Гидроакустический способ определения параметров цели при использовании взрывного сигнала с беспроводной системой связи Российский патент 2019 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения эхосигнала от объекта, измерения параметров обнаруженного объекта и его классификации при использовании взрывных сигналов с беспроводной системой связи.

Методы обнаружения и определения параметров при использовании детерминированных сигналов в гидролокаторах, установленных на подводных и надводных носителях широко применяются в гидроакустике.

Известен способ обнаружения объекта, основанный на приеме эхосигнала от объекта в смеси с помехой, который содержит спектральный анализ этого процесса, детектирование спектральных составляющих, интегрирование огибающей и обнаружение сигнала при сравнении с порогом, изложенный, например, в работе Евтютов Е.С.и Митько В.Б. "Примеры инженерных расчетов в гидроакустике", Судостроение 1981 г, с. 77. Способ реализует классификацию эхосигнала и помехи.

Подобный способ приведен в "Справочнике по гидроакустике", Судостроение 1988 г. стр. 27. При этом под спектральным анализом понимают, как правило, полосовую фильтрацию, выделяющую основную энергию электрического процесса. При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса ("Применение цифровой обработки сигналов", изд. Мир М. 1990 г. стр. 296).

Известен способ классификации эхосигнала гидролокатора по патенту РФ №2466419, содержащий излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала в смеси с шумовой помехой гидроакустической антенной, дискретизацию электрического сигнала, набор дискретизированных отсчетов электрического сигнала длительностью Т, полученных последовательно, через равные промежутки времени за все время обнаружения эхосигнала и проведение спектрального анализа полученных наборов дискретизированных отсчетов с использованием быстрого преобразования Фурье. Сдвиг наборов дискретизированных отсчетов осуществляют на время 1/4Т, по каждому набору определяют среднее значение всех спектральных отсчетов; также по каждому набору определяют спектральный отсчет с наибольшей амплитудой и определяют ширину спектра эхосигнала, по величине которой производят классификацию.

Недостатком этих способов является ограниченная мощность излучения и отсутствие скрытности при излучении зондирующего сигнала, что имеет первостепенное значение при работе с подводного носителя.

Известна практика использования взрывных сигналов в гидролокации при работе с надводного корабля при измерении распространения сигналов на большие расстояния, процедура которого достаточно подробно изложена в литературе («Физические основы подводной акустики» под ред. В.И. Мясищева М Сов. радио 1955 г стр. 258-345).

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, даже в условиях отрицательной рефракции. (Д. Вестон Взрывные источники звука. «Подводная акустика» М. МИР. 1965 г. стр. 63). Преимущества взрывных источников перед другими заключаются в том, что с их помощью можно получить информацию об объекте локации в широком диапазоне частот и на больших дистанциях. Кроме того, взрывные источники могут быть установлены заранее в любом районе и использованы в известное время для освещения подводной обстановки.

Известен способ измерения дистанции по патенту РФ №2541699. Способ содержит излучение взрывного сигнала, прием отраженного сигнала широкополосным приемником, многоканальный частотный анализ и отображение на индикаторе. В соответствии с известным способом измеряют зависимость скорости звука от глубины, измеряют уровень помехи в полосе приема, определяют порог, принимают сигнал прямого распространения, который превысил выбранный порог, определяют время приема сигнала прямого распространения от излучателя до приемника Т_прям, измеряют спектр сигнала прямого распространения, превысившего порог, определяют ширину спектра сигнала прямого распространения в полосе приемного устройства Ф_прям, принимают сигнал, отраженный от объекта, определяют время приема эхосигнала Т_эхо, измеряют спектр эхосигнала, определяют полосу спектральных составляющих превысивших порог Ф_эхо, определяют дистанция по формуле Д_изм=К (Ф_прям-Ф_эхо), где К - коэффициент, определяющий частотное затухание спектра при распространении.

Недостатком данного способа является то, что может иметь место большая ошибка измерения дистанции, связанная с коэффициентом частотного затухания в конкретном районе использования, значение которого не известно в точке приема. Кроме того, этот способ позволяет определять только дистанцию до цели, но не но не позволяет определять скорость цели.

