Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта Российский патент 2021 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в задачах определения класса объекта при разработке гидроакустических систем.

Известно, что шум гребного винта модулирован по амплитуде и содержит «биения», или периодические увеличения амплитуды, зависящие от частоты вращения гребного винта или частоты вращения лопастей винта. В шуме гребного винта, генерируемого в обтекающем его потоке, в дополнение к непрерывному спектру кавитационного шума образуются дискретные составляющие (ДС) шумов корабля и его винта, то есть шум винта, как и шум машин может возбуждать вибрацию разнообразных элементов движущегося объекта, передаваемый в воду через его корпус. Роберт Дж. Урик «Основы гидроакустики», изд. Судостроения, Ленинград, 1978, С. 347-357.

В системах, использующих методы классификации на основе анализа параметров амплитудной модуляции (AM) подводного шумоизлучения морских объектов могут быть определены: тип судна, его водоизмещение, количество лопастей гребных винтов, скорость хода, факт изменения курса либо скорости судна. Кудрявцев А.А, Лугинец К.П., Машошин А.И. «Об амплитудной модуляции подводного шумоизлучения, гражданских судов», Акустический журнал, 2003 г., т. 49, №2., стр. 224-228.

В качестве классификационных признаков рассматриваются два вида модуляции подводных шумов морских судов:

- вально-лопастная модуляция (ВЛМ), обусловленная кавитацией, возникающей на гребном винте на сверхкритической скорости и вибрацией корпуса судна с частотой вращения гребного винта;

- модуляция качкой (МК), обусловленная качкой судна на волнении и, как следствие, периодические изменения погруженной в воду части судна.

Наиболее близким к предлагаемому способу по количеству общих признаков является способ классификации, описанный в статье А.И. Машошина «Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов», Акустически журнал, 2013 г., том 59, №3, с. 347-358.

Способ-прототип содержит следующие операции:

- прием антенной сигналов шумоизлучения морского объекта;

- выбор полосы частот шума, где f_н, fв - нижняя и верхняя частоты полосы шума, в которой выделяется AM из спектра модулированного шума объекта;

- выделение амплитудной огибающей (АО), для чего используют амплитудный детектор (двухполупериодный линейный детектор);

- ограничение диапазона частот огибающей, в которой содержится дискретный спектр вально-лопастной модуляции (ВЛМ) и модуляции качкой (МК) с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ);

- вычисление энергетического спектра АО с помощью спектроанализатора. (обнаружение в накопленном спектре АО ДС вально-лопастного звукоряда (ВЛЗР) - ДС_ВЛЗР и ДС_МК - модуляции качкой и измерение их параметров).

В статье А.А. Кудрявцев, К.П. Лугинец, А.И. Машошин «Об амплитудной модуляции подводного шума морских судов», Акустический журнал, 2003 г., том 49, №2, с. 224-228, даются результаты обработки экспериментальных данных. Результаты обработки показали, что модуляция дискретных составляющих, совпадающая по частоте с одной из частот вально-лопастного звукоряда (ВЛЗР), выявлена в 40% отобранных записей шумов, то есть амплитудная модуляция дискретных составляющих, обусловленных работой механизмов, не всегда связана с работой гребного винта.

Недостатком этого способа является то, что в выбранной для выделения АО полосе шума (f_н, fв) возможно наличие ДС, обусловленных другими источниками корабельных помех, которые при прохождении через детектор будут давать в спектре АО ДС разностных частоты (f_i-f_j) - ДС_(fi-fj) в частотных диапазонах ВЛМ и МК, что повлияет на вероятность правильной классификации по классификационным признакам основанных на анализе ДС, обнаруженных в спектрах ВЛМ и МК.

Источником мешающих ДС в спектре AM сигнала являются так же шумы биологического происхождения, которые при детектировании тоже будут обнаруживаться в спектре АО в виде разностных частот в частотных диапазонах ВЛМ и МК.

