Способ разрешения тональных гидроакустических сигналов Российский патент 2019 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно - к способам обработки гидроакустических сигналов в условиях реального канала распространения и может применяться в гидроакустических системах связи, управления и позиционирования. Способ обработки может быть использован для обнаружения гидроакустического тонального сигнала в условиях многократных отражений и помех.

Известен способ обнаружения сигнала, включающий операции взаимокорреляционного сравнения принятой реализации с квадратурными составляющими сигналов, возведения в квадрат корреляционных откликов результатов сравнения принятой реализации и квадратурных составляющих и суммирования результатов возведения в квадрат, (Патент РФ 2032917 «Способ обнаружения сигналов», Сапрыкин В.А., Бутырский Е.Ю., Беленков В.Н., Алексеев М.В, 1995.).

Недостатком данного способа являются невысокие параметры помехоустойчивости предложенного алгоритма и вероятности корректного обнаружения, незначительно отличающиеся от характеристик классической квадратурной обработки.

Известен способ поиска сигнала известной формы, а точнее, имеющего вид затухающего синусоидального сигнала, основанный на делении спектра разрешаемого сигнала на спектр эталонного сигнала, («Методы измерения параметров излучающих систем в ближней зоне», Л.Д. Бахрах. С.Д. Кременецкий, А.И. Курочкин и др, 1985; «Basic Theory of Probe-Compensated Near-Field Measurements)), Demetrius T. Paris, Edward B. Joy, W. Marshall Leach, JR, 1978):

,

где X_t(ƒ) - спектр принимаемого сигнала;

E(ƒ) - спектр помехи;

Х₀(ƒ) - спектр эталонного сигнала;

k_g - коэффициент амплитуды отраженной волны;

τ_n - задержка n-ой отраженной волны;

k_n - коэффициент амплитуды n-ой отраженной волны;

ƒ - частота сигнала;

N - количество отраженных волн.

За эталонный сигнал применяется излученный зондирующий импульс, огибающая которого принимает форму функции Гаусса. Затем используется обратное преобразование Фурье над результатом деления спектров. Результат деления спектров представляется в виде дельта-функций, пики которых во временной области отражают моменты начала фиксирования в гидроакустическом сигнале отраженных импульсов. Данный способ наиболее близок к заявленному и далее именуется, как способ-прототип.

Недостатком способа-прототипа является низкая помехоустойчивость (34 дБ), а также чувствительность к величине ошибки регистрации начальной фазы тонального сигнала на АЦП приемника аппаратуры.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехоустойчивости при решении задачи обнаружения тонального гидроакустического сигнала в условиях многочисленных отражений.

Поставленная задача достигается следующим образом.

Предлагается способ разрешения тональных гидроакустических сигналов, основанный на способе деления спектра принимаемого сигнала X_t(ƒ) на спектр эталонного зондирующего импульса X₀(ƒ) и определении момента фиксирования отраженного сигнала по максимуму обратного преобразования Фурье над результатом деления спектров, согласно изобретения, с проведением фильтрации принимаемого сигнала на основе импульсной характеристики канала, полученной в результате обработки передаточной характеристики канала, которая определяется при анализе распространения и приема зондирующего пилот-сигнала с бесконечным спектром, а также дополнением метода деления спектров, заключающегося в делении спектра принятого сигнала на спектр сигнала-эталона, алгоритмом расчета порога обнаружения гидроакустического сигнала Н=-ln[1-(1-q)^2/(N-2)] на основе статистических критериев обнаружения сигнала в шумах, и проведением последующей корректировки спектрально-корреляционным анализом, рассматривая регистрируемый сигнал как временной ряд, на основе расчета коэффициентов Фурье и и корреляционной функции на их основе R_k=А_k²+В_k², при использовании правила максимума корреляции: если R_k>R_max, то R_max>R_k в данном окне корректировки величиной [-π;π], и расчете корректирующей фазы относительно нуля в момент обнаружения , при величине значения поправочной фазы , определяемой из соотношения , определяется истинный момент фиксирования отраженной составляющей в канале.

Эквивалентное представление сигнала, получаемого путем прохождения отраженных копий зондирующего тонального импульса различных путей на разное время, в частотной области описывается следующим выражением:

,

где X_t(ƒ), X_g(ƒ), E(ƒ) - спектры сигналов S_t(t), S_g(t), e(t) соответственно. Принимая, что спектр искомого гидроакустического сигнала обозначается как X₀(ƒ), выражение спектра сигнала может быть определено как:

X_g(ƒ)=k_gХ₀(ƒ),

где k_g - амплитуда поверхностной составляющей. При делении поэлементно всех слагаемых формулы, описывающей эквивалентное представление сигнала на спектр эталонного сигнала, обнаружение отраженных составляющих сводится к определению пиков дельта-функции, как в способе-прототипе. Факт наличия или отсутствия сигнала в момент появления дельта-функции определяется величиной порога обнаружения сигнала, рассчитываемой исходя из статистических критериев обнаружения сигнала в шумах.

Отличительными признаками заявляемого способа являются: 1) предварительная фильтрация принятого отраженного гидроакустического сигнала; 2) использование статистических критериев обнаружения сигнала в шумах, рассматривая результат деления спектров как временной ряд; 3) уточнение момента обнаружения каждой из отраженных составляющих методом спектрально-корреляционного анализа.