Наиболее близким по количеству общих признаков к предлагаемому способу является гидроакустический способ измерения дистанции с использованием взрывного сигнала по патенту РФ №2546852. Способ содержит следующие операции: сигнал взрывного источника излучают на удалении от точки приема на фиксированной глубине и в фиксированное время Т_из, прием сигналов взрывного источника осуществляют статическим веером характеристик направленности, измеряют уровень помехи по всем пространственным каналам, выбирают порог, принимают сигнал прямого распространения от источника взрывного сигнала до точки приема, определяют направление прихода сигнала прямого распространения α₀, определяют время прихода сигнала прямого распространения Т_пр, рассчитывают дистанцию от точки приема до источника взрывного сигнала d=(Т_пр-Т_из)С, где С - скорость звука в воде, принимают эхосигнал, отраженный от объекта, определяют направление β₀ прихода эхосигнала, определяют время прихода эхосигнала Т_эс, определяют время распространения взрывного сигнала от источника до приемника t_c=(Т_эс-Т_из), определяют дистанцию распространения сигнала от источника до приемника и от цели до точки приема R_c=C*t_c, определяют разность углов (α₀-β₀) между направлением «приемник - источник излучения» и направлением «приемник-цель», а дистанцию Д до цели определяют по формуле:

Этот способ позволяет получить оценку дистанции с погрешностью существенно меньше, чем предыдущий способ. Однако в этот способ, как и способ по патенту РФ №2541699, при обработке эхосигнала из всех параметров обнаруженного объекта позволяет определять только дистанцию, но не позволяет определять скорость обнаруженного объекта, что необходимо для определения класса объекта и его элементов движения.

Задачей предлагаемого способа является обеспечение измерения скорости движения объекта и классификации обнаруженного объекта по скорости движения при использовании взрывного сигнала с неизвестными координатами, но с известным фиксированным времени применения.

Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является определение скорости движения обнаруженного объекта и определения класса обнаруженного объекта.

Для обеспечения указанного технического результата в способ, содержащий излучение взрывного сигнала в фиксированное время Т_из, прием сигнала прямого распространения от источника взрывного сигнала до точки приема, прием эхосигнала, отраженного от объекта, определение дистанции, причем прием этих сигналов осуществляют статическим веером характеристик направленности, что позволяет определить направление на обнаруженный объект введены новые признаки, а именно определяют спектр сигнала прямого распространения, выбирают диапазон частот относительно частоты Fcp=1000 Гц из спектра сигнала прямого распространения полосой (F_макс-F_мин)_пр, формируют банк опорных частот в интервале смещения частоты, вызванное возможной скоростью движения объекта, определяют спектр принятого эхосигнала, выделяют диапазон частот полосой (F_макс÷F_мин)_эхo на частоте 1000 Гц, проводят взаимнокорреляционную обработку спектра эхосигнала и спектров с выхода банка опорных частот, из полученного массива взаимнокорреляционных функций определяют среднее значение их выбросов А_ср и среднеквадратичное отклонение амплитуд этих выбросов А_ско, выбирают значение порога по формуле А_пор=2(А_ср+А_ско), выбирают выброс корреляционной функции с максимальной амплитудой А_макс и сравнивают с А_пор, если А_макс>2А_пор, принимают решение, что имеет место эхосигнал от цели, определяют частоту F_эс по взамнокорреляционной функции с максимальной амплитудой А_макс и скорость объекта по фомуле V=(F_зс-1000)\0,69, если F_эс>F_cp объект подвижный и приближается, если F_эс<F_cp объект подвижный и удаляется, если F_эс=Fcp, то объект неподвижный.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Взрывные источники сигналов могут быть установлены различными способами: сбрасыванием с надводного корабля, сбрасыванием с самолета или вертолета. Может быть использован так же самоходный необитаемый подводный аппарат или взрывной источник может быть установлен самим носителем гидроакустических средств обнаружения. Каждый взрывной источник имеет датчик давления, который определяет глубину срабатывания и таймер, который определяет время срабатывания. Спектр, излучаемый взрывным источником, достаточно широк и занимает полосу от десятков Гц до десятков килогерц. (Д. Вестон Взрывные источники звука. «Подводная акустика» М МИР 1965 г. стр. 63), поэтому существующими гидроакустическими комплексами обработать весь диапазон частот взрывного сигнала невозможно. Как правило, максимум спектральной плотности расположен на частоте порядка 1000 Гц, а в дальнейшем спектральная плотность снижается практически линейно. Обнаружение взрывного сигнала производится по превышению временной функции порога в широкой полосе без оптимальной обработки. Длительность взрывного сигнала порядка 100 мс, что не позволяет определять временные классификационные параметры реальных объектов. Известны способы обнаружения и измерения параметров эхосигналов от объектов с использованием, так называемых, сложных сигналов к которым относятся псевдошумовые сигналы. При обработке таких сигналов на выходе формируется корреляционная функция эхосигнала и излученного зондирующего сигнала. Эти способы нашли применение в радиолокации и гидроакустике (Р. Бенжамин «Анализ радио и гидролокационных сигналов» Воениздат М. 1969). В работе рассмотрены основные свойства этих сигналов и виды внутренней модуляции, которая определяет функцию неопределенности эхо- сигнала на выходе системы обработки.

