Способ пассивного определения координат шумящего в море объекта Российский патент 2022 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустической техники и может быть использовано для решения задач пассивного определения координат шумящего в море объекта, а именно, дистанции и глубины при распространении гидроакустических сигналов в море.

Известны способы пассивного определения координат (дистанции и глубины) шумящего в море объекта, которые базируются на использовании измеренной корреляционной функции (КФ) принятого акустического сигнала. Информация о координатах источника сигнала в КФ заключена в расположении на оси абсцисс (времени) узкополосных корреляционных максимумов (КМ), обусловленных интерференцией коррелированных сигналов источника, пришедших на вход приемной гидроакустической антенны шумопеленгаторной станции (ШПС) по различным лучевым траекториям. Каждой паре лучей в КФ (при достаточном отношении сигнал/помеха (ОСП)) соответствует один КМ с шириной, равной обратной величине эффективной полосы частот сигнала на входе антенны, и положением на оси абсцисс, равным абсолютной величине разности времен распространения сигнала по интерферирующим лучам [Машошин А.И. Исследование условий применимости корреляционной функции широкополосного многолучевого сигнала для оценки координат источника. Акустический журнал, 2017, том 63, №3, с. 307-313].

Эти способы можно разделить на две группы в зависимости от алгоритма вычисления КФ.

Известны способы, в которых для определения координат шумящего в море объекта вычисляют автокорреляционную функцию (АКФ) сигнала на выходе одного пространственного канала (ПК) [Hassab I.C. Contact Localization and Motion Analysis in the Ocean Environment: a Perspective. - IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1983, vol. OE-8, №3, pp. 136-147; Quazi A.H., Lerro D.T. Passive localization using time-delay estimates with sensor positional errors. - JASA, 1985, vol. 78, №5. pp. 1664-1670; Worthmann B.M., Song H.C., Dowling D.R. High frequency source localization in a shallow ocean sound channel using frequency difference matched field processing. - Journal Acoust. Soc. Am., 2015, vol. 138, p. 3549; Машошин А.И., Мельканович B.C. Патент РФ №2690223 от 28.08.2018. Способ определения координат морской шумящей цели. МПК G01S 15/00].

Способы этой группы применяются, когда звуковой сигнал принимают антенной, не развитой в вертикальной плоскости (горизонтальной линейной антенной). В этом случае в приемном тракте в вертикальной плоскости формируется единственный ПК с широкой характеристикой направленности с перестраиваемым углом приема в вертикальной плоскости.

Недостатком этих способов является низкая точность определения координат шумящего в море объекта. КМ в измеренной АКФ формируются за счет приема с одного пеленга сигналов от шумящего объекта, распространяющихся по отдельным, имеющим различную протяженность, лучевым траекториям в вертикальной плоскости. Принимаемый сигнал формируют лучи, приходящие под различными углами из-за вертикальной рефракции звука при распространении в водной среде.

При приеме сигнала единственным ПК, характеристику направленности (ХН) ориентируют на группу лучей, которая обладает наибольшей интенсивностью. В этом случае вторая группа лучей принимается боковым полем ХН, в результате чего их интенсивность (уровень отклика) существенно снижается, и интенсивность КМ в АКФ, образуемого сочетанием этих лучей, будет ниже порога обнаружения, и этот КМ будет исключен из анализа.

При работе с ХН с высоким уровнем бокового поля снижается помехоустойчивость приема, так как через боковое поле в принимаемый сигнал к полезному сигналу добавляется помеха со всех направлений, охватываемых боковым полем.

Таким образом, при использовании сигнала единственного ПК для вычисления АКФ теряется большое количество информации о принятом сигнале и снижается помехоустойчивость, что приводит к снижению точности оценки координат.

Вторая группа способов для определения координат шумящего в море объекта использует взаимно корреляционную функцию (ВКФ) сигнала на выходе двух сформированных в приемном тракте ПК, одинаково ориентированных на источник сигнала в горизонтальном направлении. В вертикальном направлении ПК ориентированы на максимумы пространственного спектра принимаемого сигнала [Машошин А.И. Исследование условий применимости корреляционной функции широкополосного многолучевого сигнала для оценки координат источника. - Акустический журнал, 2017, том 63, №3, с. 307-313].

