СПОСОБ ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ В ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ С ГИБКОЙ ПРОТЯЖЁННОЙ БУКСИРУЕМОЙ АНТЕННОЙ Российский патент 2023 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к способам освещения подводной обстановки, а конкретно к способам отображение информации в пассивных низкочастотных гидроакустических станциях (ГАС) с гибкими протяженными буксируемыми антеннами (ГПБА).

Ввиду снижения шумностей подводных лодок (ПЛ) в звуковом диапазоне частот основными источниками их обнаружения стали инфразвуковой (ниже 20 Гц) и низкий звуковой (ниже 500 Гц) диапазоны частот, в которых сосредоточены трудно устранимые узкополосные сигналы, обусловленные вращением гребного винта и их гармониками, а также работой других корабельных механизмов.

Одним из средств обнаружения ПЛ по излучаемым ими низкочастотным узкополосным (дискретным) составляющим (ДС) спектра их шумоизлучения являются пассивные низкочастотные ГАС с ГПБА, устанавливаемые на ПЛ [1-4].

Обнаружение целей в ГАС с ГПБА осуществляется оператором по индикатору, на котором в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)" отображается результат спектрального анализа на одном цикле накопления сигналов на выходе всех сформированных пространственных каналов (фиг. 1). Оператор среди множества помеховых отметок, обусловленных флюктуациями шумов моря и собственной помехи, должен обнаружить отметки, обусловленные ДС спектра цели.

В качестве прототипа рассмотрим способ, описанный в работе [1, п. 2.1.2]. Способ-прототип на каждом цикле обработки и отображения включает:

1) синхронный набор цифровых реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов ГПБА.

При этом:

- частота дискретизации

где - верхняя частота рабочего диапазона частот;

- длина реализации ,

где - заданная разрешающая способность узкополосного спектрального анализа, согласованная с предполагаемой шириной ДС;

2) путем быстрого преобразования Фурье временных последовательностей сигналов и последующего фазового суммирования полученных спектральных отсчетов отдельных гидрофонов вычисление узкополосных комплексных спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам (вееру курсовых углов);

3) путем суммирования квадратов действительных и мнимых частей узкополосных комплексных спектров вычисление энергетических спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам;

4) суммирование (накопление) энергетических спектров, соответствующих одноименным курсовым углам, вычисленных на нескольких циклах набора реализаций;

5) отображение накопленных энергетических спектров на индикаторе в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)".

Заметим, что на каждом новом цикле отображения накопленные энергетические спектры замещают спектры, вычисленные на предыдущем цикле накопления.

Недостатком способа-прототипа является то, что оператор уверенно может обнаружить ДС, принадлежащую цели только в том случае, когда уровень обнаруживаемой ДС существенно (на 15 дБ и более) превосходит уровень флюктуационных выбросов фонового шума. ДС с небольшим превышением над фоновой частью спектра обнаружить затруднительно (фиг. 1), особенно, когда порог отображения на индикаторе установлен достаточно высоким, чтобы отсекать большую часть помеховых выбросов (фиг. 2).

Решаемая техническая проблема - повышение качества обнаружения малошумных целей в ГАС с ГПБА.

Технический результат - повышение дальности обнаружения целей по ДС в спектре их шумоизлучения.

Указанный технический результат достигается тем, что:

- в каждом накопленном энергетическом спектре, соответствующем каждому курсовому углу, методом двустороннего контраста [5] выделяются узкополосные (дискретные) составляющие с определением их частот и уровней;

- на индикаторе в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)" отображаются не энергетические спектры, а выделенные в них ДС, превысившие порог. При этом ДС, выделенные на новом цикле накопления, накладываются при отображении на индикаторе на ДС, выделенные на предыдущих циклах накопления, но со сдвигом последних на 1 пиксель по частоте (вниз или вверх).

