем выдают объединенные данные потребителю информации.