Сигнал прямого распространения от взрывного источника в полосе частот несколько сот Гц можно рассматривать как псевдошумовой сигнал.

Поэтому предлагается принять сигнал прямого распространения от взрывного источника, сделать спектральный анализ, в указанной полосе частот, и на основе сигнала прямого распространения сформировать банк опорных частот в интервале смещения частоты, вызванное возможной скоростью движения объекта. Использование такого метода обработки с формированием опорных сигналов для многоканальной обработки является известной операцией, которая применяется при разработке гидролокационных систем на основе цифровой обработки сигналов.(«Применение цифровой обработки сигналов» Мир. М. 1980 г. стр 366.) Такие широкополосные сигналы имеют кнопочную функцию неопределенности, обеспечивающие хорошее разрешение по времени. (В.А. Зарайский, A.M. Тюрин «Теория гидролокации» изд. ВМАОЛУ, Л. 1975 стр. 242). Как правило, обработка таких сигналов производится с использованием многоканальных корреляторов (там же стр. 255) или многоканальных согласованных фильтров (там же на стр. 333), количество каналов которых определяется диапазоном скоростей движения обнаруживаемых объектов и требуемой погрешностью измерения скорости.

Известно, что недостатком всех псевдошумовых сложных сигналов является то, что выходная функция неопределенности, определяемая как совокупность корреляционных функций опорного сигнала и принятого сигнала на всей плоскости частота - время, имеет боковые выбросы, амплитуда которых может достигать значения 0,3 от основного максимума (Р. Бенжамин «Анализ радио и гидролокационных сигналов» Воениздат М. 1969 стр. 135), поэтому необходима процедура выбора порога связанная с боковыми выбросами взаимно корреляционной функции. Стандартная процедура выбор порога по корреляционной функции излученного сигнала и нормального шума не имеет смысла, поскольку боковые выбросы функции неопределенности при наличии сигнала всегда будут превышать амплитуду боковых выбросов сигнала и нормального стационарного шума. Поэтому порог А_пор выбирается из среднего значения амплитуд боковых выбросов функции неопределенности принятого сигнала, которая формируется по взаимно-корреляционной функции на выходе многоканальной по частоте обработки. Выполнение условия А_макс>2А_пор гарантирует наличие реального сигнала при обработке, что решает задачу обнаружения реального сигнала на фоне выбросов корреляционной функции.

Если гидролокатор неподвижен и объект локации неподвижен, то корреляции производится между излученным сигналом и принятым эхосигналом. Однако, такая ситуации практически никогда не встречается, и за счет собственного движения и движения цели происходит смещение спектра отраженного сигнала в соответствии с эффектом Доплера (там же стр.200), в результате чего спектры не совпадают и не образуется свернутая корреляционная функция. При этом скорость цели определяется по величине смещения спектра в соответствии с известной формулой V=(Fэxo-Fизл)\0,69Fизл. (Д.Ж. Уоррен Хортон «Основы гидролокации» Л. Судпромгиз 1961 г. стр. 450). В соответствии с этим может быть определен и диапазон частот смещения эхосигнала в соответствии с выбранными скоростями движения объекта. Именно поэтому используется при приеме многоканальная обработка по частоте, где каждый канал соответствует определенной скорости цели. В качестве средней частоты излученного сигнала F_cp имеет смысл избрать среднюю частоту из выбранной полосы сигнала прямого распространения и относительно ее проводить классификацию по скорости.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, (фиг. 1) содержит автономный источник 1 взрывного сигнала с известным временем излучения. Приемная часть устройства содержит последовательно соединенные приемную антенну 2, приемный блок 3, блок 4 формирования статический веер характеристик направленности и спецпроцессор 5. В состав спецпроцессора 5 входят последовательно соединенные блок 6 коммутации входных сигналов и измерения Т_пр и угла прихода прямого сигнала α₀, блок 7 многоканальной корреляционной обработки, блок 8 выбора амплитуд выбросов корреляционной функции, блок 9 измерения А_макс и сравнения с А_пор, блок 10 измерения Т_отр и угла прихода отраженного сигнала β₀, блок 11 определения дистанции, скорости и класса, блок 12 управления и отображения. Второй выход блока 6 через блок 13 измерения спектра прямого сигнала и выбор полосы обработки, соединен через блок 14 формирования банка опорных сигналов со вторым входом блока 7. Второй выход блока 8 через блок 15 измерения среднего значения и СКО выбросов и порога обнаружения связан со вторым входом блока 9, а второй выход блока 4 соединен со вторым входом блока 12, выход которого соединен со вторым входом спецпроцессора 5.