Обзор известных изобретений показал, что заявленный способ обладает новым свойством, позволяющим минимизировать значение вероятности ложной тревоги, эффективно бороться с импульсной помехой и тем самым увеличить помехоустойчивость обработки гидроакустических сигналов, за счет выполнения операций в предложенной последовательности, а также эффективно разрешать отраженные составляющие.

Пример реализации способа.

Пусть есть гидролокатор бокового обзора с излучателем тональных сигналов со средней частотой сигнала ƒ_S=260416,66 Гц, длительность сигнала τ=0.0000768 мс. На входе приемного устройства пороговый детектор, работающий на частоте ƒ_д=1041666,66 Гц (частота АЦП в 4 раза выше частоты излученного сигнала), который осуществляет прием сигнала. Длительность периода зондирующего импульса d=76.8 мкс, количество периодов внутри импульса - 20. Сигнал, представляющий собой смесь полезного сигнала и шумовой составляющей, с выхода детектора фильтруется с помощью импульсной характеристики канала, которая определяется при зондировании пилот-сигналом бесконечного спектра (например, шумоподобным сигналом). В результате деления спектра принятой последовательности на спектр идеального шумоподобного сигнала находится передаточная функция, а с помощью обратного преобразования Фурье - импульсная характеристика канала, по полученным данным настраивается фильтр перед гидроакустической съемкой. Постобработка принимаемых акустических данных заключается в делении спектра принятого тонального сигнала, сформированного из множества отраженных эхо-импульсов, на спектр идеального эхо-импульса и определении моментов фиксирования каждой составляющей. После операции обнаружения с необходимым порогом все определенные моменты корректируются с применением спектрально-корреляционного анализа, в результате чего ошибка обнаружения уменьшается корректировкой рассчитанного смещения фазы сигнала относительно нуля.

Таким образом, достигается повышение помехоустойчивости при решении задачи обнаружения тонального гидроакустического сигнала в условиях многочисленных отражений.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам обработки гидроакустических сигналов в условиях реального канала распространения, и может применяться в гидроакустических системах связи, управления и позиционирования, где применяются алгоритмы сжатия и восстановления регистрируемых сигналов. Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехоустойчивости при решении задачи обнаружения тонального гидроакустического сигнала в условиях многочисленных отражений. Поставленная задача достигается следующим образом. Способ разрешения тональных гидроакустических сигналов, основанный на способе деления спектра принимаемого сигнала X_t(ƒ) на спектр эталонного зондирующего импульса Х₀(ƒ) и определении момента фиксирования отраженного сигнала по максимуму обратного преобразования Фурье над результатом деления спектров, согласно изобретению, с проведением фильтрации принимаемого сигнала на основе импульсной характеристики канала, полученной в результате обработки передаточной характеристики канала, которая определяется при анализе распространения и приема зондирующего пилот-сигнала с бесконечным спектром, а также дополнением метода деления спектров, заключающегося в делении спектра принятого сигнала на спектр сигнала-эталона, алгоритмом расчета порога обнаружения гидроакустического сигнала Н=-ln[1-(1-q)^2/(N-2)] на основе статистических критериев обнаружения сигнала в шумах, и проведением последующей корректировки спектрально-корреляционным анализом, рассматривая регистрируемый сигнал как временной ряд, на основе расчета коэффициентов Фурье и и корреляционной функции на их основе R_k=А_k²+В_k², при использовании правила максимума корреляции: если R_k>R_max, то R_max>R_k в данном окне корректировки величиной [-π;π], и расчете корректирующей фазы относительно нуля в момент обнаружения , при величине значения поправочной фазы , определяемой из соотношения , определяется истинный момент фиксирования отраженной составляющей в канале.

Способ разрешения тональных гидроакустических сигналов, основанный на способе деления спектра принимаемого сигнала на спектр эталонного зондирующего импульса и определении момента фиксирования отраженного сигнала по максимуму обратного преобразования Фурье над результатом деления спектров, отличающийся тем, что перед разрешением отраженных составляющих в сигнале происходит фильтрация принимаемого сигнала на основе импульсной характеристики канала, полученной в результате обработки передаточной характеристики канала, которая определяется при анализе распространения и приема зондирующего пилот-сигнала с бесконечным спектром, а также дополнением метода деления спектров, заключающегося в делении спектра принятого сигнала на спектр сигнала-эталона, алгоритмом расчета порога обнаружения гидроакустического сигнала Н=-ln[1-(1-q)^2/(N-2)] на основе статистических критериев обнаружения сигнала в шумах, и проведением последующей корректировки спектрально-корреляционным анализом, рассматривая регистрируемый сигнал как временной ряд, на основе расчета коэффициентов Фурье и и корреляционной функции на их основе , при использовании правила максимума корреляции: если R_k>R_max, то R_max>R_k в данном окне корректировки величиной [-π:π], и расчете корректирующей фазы относительно нуля в момент обнаружения , при величине значения поправочной фазы , определяемой из соотношения , определяется истинный момент фиксирования отраженной составляющей в канале.