Способ определения координат морской шумящей цели Российский патент 2022 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам обнаружения морских целей по их шумоизлучению.

Одной из актуальных практических задач гидроакустики является определение координат цели по данным шумопеленгаторной станции (далее - ШПС). Для решения этой задачи предложено большое число способов.

Известна группа способов, которая базируется на использовании измеренной автокорреляционной функции (АКФ) широкополосного акустического сигнала для определения координат (дистанции и глубины) его источника [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; Орлов Е.Ф., Фокин B.H., Шаронов Г.А. Исследование параметров интерференционной модуляции широкополосного звука в глубоком океане. - Акустический журнал, 1988, том 34, вып.5, с. 902-907; Лазарев В.А., Орлов Е.Ф., Фокин В.Н., Шаронов Г.А. Частотная зависимость параметров интерференционной модуляции широкополосного звука в мелком море. - Акустический журнал, 1989, том 35, вып.4, с. 685-688]. Информация о координатах источника сигнала (цели) в измеренной АКФ заключена в расположении на оси абсцисс (времени) узкополосных корреляционных максимумов (далее - КМ), обусловленных интерференцией коррелированных сигналов источника, пришедших на вход приемной гидроакустической антенны ШПС по различным лучам. Каждой паре лучей в АКФ (при достаточном отношении сигнал/помеха (далее - 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].

Недостатком указанных способов является низкая точность определения координат цели. На практике в измеренной АКФ, как правило, обнаруживается малое число КМ и их набор на последовательных интервалах измерения АКФ часто не повторяется, что приводит к снижению точности оценки координат на каждом отдельном измерении.

Известен способ определения координат морской шумящей цели [Машошин А.И., Мельканович B.C. Патент РФ №2690223 от 28.08.2018. Способ определения координат морской шумящей цели. МПК G01S 15/00], в котором увеличивают количество измеренных КМ, путем объединения в единый массив всех КМ, обнаруженных в АКФ, вычисленных на ряде последовательных интервалов времени, на которых координаты цели можно считать постоянными.

Этот способ позволяет увеличить объем входных данных, что повышает точность оценки координат цели. Но в данном способе не учитывается ордината (энергетический уровень) КМ, а в ряде случаев информации об абсциссах КМ в измеренных АКФ оказывается недостаточно для устранения неоднозначности оценки местоположения цели.

Наиболее близким аналогом по количеству общих признаков и решаемым задачам к предлагаемому изобретению является способ определения координат морской шумящей цели [Зеленкова И.Д., Афанасьев А.Н., Корецкая А.С. Патент РФ №2740169 от 23.07.2020. Способ определения координат морской шумящей цели. МПК G01S 15/00], который принят за прототип.

Способ по патенту №2740169 содержит:

- обнаружение широкополосного сигнала цели на выходе приемного тракта гидроакустической антенны ШПС статическим многоярусным веером характеристик направленности (ХН), сформированным в вертикальной плоскости (ВВХН);

- измерение набора АКФ на ряде последовательных интервалов времени в ярусе с максимальным ОСП (в оптимальном ярусе приема);

- обнаружение в каждой из измеренных АКФ узкополосных корреляционных максимумов (КМ), измерение их абсцисс (относительных запаздываний) и ординат (интенсивностей КМ);

- объединение абсцисс и ординат КМ, обнаруженных во всех измеренных АКФ интервала анализа, в единый двумерный массив;

- определение области возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина»;

- для каждой точки этой области:

- вычисление лучевой и энергетической структуры сигнала на выходе пространственных каналов ярусов ВВХН ШПС с учетом текущих гидроакустических условий;

- для каждой возможной пары лучей вычисленной лучевой структуры вычисление абсцисс КМ, порождаемых этой парой лучей, (расчетных КМ) и энергетических уровней (интенсивностей) каждого расчетного КМ в каждом ярусе ВВХН;

- формирование двумерного массива расчетных КМ, который содержит абсциссы КМ и интенсивности КМ, вычисленные в ярусе ВВХН, соответствующем оптимальному ярусу принятого сигнала;

- вычисление для каждой точки области коэффициента корреляции между сформированным для нее массивом расчетных КМ и массивом КМ принятого сигнала;

- принятие в качестве координат цели координат той точки возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», для которой получено наибольшее значение коэффициента корреляции.