Задачей изобретения является повышение вероятности правильной классификации шумоизлучения морского объекта по ВЛМ и МК.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении достоверного определения классификационных признаков по ВЛМ и МК сигналов шумоизлучения, то есть определение типа судна, его водоизмещения, количества лопастей гребных винтов, скорости.

Для обеспечения указанного технического результата в способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, содержащий прием антенной сигнала шумоизлучения морского объекта, преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, выбор полосы частот шума (f_н, fв), и с помощью детектирования и низкочастотной фильтрации выделение амплитудной огибающей, в которой содержится дискретный спектр вально-лопастной модуляции (ВЛМ) и модуляции качкой (МК), вычисление энергетического спектра амплитудной огибающей, обнаружение в накопленном спектре амплитудной огибающей частот дискретных составляющих ВЛМ и МК и измерение их параметров, по которым производят классификацию, отличающийся тем, что, до выделения амплитудной огибающей в выбранной для выделения амплитудной огибающей полосе частот (f_н, fв), с помощью многополосного фильтра вырезают обнаруженные частоты дискретных составляющих и применяют к полученному спектру несущей выбранной полосы процедуру обратного преобразования Фурье.

Сущность изобретения заключается в очистке спектра полосы частот шума (f_н, fв). В результате очистки в спектре АО будут обнаруживаться частоты ДС, которыми модулируется шумоизлучение сплошной части спектра объекта без влияния разностных (fi, fj) частот, которые образуются при наличии ДС в спектре несущей, что способствует повышению вероятности правильного определения классификационных спектральных признаков.

Сущность изображения поясняется фиг. 1, где приведена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ содержит антенну 1, которая соединена через аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП) с универсальной электронной вычислительной машиной (ЭВМ) 3. В состав универсальной ЭВМ 3 входят последовательно соединенные блок 4 быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок 5 накопления, блок 6 обнаружения ДС. Также в состав ЭВМ 3 входят блок 7 классификации и последовательно соединенные блок 8 выбора полосы частот, многополосный фильтр 9 с конечной импульсной характеристикой (КИХ), блок 10 обратного преобразования Фурье (ОБПФ), блок 11 выделения АО в ЧД AM и блок 12 обнаружения ДС в АО. Выход блока 4 соединен с первым входом блока 8, второй вход которого соединен с выходом блока 13 отображения и управления, вход блока 13 соединен с выходом блока 7, вход которого соединен с выходом блока 12, а выход блока 6 соединен со вторым входом блока 9.

Блок 2 может быть выполнен так, как это описано в Справочнике «Цифровая обработка сигналов» изд. Радио и связь, 1985 г., стр. 91. Блок 3 универсальной ЭВМ может быть реализован, как описано в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустика», Санкт-Петербург: Наука, 2004 г., стр. 284-285. Блоки 4, 10, могут быть выполнены так, как описан в книге Л. Рабинер, Б. Гоулд «Теория и применение цифровой обработки сигналов». Изд. «Мир», Москва, 1978, стр. 668-674 и блок 9 стр. 201-204.

Блок 5 описан, например, в книге А.А. Харкевича «Борьба с помехой» изд. Наука, Москва 1965 г, стр. 70-71. Выработка решения об обнаружении частот ДС в блоке бив блоке12 может быть реализован как, например, описано в книге Л.С. Гутина «Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах», Москва «Советское радио», стр. 247-253. Блок 9 может быть выполнен так, как описан в книге Л. Рабинер, Б. Гоулд «Теория и применение цифровой обработки сигналов». Изд. «Мир», Москва, 1978, стр. 201-204.

Блок 11 выделения АО может быть реализован, как показано в статье «Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов» « Акустический журнал 2013 г., том 59, №3, с. 347-353. Блок 13 отображения и управления может быть выполнен так, как описан в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустика», Санкт-Петербург: Наука, 2004 г., стр. 255-261.

Реализацию способа целесообразно описать на примере работы устройства (фиг. 1).