Наиболее близким аналогом по количеству общих признаков и решаемым задачам к предлагаемому изобретению является способ пассивного определения координат шумящего в море объекта [Баронкин В.М., Галкин О.П., Гладилин А.В., Микрюков А.В., Попов О.Е. Патент РФ №2602732 от 25.06.2015. Способ пассивного определения координат шумящего в море объекта. МПК G01S 3/80], которое принято за прототип.

Способ по патенту №2602732 включает:

- прием гидроакустических сигналов пространственно развитой в вертикальной и горизонтальной плоскостях антенной;

- усиление, фильтрацию в полосе частот, оцифровку и пространственно-временную обработку принятых сигналов;

- формирование статического многоярусного веера ХН в вертикальной плоскости;

- взаимно корреляционную обработку не менее одной пары лучей в вертикальной плоскости;

- выделение КМ, измерение углов прихода лучей, образующих эти КМ, измерение абсцисс КМ (разностей времен распространения лучей), а также отношения усредненных значений энергий для каждой пары лучей;

- измерение скорости звука в воде в зависимости от глубины и волнения поверхности моря;

- по измеренным данным и известным характеристикам дна расчет сигнала шумящего объекта;

- решение уравнения гидроакустики в пассивном режиме для шумящего в море объекта;

- расчет от точки расположения приемной антенны лучевых траекторий для измеренных углов прихода лучей в вертикальной плоскости для пар лучей с высокими значениями максимума взаимно корреляционной функции и нахождение дистанции и глубины точек пересечения траекторий;

- в каждой точке пересечения траекторий для всех пар лучей расчет разности времен распространения и отношения энергий;

- сравнение измеренных и рассчитанных разностей времен распространения и отношений усредненных значений энергий для всех пар лучей;

- определение координат шумящего в море объекта по точке пересечения лучевых траекторий, для которой оказываются наиболее близкими измеренные и рассчитанные значения отношений энергий и разностей времен распространения для всех пар лучей.

Прием гидроакустических сигналов антенной, развитой в вертикальной плоскости, позволяет сформировать статический многоярусный вертикальный веер ХН (ВВХН), в котором часть ПК будет сориентирована в сторону поверхности, а часть в сторону дна. ХН узкие и избирательны по углам приема, что обеспечивает высокую помехоустойчивость (много сигнала и мало помехи) и, следовательно, большую дальность обнаружения. Кроме того ориентация ПК в пространстве на углы приема в диапазоне от - 20° до + 20° относительно горизонта позволяет перекрыть практически весь сектор приема донных и поверхностных лучей практически во всех типах гидроакустических условий (ГАУ) и осуществить оптимальный прием, с точки зрения помехоустойчивости, каждой группы лучей.

Но определение координат шумящего в море объекта способом-прототипом требует очень точного измерения углов прихода лучей (точность 5-10 минут), что может быть обеспечено при использовании вертикальной антенны высотой порядка 20 - 25 метров, что практически невозможно.

Погрешность измерения углов прихода лучей приводит к ошибкам в расчете лучевых траекторий и определении точек их пересечения, что приводит к ошибкам определения координат шумящего в море объекта. Кроме того, в случае приема трех и более лучей и измерении углов их прихода с некоторой погрешностью лучи будут пересекаться не в одной точке, а в некоторых компактных областях. Чем дальше область пересечения лучей от приемной антенны, тем больше площадь данной области [Бородин В.В. Потенциальная точность определения положения источника звука в волноводе // Вопросы судостроения. Сер. Акустика. 1983. Вып. 16. с. 88-103].

Таким образом недостатком способа-прототипа является низкая точность определения координат шумящего в море объекта, связанная с невозможностью обеспечить высокую точность измерения углов прихода лучей.

Задачей изобретения является - повышение эксплуатационных характеристик шумопеленгаторной станции.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение точности определения координат шумящего в море объекта.