Использование ординат (энергетических уровней) КМ при их сопоставлении и корреляционного критерия близости в большинстве случаев позволяет устранить неоднозначность оценки местоположения цели. Но сопоставление ординат КМ напрямую, как описано в способе-прототипе, значительно снижает точность оценки координат источника сигнала по причине того, что один КМ в измеренной АКФ может быть образован не одной парой лучей, а группой лучей, мало различающихся по времени и углу прихода. Это особенно характерно для условий сплошной акустической освещенности, вычисление лучевой структуры для которых показывает, что из каждой точки области возможного местоположения цели приходит несколько десятков или даже сотен лучей, которые порождают набор из сотен КМ [Корецкая А.С, Мельканович B.C. Об одном подходе к реализации алгоритма определения координат источника гидроакустического сигнала в пассивном режиме в условиях сплошной акустической освещенности. - Гидроакустика. 2018, вып.34 (2), с. 76-81]. В свою очередь, количество КМ, которое потенциально может быть обнаружено в измеренных АКФ, как правило, не превышает 7-ми в глубоком море и 17-ти в мелком [Машошин А.И. Исследование условий применимости корреляционной функции широкополосного многолучевого сигнала для оценки координат источника. - Акустический журнал, 2017, том 63, №3, с. 307-313]. Кроме того, в способе-прототипе не учитывается влияние шумности цели на возможность обнаружения КМ в текущей сигнало-помеховой ситуации (СПС), что также снижает точность оценки координат источника сигнала.

Таким образом недостаток способа-прототипа заключается в том, что при вычислении интенсивностей расчетных КМ и формировании двумерного массива расчетных КМ не осуществляется объединение КМ, имеющих близкие значения абсцисс, и не исключается влияние шумности цели на возможность обнаружения КМ в текущей СПС, что снижает точность оценки координат источника сигнала.

Задачей изобретения является - повышение эксплуатационных характеристик шумопеленгаторной станции.

Техническим результатом предложенного изобретения заключается в повышении точности определения координат морской шумящей цели.

Для достижения данного технического результата в способ определения координат морской шумящей цели, включающий обнаружение широкополосного сигнала цели на выходе приемного тракта ШПС статическим многоярусным веером ХН, сформированным в вертикальной плоскости, измерение набора АКФ на ряде последовательных интервалов времени в ярусе с максимальным ОСП, обнаружение в каждой из измеренных АКФ узкополосных КМ, измерение их абсцисс и интенсивностей, объединение абсцисс и интенсивностей КМ, обнаруженных во всех измеренных АКФ интервала анализа, в единый двумерный массив КМ принятого сигнала, перебор точек возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», вычисление для каждой точки с учетом текущих гидроакустических условий лучевой и энергетической структуры сигнала на выходе пространственных каналов ярусов ВВХН ШПС, вычисление для каждой пары лучей вычисленной лучевой структуры абсциссы расчетного КМ, который должен быть порожден в АКФ этой парой лучей, и интенсивностей каждого расчетного КМ в каждом ярусе ВВХН, формирование для каждой точки области двумерного массива расчетных КМ, который содержит абсциссы КМ и интенсивности КМ, вычисленные в ярусе ВВХН, соответствующем ярусу принятого сигнала с максимальным ОСП, введены новые признаки, а именно: для каждого КМ из объединенного двумерного массива КМ принятого сигнала формируют экспоненциальную функцию, формируют объединенную АКФ принятого сигнала, суммируя значения экспоненциальных функций всех КМ для каждого временного отсчета в отдельности, вычисляют для каждой точки области возможного местоположения цели значения ОСП на выходе пространственных каналов ярусов ВВХН ШПС в трех ЧД для единичной шумности цели, вычисление для каждой точки области возможного местоположения цели энергетической структуры сигнала и интенсивностей каждого расчетного КМ в каждом ярусе ВВХН выполняют в трех ЧД для единичной шумности цели, при формировании для каждой точки области двумерного массива расчетных КМ в массив записывают интенсивности КМ, вычисленные в ЧД, соответствующем частоте принятого сигнала, нормируют значения интенсивности каждого расчетного КМ для каждой точки области с использованием максимального значения ОСП принятого сигнала и расчетного значения ОСП для соответствующей точки, вычисленного в ЧД, соответствующем частоте принятого сигнала, и ярусе ВВХН, соответствующем ярусу принятого сигнала с максимальным ОСП, формируют экспоненциальные функции для всех расчетных КМ для каждой точки области, формируют для каждой точки области расчетную АКФ путем суммирования значений функций всех расчетных КМ для этой точки, обнуляют значения АКФ в окрестности тех точек по времени, в которых значения интенсивностей КМ не превышают пороговое значение для обнаружения КМ в АКФ тракта ШПС, вычисляют для каждой точки области коэффициент корреляции между сформированной для нее расчетной АКФ и объединенной АКФ принятого сигнала, принимают в качестве координат цели координаты той точки возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», для которой получено наибольшее значение коэффициента корреляции. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что