Сигнал шумоизлучения морского объекта S_i(t) приемного канала антенны поступает на АЦП. Сигнал S_i(k) из АЦП в виде дискретных отсчетов поступает соответственно в универсальную ЭВМ 3. Из блока 4 БПФ в блок 5 накопления и блок 8 выбора полосы частот для выделения АО поступают отсчеты реализаций комплексного спектра амплитудно-модулированного сигнала. Накопленные в блоке 5 временные последовательности спектров мощности поступают в блок 6 обнаружения ДС для сглаживания прямоугольным окном, выработки порога обнаружения исходя из заданной вероятности ложных тревог (Л.С. Гутина «Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах», Москва «Советское радио», стр. 247-25). Полоса частот (f_н, fв) в блоке 8 выбирается по команде управления блока 13 и спектр в полосе частот (f_н, fв) поступает в блок 9 многополосного КИХ фильтра. (Л. Рабинер, Б. Гоулд «Теория и применение цифровой обработки сигналов». Изд. «Мир», Москва, 1978, стр. 201-204). Структура блока 9 реализуется на базе универсальной ЭВМ. Требования к фильтру задаются в основной полосе частот и включают в себя: частоту дискретизации (f_д); граничные частоты выбранной полосы пропускания f_н; fв и граничные частоты полос задерживания (ПЗ). Граничные частоты ПЗ задаются как fдс_i; ±Δf/2, где значения fдс_i, Δf (ширина ДС на уровне порога), поступают в блок 9 из блока 6 обнаружения частот ДС (fдс_i) в полосе частот (f_н, fв). На выходе полосно-заграждающего КИХ фильтра получают очищенный от частот ДС амплитудно-модулированный спектр в полосе f_н, fв, который поступает в блок 10 обратного преобразования Фурье (ОБПФ) с последующим выделением АО в блоке 11. Блок 11 содержит амплитудный детектор, фильтр нижних частот (ФНЧ) и вычислитель спектра мощности с помощью БПФ (на фиг. 1 не показаны) (Статья А.И. Машошин «Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов» « Акустический журнал 2013 г., том 59, №3, с. 347-353).

С выхода блока 11 на вход блока 12 обнаружения ДС в АО поступают спектры мощности в диапазонах ВЛМ и МК для обнаружения частот ДС вально-лопастного звукоряда (ВЛЗВР) и определения периода качки. Все превысившие порог дискретные составляющие передаются в блок 7 классификации для выработки классификационных признаков по спектру АО амплитудно-модулированного сигнала в диапазонах ВЛМ и МК. Результаты классификации по спектральным признакам в АО передаются в блок 13 системы отображения и управления.

Таким образом, технический результат, заключающийся в устранении влияния частот ДС в полосе частот спектра амплитудно-модулированного сигнала, что способствует повышению вероятности правильного определения классификационных спектральных признаков, основанных на ВЛМ и МК, достигнут.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в задачах классификации объекта при разработке гидроакустических систем. Сущность: в предложенном способе при обнаружении и классификации морского объекта обеспечивается устранение влияния частот дискретных составляющих, обнаруженных в полосе частот, выбранной для выделения амплитудной огибающей. Технический результат: обеспечение достоверного определения спектральных классификационных признаков основанных на ВЛМ и МК сигналов шумоизлучения морских объектов. 1 ил.

Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, содержащий прием антенной сигнала шумоизлучения морского объекта, преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, выбор полосы частот шума (f_н, fв), и с помощью детектирования и низкочастотной фильтрации выделение амплитудной огибающей, в которой содержится дискретный спектр вально-лопастной модуляции (ВЛМ) и модуляции качкой (МК), вычисление энергетического спектра амплитудной огибающей, обнаружение в накопленном спектре амплитудной огибающей частот дискретных составляющих ВЛМ и МК и измерение их параметров, по которым производят классификацию, отличающийся тем, что, до выделения амплитудной огибающей в выбранной для выделения амплитудной огибающей полосе частот (f_н, fв), с помощью многополосного фильтра вырезают обнаруженные частоты дискретных составляющих и применяют к полученному спектру несущей выбранной полосы процедуру обратного преобразования Фурье.