Для достижения данного технического результата в способ пассивного определения координат шумящего в море объекта, включающий прием гидроакустических сигналов пространственно развитой в вертикальной и горизонтальной плоскостях антенной, усиление, фильтрацию в полосе частот, оцифровку и пространственно-временную обработку принятых сигналов, формирование статического многоярусного веера ХН в вертикальной плоскости, взаимно корреляционную обработку пар лучей в вертикальной плоскости, выделение КМ, измерение абсцисс КМ (разностей времен распространения лучей), измерение скорости звука в воде в зависимости от глубины и волнения поверхности моря, по измеренным данным и известным характеристикам дна расчет сигнала шумящего объекта, решение уравнения гидроакустики в пассивном режиме для шумящего в море объекта и определение его координат введены новые признаки, а именно: введено определение двух углов (ярусов) (УН1 и УН2) приема сигнала с максимальным отношением сигнал/помеха, измерение набора ВКФ сигнала каждого яруса вертикального веера ХН относительно УН1 (ВКФУН1_i), где i=1, 2 … N, N - количество ярусов ВВХН, и относительно УН2 (ВКФУН2_i) на интервале анализа, обнаружение в каждой из измеренных ВКФ КМ, измерение их абсцисс, объединение абсцисс КМ, обнаруженных во всех измеренных ВКФУН1_i и ВКФУН2_i на интервале анализа, соответственно в два массива абсцисс КМ принятого сигнала, определение области возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция-глубина», вычисление для каждой точки этой области с учетом текущих ГАУ лучевой структуры сигнала на входе антенны ШПС, вычисление для каждой точки этой области разностей времен распространения всех пар лучей вычисленной лучевой структуры (абсцисс КМ, которые должны быть порождены этими парами лучей) и их объединение в массив абсцисс расчетных КМ, вычисление для каждой точки области суммарного коэффициента корреляции между сформированным для нее массивом абсцисс расчетных КМ и массивами абсцисс КМ принятого сигнала, и принятие в качестве координат шумящего в море объекта координат той точки возможного его местоположения в пространстве «дистанция-глубина», для которой получено наибольшее значение суммарного коэффициента корреляции.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что абсциссы КМ могут быть измерены с высокой точностью, за счет высокой разрешающей способности вычисления ВКФ, в отличие от углов прихода лучей, точность определения которых ограничена вертикальными размерами антенн [Бородин В.В. Потенциальная точность определения положения источника звука в волноводе // Вопросы судостроения. Сер. Акустика. 1983. Вып. 16. с. 88-103]. Кроме того, значения абсцисс расчетных КМ в различных точках возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция-глубина» существенно различаются, поэтому сопоставление значений абсцисс КМ, рассчитанных для каждой точки, с абсциссами КМ принятого сигнала путем вычисления коэффициента корреляции обеспечивает высокую точность определения координат шумящего в море объекта.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где приведена блок-схема обработки сигналов в соответствии с предлагаемым способом.

При реализации способа (фиг. 1) обработка ведется на первоначальном этапе двумя параллельными ветвями.

Первая ветвь включает в себя последовательно выполняемые операции: обнаружение широкополосного сигнала шумящего в море объекта на выходе приемного тракта ШПС статическим многоярусным (N - количество ярусов) веером ХН, сформированным в вертикальной плоскости (ВВХН) (блок 1.1); определение двух углов (ярусов) приема сигнала с максимальным отношением сигнал/помеха (УН1 и УН2) (блок 1.2); измерение набора ВКФ сигнала каждого яруса ВВХН относительно УН1 (ВКФУН1_i) и относительно УН2 (ВКФУН2_i) на интервале анализа (общее количество измеренных ВКФ равно N*2) (блок 1.3); обнаружение в каждой из измеренных ВКФ КМ, измерение их абсцисс (блок 1.4); объединение абсцисс КМ, обнаруженных во всех измеренных ВКФУН1_i и ВКФУН2_i на интервале анализа, соответственно в два массива абсцисс КМ принятого сигнала (блок 1.5).

Выполнение перечисленных операций обеспечивает формирование двух массивов абсцисс КМ принятого сигнала, используемых для сопоставления с аналогичными массивами, полученными на основе расчетных данных, формируемых блоками второй ветви.