Устройство работает следующим образом. Блок 12 включает систему в нужное время, проверяет его работоспособность и отображает результаты измерений. Источник взрывного сигнала работает в своем штатном режиме и излучает сигналы периодически в известные моменты времени. Антенна 2 принимает сигнал прямого распространения, который усиливается в блоке 3, преобразуется в цифровой вид и поступает в блок 4 формирователя статического веера характеристик направленности и далее в блок 5 спецпроцессора. Спецпроцессор является известным устройством, который предназначен для обработки информации в цифровом виде и содержит последовательное решение задач связанных с поступающей информацией. 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 по частоте обработку и обнаружение сигнала, а также измерение амплитуд эхосигналов и временных отсчетов, и принятие решения о цели. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в литературе. (Ю.А. Корякин, С.А.Смирнов, Г.В.Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт - Петербург.« Наука.» 2004 г. Стр. 95-99, стр. 237-255). Использование цифровой техники позволяет оперативно обрабатывать информацию любой сложности на основе разработанных алгоритмов. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в книге «Применение цифровой обработки сигналов» п\р Оппенгейма М. Мир. 1980 г. В блок 6 производится обнаружение сигнала прямого распространения, измерения времени прихода сигнала прямого распространения Т_пр, угла прихода прямого сигнала α₀ и переключение на режим обработки входных сигналов. Эти операции известны и используются в прототипе. Блок 6 представляет собой пороговый усилитель, который срабатывает при приходе сигнала прямого распространения, амплитуда которого существенно больше, чем амплитуда отраженных сигналов. Этот сигнал позволяет измерить время прихода по переднему входному фронту, а по номеру характеристики направленности определяется угол прихода прямого сигнала. Прямой сигнал большой амплитуды передается в блок 13 спектрального анализа, где определяется спектр входного сигнала. Как правило, спектр взрывного сигнала достаточно широкий, но для работы выбирается на частоте 1000 гц только часть спектра принятого сигнала в полосе удобной для дальнейшей обработки. Блок 13 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). Вполне достаточно для дальнейшей обработки является полоса порядка 300-400 Гц, что может быть откорректировано по результатам работы. Поскольку скорость движения обнаруживаемого объекта не известна, то необходима взаимно-корреляционная обработка в определенном диапазоне скоростей движения, для чего формируется банк опорных частот в интервале смещения частоты, вызванное возможной скоростью движения объекта, что и производится в блоке 14, выход которого соединен с блоком 7 многоканальной корреляционной обработки, где проводится взаимнокорреляционная обработка принятых спектров эхосигналов с опорными частотами банка. После приема сигнала прямого распространения в блоке 6 осуществляется коммутация, которая автоматически включает в блоке 7 обработку приходящих из блока 4 эхосигналов. Измерение взаимно-корреляционной функции и определение коэффициента корреляции между процессами - известные операции, которое характеризуют степень схожести двух сигналов, и достаточно часто используются в современной технике. (Дж. Бендат, А. Пирсол «Измерение и анализ случайных процессов» Мир М 1971 стр. 44-47, стр. 196). На выходе блока 7 образуется массив корреляционных функций, которые могут содержать эхосигнал. При наличии эхосигнала корреляционная функция имеет максимальное значение, которое априорно не известно, но может быть определено при сравнении амплитуды выброса корреляционной функции с порогом, который можно выбрать по среднему значению всех выбросов корреляционной функции с учетом среднеквадратичного отклонения амплитуд всего массива выбросов корреляционной функции А_пор=2(А_ср+А_ско), что определяется в блоке 15. Величина равная А_макс>А_пор, будет гарантировать факт наличия эхосигнала. Для этого значения А_макс определяется момент времени и характеристика направленности, где обнаружен эхосигнал, что определит направление приема эхосигнала. Таким образом, будут получены все данные для определения дистанции по известной в прототипе формуле, а скорость объекта можно определить по частоте опорного сигнала, которому соответствует положение А_макс.В блоке 11 производится определение оценки дистанции и скорости по упрощенной формуле с учетом частоты выбора спектра обработки V=(Fэ.c-1000)\0,69 и класса обнаруженного объекта, которые передаются в блок 12 управления и отображения. Классификация осуществляется по правилу: если F_эc>F_cp объект подвижный и приближается, если F_эc<F_cp объект подвижный и удаляется, если F_э.c=Fcp, то объект неподвижный. На второй вход блока 12 предается вся входная информация с выхода блока 4 без обработки для представления оператору.

