Способ обработки сигнала шумоизлучения Российский патент 2023 года по МПК G01S3/80 

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для повышения эффективности распознавания объектов по их шумоизлучению.

При работе обнаружителей сигналов шумоизлучения в реальных условиях могут быть приняты сигналы различных источников шумоизлучения, которые обладают различными свойствами. Кроме спектров шумов морского судоходства существуют спектры шумов торошения льда, спектры шумов сейсмического происхождения, спектры шумов биологического происхождения [Колесников А.Е. Справочник по гидроакустике // Л.: Судостроение. - 1982. - с. 112-120]. Стабильными характеристиками обладают только спектры шумов, излучаемые источниками движения, и эти спектры имеют характеристики, присущие только данному источнику шумоизлучения. Все эти источники имеют различные габариты, различные скорости движения и поэтому спектральные характеристики их шумов различаются. При большой интенсивности движения и большом количестве источников шумоизлучения в акватории, принимаемый конкретный сигнал шумоизлучения может принадлежать не одному источнику шумоизлучения, а нескольким источникам, расположенных на одном направлении, но на разных дистанциях. Поэтому возникает задача определения соответствия принятого сигнала шумоизлучения одному источнику шумоизлучения на момент начала обработки.

Известны способы классификации объектов по анализу их шумоизлучения, где используют признаки, основанные на особенностях спектрального состава сигнала, так называемого «портрета» [Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем // Л.: Судостроение. - 1988. - с. 322]. Более подробно акустические «портреты» рассмотрены в работе [Мясников Л.Л., Мясникова Е.Н. Автоматическое распознавание звуковых образов // Л.: Энергия. - 1970. - с. 50].

Известен способ классификации источника шумоизлучения, описанный в работе [Деев В.В. и др. Анализ информации оператором-гидроакустиком. // Л.: Судостроение. - 1989. - с. 111].

Способ содержит следующие операции: прием сигналов шумоизлучения шумящего объекта приемной антенной; вычисление оценки комплексного спектра принятых сигналов шумоизлучения, анализ спектрального состав; выделение дискретных составляющих; построение звукорядов; принятие решения о классе шумящего объекта по особенностям спектрального состава принятых сигналов шумоизлучения.

Однако для современных объектов характерно уменьшение числа дискретных составляющих, в результате чего дискретные структуры спектров становятся малоинформативными, что делает классификацию по дискретным составляющим не эффективной.

Известен способ классификации шумящих объектов [Тимошенков В.Г., Дядченко Т.З. Патент РФ №2262121 от 24.04.2003. Способ классификации шумящих объектов. МПК G01S 3/8], в котором принимают сигналы шумоизлучения шумящих объектов приемной антенной, производят спектральный анализ принятых сигналов шумоизлучения с использованием процедуры БПФ, выделяют взаимный спектр сигналов шумоизлучения, принятых первой и второй половиной приемной антенны, выделяют автокорреляционную функцию взаимного спектра сигналов шумоизлучения, принятых первой и второй половиной приемной антенны, измеряют значение несущей частоты автокорреляционной функции, а решение о классе шумящего объекта принимают при сравнении измеренной несущей частоты автокорреляционной функции с пороговыми частотами, каждую из которых определяют, как среднюю частоту исходной полосы шумоизлучения эталонного объекта определенного класса.

В способе прототипе принятый сигнал шумоизлучения может принадлежать не одному, а разным источникам, и тогда классификация может оказаться ошибочной.

Задачей настоящего изобретения является определения наличия источника шумоизлучения, принадлежащего одному реальному объекту, а не случайному совмещению неизвестных источнику шума, при уменьшении аппаратурных затрат.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является представление для дальнейшей обработки сигналов одного реального источника шумоизлучения и освобождения программного обеспечения и оператора от бесполезной информации.

Для решения поставленной задачи в способ, содержащий прием сигнала шумоизлучения, спектральную обработку с использованием БПФ, определение амплитуд и частот спектральных составляющих в полосе обработки сигнала шумоизлучения введены новые признаки, а именно фиксируют, измеряют и анализируют весь спектр шумоизлучения в выбранном частотном диапазоне при минимальном времени накопления, измеряют нижнюю частоту спектра F_H и амплитуду A_H принятого сигнала шумоизлучения, измеряют верхнюю частоту спектра F_B и амплитуду верхней частоты A_B, определяют среднюю частоту спектра F_cp=0,5(F_B+F_H), выделяют частотный диапазон (F_cp-F_H), относящейся к низкочастотной части спектра, определяют частотный диапазон (F_B-F_cp), относящегося к высокочастотной части спектра, определяют коэффициент корреляции между амплитудами низкочастотной и высокочастотной частями спектра и принимают решение, что спектр принадлежит одному реальному источнику шумоизлучения, если коэффициент корреляции превышает 0,7.