Вторая ветвь включает в себя операции: измерение скорости звука в воде в зависимости от глубины и волнения поверхности моря (блок 2.1); по измеренным данным и известным характеристикам дна расчет сигнала шумящего объекта, решение уравнения гидроакустики для шумящего в море объекта (блок 2.2); определение области возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция-глубина» (блок 2.3); вычисление для каждой точки этой области с учетом текущих ГАУ лучевой структуры сигнала на входе антенны ШПС (блок 2.4); вычисление для каждой точки этой области разностей времен распространения всех пар лучей вычисленной лучевой структуры (абсцисс КМ, которые должны быть порождены этими парами лучей) и их объединение в массив абсцисс расчетных КМ (блок 2.5).

Операции второй ветви могут быть выполнены однократно для текущего состояния гидроакустических условий, определяющего лучевую структуру сигналов. Выполнение операций второй ветви обеспечивает формирование для каждой точки возможного местоположения объекта массива абсцисс расчетных КМ, которые используются для сопоставления с массивами абсцисс КМ принятого сигнала, сформированными первой ветвью.

Сопоставление выполняется последовательно расположенными блоками 3 и 4, выполняющими операции вычисления для каждой точки области суммарного коэффициента корреляции между сформированным для нее массивом абсцисс расчетных КМ и массивами абсцисс КМ принятого сигнала (блок 3) и, наконец, операцию определения координат шумящего в море объекта путем выбора координат той точки его возможного местоположения в пространстве «дистанция - глубина», для которой получено наибольшее значение суммарного коэффициента корреляции (блок 4).

Точность определения координат шумящего в море объекта зависит от точности измерения параметров принятого сигнала. Способ-прототип не позволяет обеспечить высокую точность определения координат, так как использует углы прихода лучей, точность измерения которых составляет несколько градусов. Ошибки измерения углов прихода лучей приводят к ошибкам расчета лучевых траекторий. В результате, в случае приема двух лучей, точка их пересечения смещается на несколько десятков или даже сотен метров относительно фактического положения источника сигнала. А в случае приема трех и более лучей - лучевые траектории всех лучей не пересекаются в одной точке и можно выделить только некоторые области взаимного сближения траекторий лучей, что не позволяет использовать способ-прототип для определения координат шумящего в море объекта.

Предложенный способ, в отличие от способа-прототипа, не использует углы прихода лучей и не осуществляет построение лучевых траекторий. Вместо этого в предложенном способе выполняется перебор точек возможного местоположения источника сигнала в пространстве «дистанция-глубина» и сопоставление сформированного для каждой точки массива абсцисс расчетных КМ с массивами абсцисс КМ принятого сигнала. За счет высокой разрешающей способности вычисления ВКФ абсциссы КМ принятого сигнала могут быть измерены с высокой точностью, до десятых долей мс. Абсциссы расчетных КМ в различных точках в пространстве «дистанция-глубина» существенно различаются, поэтому реализация сопоставления абсцисс расчетных КМ с абсциссами КМ принятого сигнала путем вычисления коэффициента корреляции обеспечивает высокую точность предложенного способа определения координат шумящего в море объекта.

Предложенный способ может быть реализован посредством известной в гидроакустике аппаратуры, например гидроакустическая антенна ШПС известна из [Литвиненко С.Л. Патент РФ №2515133 от 13.11.2012. Сферическая гидроакустическая антенна. МПК G01S 15/00], а формирование статического многоярусного веера характеристик направленности в вертикальной плоскости может быть выполнено согласно [Баскин В.В., Гришман Г.Д., Казаков М.Н., Криницкий A.M., Леоненок Б.И., Смарышев М.Д. Патент РФ №2293449 от 03.05.2005. Способ формирования частотно независимой характеристики направленности рабочим сектором многоэлементной гидроакустической приемной круговой антенны. МПК H04R 1/44, G01S 15/02].

При объединении абсцисс КМ, обнаруженных в наборах измеренных ВКФ, учитывается точность измерения абсциссы КМ. При обнаружении в разных ВКФ КМ с близкими значениями абсцисс (десятые доли мс) в массив абсцисс КМ принятого сигнала заносится только одно значение.