Таким образом, используя последовательную процедуру обработки поступающих временных реализаций, определения корреляционных функций с использованием многоканальной корреляционной обработки можно определять скорость обнаруженного объекта при применении взрывного сигнала и провести классификацию обнаруженного объекта по скорости.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения эхо-сигнала от объекта, измерения параметров обнаруженного объекта и его классификации при использовании взрывных сигналов. Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является определение скорости движения обнаруженного объекта, измерение классификационных признаков и определение класса обнаруженного объекта. Способ содержит излучение взрывного сигнала в фиксированное время Т_из, прием сигналов взрывного источника осуществляют статическим веером характеристик направленности, принимают сигнал прямого распространения от источника взрывного сигнала до точки приема, принимают эхо-сигнал, отраженный от объекта, определяют спектр прямого сигнала, выбирают диапазон частот из спектра прямого сигнала полосой F_гц, определяют среднюю частоту полосы F_cp, формируют банк опорных частот в интервале возможной скорости движения объекта, определяют в последовательных временных интервалах спектры эхо-сигналов, проводят взаимно корреляционную обработку последовательных временных спектров и спектров с выхода банка опорных частот, из полученного массива взаимно корреляционных функций определяют среднее значение их выбросов и среднеквадратичное отклонение амплитуд этих выбросов, выбирают значение порога по формуле А_пор=2(А_ср+А_ско),где А_ср - оценка среднего значения амплитуд выбросов корреляционной функции, А_ско - оценка среднеквадратичного отклонения амплитуды выбросов, выбирают выброс корреляционной функции с максимальной амплитудой А_макс и сравнивают с А_пор, если А_макс>2А_пор, принимают решение, что имеет место эхо-сигнал от цели, определяют Т_эс - временное положение А_макс по корреляционной функции, по номеру опорного канала определяют частоту опорного канала F_эc, если F_эc>F_cp, то объект подвижный и приближается, если F_эc<F_cp, то объект подвижный и удаляется, если F_эc=F_cp, то объект неподвижный. 1 ил.

Гидроакустический способ определения параметров цели при использовании взрывного сигнала с беспроводной системой связи, содержащий излучение взрывного сигнала в фиксированное время Т_из, прием сигнала прямого распространения от источника взрывного сигнала до точки приема, прием эхо-сигнала, отраженного от объекта, определение дистанции, причем прием этих сигналов осуществляют статическим веером характеристик направленности, что позволяет определить направление на обнаруженный объект, отличающийся тем, что определяют спектр сигнала прямого распространения, выбирают диапазон частот относительно частоты F_cp=1000 Гц из спектра сигнала прямого распространения полосой (F_макс - F_мин)_пр, формируют банк опорных частот в интервале смещения частоты, вызванного возможной скоростью движения объекта, определяют спектр принятого эхо-сигнала, выделяют диапазон частот полосой (F_макс - F_мин)_эхо на частоте 1000 Гц, проводят взаимно корреляционную обработку спектра эхо-сигнала и спектров с выхода банка опорных частот, из полученного массива взаимно корреляционных функций определяют среднее значение их выбросов А_ср и среднеквадратичное отклонение амплитуд этих выбросов А_ско, выбирают значение порога по формуле А_пор=2(А_ср+А_ско), выбирают выброс корреляционной функции с максимальной амплитудой А_макс и сравнивают с А_пор, если А_макс>2А_пор, принимают решение, что имеет место эхо-сигнал от цели, определяют частоту F_эс по взаимно корреляционной функции с максимальной амплитудой А_макс и скорость объекта по фомуле V=(F_эc-1000)/0,69, если F_эс>F_cp, то объект подвижный и приближается, если F_эс<F_cp, то объект подвижный и удаляется, если F_эс=F_cp, то объект неподвижный.