- нормировка значения интенсивности каждого расчетного КМ с использованием значения ОСП сигнала, принятого от цели неизвестной шумности, и значения ОСП, рассчитанного для соответствующей точки для цели единичной шумности, позволяет избежать использования в расчетных соотношениях неизвестного параметра шумность цели и привести значения интенсивностей расчетных КМ в соответствие с интенсивностями КМ принятого сигнала с учетом текущей СПС;

- формирование экспоненциальных функций для всех расчетных КМ позволяет спрогнозировать их ширину и амплитуду в зависимости от частоты сигнала, принятого антенной ШПС;

- формирование для каждой точки области расчетной АКФ путем суммирования значений функций всех расчетных КМ для этой точки, позволяет наилучшим образом объединить КМ, которые имеют близкие значения абсцисс и в принятой АКФ будут накладываться друг на друга с увеличением интенсивности;

- обнуление значений АКФ в окрестности тех точек по времени, в которых значения ординат КМ не превышают пороговое значение для обнаружения КМ в АКФ тракта ШПС, позволяет исключить из АКФ те КМ, которые не могут быть обнаружены из-за их малой интенсивности. Меняя уровень порога обнаружения КМ в АКФ, относительно порога для единичной шумности цели, возможно формирование расчетных АКФ для малошумных целей (увеличение порога) и сильно шумящих (снижение порога);

- формирование экспоненциальных функций для каждого КМ из объединенного двумерного массива КМ принятого сигнала обеспечивает соответствие формы КМ в расчетных АКФ и в объединенной АКФ принятого сигнала для их сопоставления путем вычисления коэффициента корреляции.

Сущность изобретения поясняется чертежом, 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 цели на выходе приемного тракта ШПС статическим многоярусным веером ХН, сформированным в вертикальной плоскости (блок 1.1); измерение набора АКФ обнаруженного широкополосного сигнала цели на ряде последовательных интервалов времени в ярусе с максимальным ОСП (в оптимальном ярусе приема) (блок 1.2); обнаружение в каждой из измеренных АКФ КМ, измерение их абсцисс и интенсивностей (ординат) (блок 1.3); объединение абсцисс и ординат КМ, обнаруженных во всех измеренных АКФ интервала анализа, в единый двумерный массив (блок 1.4); формирование экспоненциальной функции для каждого КМ из объединенного двумерного массива (блок 1.5); формирование объединенной АКФ принятого сигнала путем суммирования значений экспоненциальных функций всех КМ для каждого временного отсчета в отдельности (блок 1.6).

Выполнение перечисленных операций обеспечивает формирование объединенной АКФ принятого сигнала, используемой для сопоставления с расчетными АКФ, полученными на основе расчетных данных, формируемых блоками второй ветви.

Вторая ветвь включает в себя операции: определение области возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина» (блок 2.1); вычисление для каждой точки этой области с учетом текущих гидролого-акустических условий (ГАУ) лучевой, энергетической структуры сигнала и значений ОСП на выходе пространственных каналов ярусов ВВХН ШПС в трех ЧД для единичной шумности цели (блок 2.2); вычисление для каждой точки этой области и для каждой пары лучей вычисленной лучевой структуры абсциссы КМ, порождаемого этой парой лучей, (расчетного КМ) и интенсивностей каждого расчетного КМ в каждом ЧД и в каждом ярусе ВВХН (блок 2.3); формирование для каждой точки области двумерного массива расчетных КМ, содержащего абсциссы и интенсивности КМ, вычисленные в ЧД, соответствующем частоте принятого сигнала, и ярусе ВВХН, соответствующем оптимальным ярусу приема (блок 2.4); нормировка значения интенсивности каждого расчетного КМ для каждой точки области с использованием максимального значения ОСП принятого сигнала и расчетного значения ОСП для соответствующей точки, вычисленного в ЧД, соответствующем частоте принятого сигнала, и ярусе ВВХН, соответствующем оптимальному ярусу приема (блок 2.5); формирование экспоненциальных функций для всех расчетных КМ для каждой точки области (блок 2.6); формирование для каждой точки области расчетной АКФ путем суммирования значений функций всех расчетных КМ для этой точки (блок 2.7); обнуление значений АКФ в окрестности тех точек по времени, в которых значения интенсивностей КМ не превышают пороговое значение для обнаружения в АКФ тракта ШПС в текущей СПС (блок 2.8).