Определение области возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция-глубина» выполняется с использованием значений ОСП, рассчитанных для всех возможных положений объекта путем решения уравнения гидроакустики. Возможность обнаружения объекта в конкретной точке в текущих ГАУ определяется путем сопоставления значения ОСП, рассчитанного для этой точки, с пороговым значением ОСП.

Вычисление лучевой структуры сигнала на входе антенны ШПС может быть выполнено согласно [Авилов К.В., Добряков Н.А., Попов О.Е. Комплекс программных средств для вычисления звуковых полей в морской среде, неоднородной по глубине и трассе распространения //Акустика океана. Доклады X школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, 2004. С. 27].

Вычисление коэффициента корреляции может быть выполнено по формуле, приведенной в [Деза Е.И., Деза М.М. Энциклопедический словарь расстояний. Пер. с англ. М.: Наука, 2008].

Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной.

Использование: изобретение относится к области гидроакустической техники и может быть использовано для решения задач пассивного определения координат шумящего в море объекта, а именно дистанции и глубины при распространении гидроакустических сигналов в море. Сущность: технический результат достигается путем отказа от попытки измерения углов прихода лучей и построения лучевых траекторий, а решения задачи путем перебора точек возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция - глубина» и принятия в качестве координат шумящего в море объекта координат той точки, для которой получено наибольшее значение суммарного коэффициента корреляции между сформированным для нее массивом абсцисс расчетных корреляционных максимумов (КМ) и массивами абсцисс КМ принятого сигнала, полученными путем объединения абсцисс КМ, обнаруженных в наборах взаимно корреляционных функций, измеренных для каждого яруса статического многоярусного веера характеристик направленности в вертикальной плоскости относительно двух ярусов приема сигнала с максимальным отношением сигнал/помеха. Технический результат: повышение точности определения координат шумящего в море объекта. 1 ил.

Способ пассивного определения координат шумящего в море объекта, включающий прием гидроакустических сигналов пространственно развитой в вертикальной и горизонтальной плоскостях антенной, усиление, фильтрацию в полосе частот, оцифровку и пространственно-временную обработку принятых сигналов, формирование статического многоярусного веера характеристик направленности в вертикальной плоскости (ВВХН), взаимно корреляционную обработку пар лучей в вертикальной плоскости, выделение корреляционных максимумов (КМ), измерение разностей времен распространения лучей в виде абсцисс КМ, измерение скорости звука в воде в зависимости от глубины и волнения поверхности моря, по измеренным данным и известным характеристикам дна расчет сигнала шумящего объекта, решение уравнения гидроакустики в пассивном режиме для шумящего в море объекта и определение его координат, отличающийся тем, что определяют два угла приема сигнала с максимальным отношением сигнал/помеха (УН1 и УН2), измеряют набор взаимно корреляционных функций (ВКФ) сигнала каждого яруса вертикального веера ХН относительно УН1 (ВКФУН1_i), где i=1, 2 … N, N - количество ярусов ВВХН, и относительно УН2 (ВКФУН2_i) на интервале анализа, выполняют обнаружение в каждой из измеренных ВКФ КМ, измеряют значения их абсцисс, объединяют абсциссы КМ, обнаруженные во всех измеренных ВКФУН1_i и ВКФУН2_i на интервале анализа, соответственно в два массива абсцисс КМ принятого сигнала, определяют область возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция - глубина», вычисляют для каждой точки этой области с учетом текущих гидроакустических условий лучевую структуру сигнала на входе антенны, вычисляют для каждой точки этой области разности времен распространения всех пар лучей вычисленной лучевой структуры в виде абсцисс КМ, которые обусловлены этими парами лучей, и объединяют их в массив абсцисс расчетных КМ, вычисляют для каждой точки области суммарный коэффициент корреляции между сформированным для нее массивом абсцисс расчетных КМ и массивами абсцисс КМ принятого сигнала, а координаты шумящего в море объекта определяют путем выбора координат той точки его возможного местоположения в пространстве «дистанция - глубина», для которой получено наибольшее значение суммарного коэффициента корреляции.