В результате (фиг. 3) отметки, обусловленные устойчивыми ДС в спектре целей, начинают перемещаться по частоте и образуют трассы, что повышает достоверность их выявления.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующих действиях, выполняемых на каждом цикле обработки и отображения сигналов:

1) синхронный набор дискретных реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов ГПБА;

2) путем быстрого преобразования Фурье временных последовательностей сигналов и последующего фазового суммирования полученных спектральных отсчетов отдельных гидрофонов вычисление узкополосных комплексных спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам (вееру курсовых углов);

3) путем суммирования квадратов действительных и мнимых частей узкополосных комплексных спектров - вычисление энергетических спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам;

4) суммирование (накопление) 4…8 энергетических спектров, соответствующих одноименным курсовым углам, вычисленных на нескольких циклах набора реализаций;

5) выделение на текущем цикле в каждом накопленном энергетическом спектре методом двустороннего контраста ДС с определением их курсовых углов, частот и уровней;

6) сдвиг индикаторной картины в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)", сформированной на предыдущем цикле обработки и отображения, на один пиксель по частоте вниз;

7) добавление к индикаторной картине, образовавшейся после сдвига по частоте, ДС, выделенных на текущем цикле с учетом их курсового угла, частоты и уровня;

8) отображение сформированной индикаторной картины на электронном индикаторе.

Эффективность заявляемого способа была подтверждена путем его моделирования с использованием программной модели ГАС с ГПБА. Моделирование показало, что дистанция обнаружения малошумных ПЛ по ДС в инфразвуковом диапазоне частот за счет внедрения заявляемого способа возросла в среднем на 35%.

Заявляемый способ может быть реализован в действующих и проектируемых ГАС с ГПБА на программном уровне.

Таким образом, заявленный технический результат - повышение дальности обнаружения целей по ДС в спектре их шумоизлучения - можно считать достигнутым.

Источники информации:

1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы // СПб.: Наука, 2004.

2. Деев В.В. и др. Анализ информации оператором-гидроакустиком // Л.: Судостроение. 1989.

3. Патент РФ №2546851.

4. Патент РФ №2603886.

5. Белецкий Ю.С. Методы и алгоритмы контрастного обнаружения сигналов на фоне помех с априори неизвестными характеристиками // М.: Радиотехника, 2011, 429 с.

Использование: изобретение относится к способам освещения подводной обстановки, а конкретно к способам отображение информации в пассивных низкочастотных гидроакустических станциях (ГАС) с гибкими протяженными буксируемыми антеннами (ГПБА). Сущность: в способе осуществляется синхронный набор дискретных реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов ГПБА; путем двумерного быстрого преобразования Фурье вычисляются узкополосные комплексные спектры сигналов, соответствующих разным курсовым углам (вееру курсовых углов); путем суммирования квадратов действительных и мнимых частей узкополосных комплексных спектров вычисляются энергетические спектры сигналов, соответствующих разным курсовым углам; несколько последовательных реализаций энергетических спектров, соответствующих одноименным курсовым углам, накапливаются; в каждом накопленном энергетическом спектре методом двустороннего контраста выделяются ДС с определением их курсового угла, частоты и уровня; на индикаторе в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)" на ДС, выделенные на предыдущих циклах накопления, со сдвигом на один пиксель по частоте накладываются ДС, выделенные на текущем цикле накопления, с учетом их курсовых углов, частот и уровней. Технический результат: повышение дальности обнаружения целей по ДС в спектре их шумоизлучения. 3 ил.

Способ обработки и отображения сигналов в гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной, на каждом цикле обработки и отображения включающий синхронный набор цифровых реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов антенны, вычисление и накопление узкополосных энергетических спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам носителя антенны, формирование индикаторной картины в координатах "курсовой угол по горизонтали - частота по вертикали - амплитуда яркостью либо цветом" и отображение ее на электронном индикаторе, отличающийся тем, что индикаторную картину, сформированную на предыдущем цикле обработки и отображения, сдвигают на один пиксель по частоте, в каждом накопленном на текущем цикле обработки и отображения энергетическом спектре выделяют узкополосные дискретные составляющие и с учетом их курсовых углов, частот и уровней добавляют их к образовавшейся после сдвига по частоте индикаторной картине.