Операции 2.1 - 2.3 второй ветви могут быть выполнены однократно для текущего состояния гидроакустических условий, определяющего лучевую структуру сигналов. Для выполнения операции 2.4 необходимо получить из блока 1.1. первой ветви номер ЧД и оптимального яруса приема. Выполнение операций второй ветви обеспечивает формирование для каждой точки возможного местоположения цели расчетных АКФ, которые используются для сопоставления с АКФ принятого сигнала, сформированной первой ветвью.

Сопоставление выполняется последовательно расположенными блоками 3 и 4, выполняющими операции вычисления для каждой точки области коэффициента корреляции между сформированной для нее расчетной АКФ и объединенной АКФ принятого сигнала (блок 3) и, наконец, операцию определения координат цели путем выбора координат той точки возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», для которой получено наибольшее значение коэффициента корреляции (блок 4).

Предложенный способ может быть реализован посредством известной в гидроакустике аппаратуры, например гидроакустическая антенна ШПС известна из [Литвиненко СЛ. 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].

Вычисление лучевой, энергетической структуры сигнала и значений ОСП в трех ЧД на выходе пространственных каналов ярусов ВВХН ШПС и вычисление энергетических уровней расчетных КМ 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].

Нормировка значений интенсивностей расчетных КМ (U_{км прогн}) может быть выполнена по формуле:

где ОСП_{прогноз} - ОСП, рассчитанное для цели единичной шумности в ЧД и ярусе ВВХН, соответствующих оптимальным ЧД и ярусу приема, ОСП_замер - значение ОСП принятого

сигнала от цели неизвестной шумности в оптимальном ЧД и ярусе приема.

Формирование экспоненциальных функций КМ может быть выполнено по формуле:

где U_км - уровень КМ, *7 км - абсцисса КМ, с - параметр, зависящий от частоты сигнала, принятого антенной ШПС.

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].

Точность определения координат морской шумящей цели зависит от точности вычисления абсцисс и интенсивностей расчетных КМ, а также от того, насколько эти вычисления соответствуют физическим особенностям процесса формирования КМ в АКФ принятого сигнала.

Способ-прототип не позволяет обеспечить высокую точность определения координат, так как при вычислении интенсивностей расчетных КМ не осуществляет объединение КМ, имеющих близкие значения абсцисс, а также не учитывает влияние шумности цели на возможность обнаружения КМ в текущей СПС.

В предложенном способе, в отличие от способа-прототипа, осуществляется нормировка значений интенсивностей расчетных КМ, в результате которой эти значения приводятся в соответствие с интенсивностями КМ принятого сигнала. Затем каждый расчетный КМ представляется в виде экспоненциальной функции, что соответствует форме КМ в АКФ принятого сигнала, а объединение КМ осуществляется путем суммирования значений их экспоненциальных функций. И наконец, обнуление значений АКФ в точках, где ординаты не превышают пороговое значение, позволяет учесть возможность обнаружения КМ.

Перечисленные операции соответствуют физическим особенностям процесса формирования КМ в АКФ принятого сигнала, что обеспечивает высокую точность предложенного способа определения координат морской шумящей цели.

Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам обнаружения морских целей по их шумоизлучению, а точнее к способам определения координат целей с использованием корреляционных максимумов в автокорреляционной функции шума цели. Сущность: в способе путем формирования экспоненциальной функции для каждого корреляционного максимума (КМ) из объединенного двумерного массива КМ принятого сигнала формируют объединенную автокорреляционную функцию (АКФ) принятого сигнала путем суммирования значений экспоненциальных функций всех КМ для каждого временного отсчета в отдельности, вычисления для каждой точки области возможного местоположения цели значения отношения сигнал/помеха (ОСП) на выходе пространственных каналов ярусов вертикального веера характеристик направленности (ВВХН) шумопеленгаторной станции (ШПС) в трех частотных диапазонах (ЧД) для единичной шумности цели, вычисления для каждой точки области энергетической структуры сигнала и интенсивностей каждого расчетного КМ в каждом ярусе ВВХН в трех ЧД для единичной шумности цели, записи в двумерный массив расчетных КМ интенсивностей КМ, вычисленных в ЧД, соответствующем частоте принятого сигнала, нормировки значения интенсивности каждого расчетного КМ для каждой точки области с использованием максимального значения ОСП принятого сигнала и расчетного значения ОСП для соответствующей точки, вычисленного в ЧД, соответствующем частоте принятого сигнала, и ярусе ВВХН, соответствующем оптимальному ярусу приема, формирования экспоненциальных функций для всех расчетных КМ для каждой точки области, формирования для каждой точки области расчетной АКФ путем суммирования значений функций всех расчетных КМ для этой точки, обнуления значений АКФ в окрестности тех точек по времени, в которых значения интенсивностей КМ не превышают пороговое значение для обнаружения КМ в АКФ тракта ШПС, вычисления для каждой точки области коэффициента корреляции между сформированной для нее расчетной АКФ и объединенной АКФ принятого сигнала и определения координат цели путем выбора координат той точки возможного местоположения цели, для которой получено наибольшее значение коэффициента корреляции. 1 ил.

Способ определения координат морской шумящей цели, включающий обнаружение широкополосного сигнала цели на выходе приемного тракта шумопеленгаторной станции (ШПС) статическим многоярусным веером характеристик направленности (ХН), сформированным в вертикальной плоскости, измерение набора автокорреляционных функций (АКФ) на ряде последовательных интервалов времени в ярусе с максимальным отношением сигнал/помеха (ОСП), обнаружение в каждой из измеренных АКФ узкополосных корреляционных максимумов (КМ), измерение их абсцисс и интенсивностей, объединение абсцисс и интенсивностей КМ, обнаруженных во всех измеренных АКФ интервала анализа, в единый двумерный массив КМ принятого сигнала, перебор точек возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», вычисление для каждой точки с учетом текущих гидроакустических условий лучевой и энергетической структуры сигнала на выходе пространственных каналов ярусов вертикального веера характеристик направленности (ВВХН) ШПС, вычисление для каждой пары лучей вычисленной лучевой структуры абсциссы расчетного КМ, который должен быть порожден в АКФ этой парой лучей, и интенсивностей каждого расчетного КМ в каждом ярусе ВВХН, формирование для каждой точки области двумерного массива расчетных КМ, который содержит абсциссы КМ и интенсивности КМ, вычисленные в ярусе ВВХН, соответствующем ярусу принятого сигнала с максимальным ОСП, отличающийся тем, что для каждого КМ из объединенного двумерного массива КМ принятого сигнала формируют экспоненциальную функцию, формируют объединенную АКФ принятого сигнала, суммируя значения экспоненциальных функций всех КМ для каждого временного отсчета в отдельности, вычисляют для каждой точки области возможного местоположения цели значения ОСП на выходе пространственных каналов ярусов ВВХН ШПС в трех частотных диапазонах (ЧД) для единичной шумности цели, вычисление для каждой точки области возможного местоположения цели энергетической структуры сигнала и интенсивностей каждого расчетного КМ в каждом ярусе ВВХН выполняют в трех ЧД для единичной шумности цели, при формировании для каждой точки области двумерного массива расчетных КМ в массив записывают интенсивности КМ, вычисленные в ЧД, соответствующем частоте принятого сигнала, нормируют значения интенсивности каждого расчетного КМ для каждой точки области с использованием максимального значения ОСП принятого сигнала и расчетного значения ОСП для соответствующей точки, вычисленного в ЧД, соответствующем частоте принятого сигнала, и ярусе ВВХН, соответствующем ярусу принятого сигнала с максимальным ОСП, формируют экспоненциальные функции для всех расчетных КМ для каждой точки области, формируют для каждой точки области расчетную АКФ путем суммирования значений функций всех расчетных КМ для этой точки, обнуляют значения АКФ в окрестности тех точек по времени, в которых значения интенсивностей КМ не превышают пороговое значение для обнаружения КМ в АКФ тракта ШПС, вычисляют для каждой точки области коэффициент корреляции между сформированной для нее расчетной АКФ и объединенной АКФ принятого сигнала, принимают в качестве координат цели координаты той точки возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», для которой получено наибольшее значение коэффициента корреляции.