Известно, что уровень спектра шумоизлучения надводного корабля линейно спадает в сторону высоких частот, при этом крутизна спада зависит от скорости хода [Роберт Дж Урик Основы гидроакустики // Л.: Судостроение. - 1978. - с. 362]. При распространении на больших дистанциях высокочастотная часть спектра затухает, но характер изменения спадания спектра не изменяется. Спектр шумоизлучения надводного корабля содержит как спектр работы дизельного двигателя, так и спектр работы винтов, которые работают в кавитационном режиме, что создает значительный уровень шумоизлучения, который непрерывно существует и спадает в сторону высоких частот. Для других техногенных источников шумоизлучения (обитаемых и необитаемых подводных аппаратов и пр.) имеются также свои стабильные особенности, которые сохраняются в определенном временном интервале. Однако, в реальных условиях в акватории наблюдения могут находиться большое количество источников шумоизлучения, которые расположены на разных дистанциях в различных направлениях. Это шумы будут приниматься приемной антенной, обрабатываться системой принятия решения и представляться для классификации. В результате параметры обнаруженного источника будут определены с ошибкой, что приведет к низкой достоверности измерения параметров движения и классификации. Как правило, спектр шумоизлучения одиночного локального источника имеет фиксированную форму спектра, которая зависит от дистанции и на фиксированной дистанции достаточно стабильна при равномерном прямолинейном движении. Поэтому коэффициент корреляции между низкочастотной и высокочастотной частями исходного спектра будет высоким при последовательных измерениях. Это будет определяться свойствами стабильного источником шумоизлучения конкретного объекта, расположенного на фиксированной дистанции. При появлении другого источника шумоизлучения на этом же направлении спектральные характеристики принимаемого сигнала изменяется случайным образом за счет спектра другого источника. В этом случае коэффициент корреляции между участками принимаемого спектра изменится. Этот факт можно определить по изменению коэффициента корреляции между низкочастотной и высокочастотной частями принимаемого спектра, которые в реальных условиях спадают. Результаты моделирования показали, что коэффициент корреляции в этом случае для сигналов шумоизлучения одного реального (техногенного) источника всегда больше 0,8, поэтому порог коэффициента корреляции 0,7 обеспечивает требуемую достоверность принятия правильного решения. При наличии нескольких источников, которые будут формировать принимаемый случайный сигнал, корреляция изменится, Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена блок-схема устройства, реализующая заявленный способ.

Устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные приемную антенну 1, тракт 2 приема сигнала шумоизлучения и спецпроцессор 3. В состав спецпроцессора 3 входят последовательно соединенные блок 4 определения спектра всего принятого сигнала, блок 5 выбора низкочастотной части спектра, блок 7 определения коэффициента корреляции, блок 8 принятия решения. Также в спецпроцессор 3 входит блок 6 выбора высокочастотной части спектра, вход которого соединен со вторым выходом блока 4, а выход со вторым входом блока 7. Второй выход блока 8 через систему 9 управления и отображения соединен двусторонней связью с трактом 2 приема сигналов шумоизлучения.

Антенна и тракт приема сигналов шумоизлучения являются устройствами, которые используются в прототипе. Алгоритмы определения спектров на основе быстрого преобразования Фурье достаточно подробно изложены [Оппенгейм Э. Применение цифровой обработки сигналов // Издательство «Мир». - 1980. с. 441-463]. В современной гидроакустической аппаратуре сигналы, преобразованные в цифровой вид, обрабатываются специальными цифровыми процессорами на основе разработанных алгоритмов [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника - СПб. Наука. 2004. с. 164-176, с. 278-295]. В процессоре реализуются все блоки предлагаемого устройства такие, как спектральная обработка на основе БПФ, корреляционная обработка, блоки памяти. Практически все указанные процедуры могут быть реализованы на современных компьютерах и ноутбуках, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. [Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов - БХВ - Петербург, 2011].

Предложенный способ с помощью устройства (фиг. 1) реализуется следующим образом. Сигнал шумоизлучения принимается антенной 1 и передается через тракт 2 приема сигнала шумоизлучения и через блок 4 на спецпроцессор 3. В блоке 5 по данным измеренным в блоке 4 определяется низкочастотная часть спектра, амплитудные значения спектральных составляющих, которых передаются в блок 7 определения коэффициента корреляции. В блоке 6 по данным измеренным в блоке 4 определяется высокочастотная часть спектра. Между амплитудными значениями спектральных составляющих низкочастотной и высокочастотной частей спектра в блоке 7 определяется коэффициент корреляции. Значение коэффициента корреляции с выхода блока 7 передается в блок 8 принятия решения. В блоке 8 принимается решение относительно стабильности входного процесса и принадлежности его к одному источнику шумоизлучения. В блоке 9 осуществляется отображение входной и выходной информации, а так же управлением режимом работы тракта 2.

Решение о принадлежности сигнала одному источнику шумоизлучения принимается с помощью одной антенны и в минимальное время обработки, что позволяет сократить бесполезный объем вычислений и обеспечить достижение заявленного технического результата.

Использование: настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для распознавания объектов по их шумоизлучению. Сущность: способ содержит прием сигнала шумоизлучения, спектральную обработку с использованием БПФ, определение амплитуд А и частот F спектральных составляющих в полосе обработки источников шумоизлучения измеряют и анализируют весь спектр шумоизлучения в выбранном частотном диапазоне, измеряют нижнюю частоту спектра F_h и амплитуду Ан принятого источника шумоизлучения, измеряют верхнюю частоту спектра F_B и амплитуду верхней частоты А_в, определяют среднюю частоту спектра F_cp=0,5(F_b+F_h), выделяют часть спектра, относящегося к низкой частоте (Fcp-F_h), определяют часть спектра, относящегося к высокой частоте (F_b-Fcp), определяют коэффициент корреляции между амплитудами нижней части спектра и амплитудами верхней части спектра и принимают решение, что спектр принадлежит одному источнику шумоизлучения, если коэффициент корреляции превышает 0,7. Технический результат: определение наличия источника шумоизлучения, принадлежащего одному реальному объекту, а не случайному совмещению неизвестных источнику шума, при уменьшении аппаратурных затрат. 1 ил.

Способ обработки сигнала шумоизлучения, содержащий прием сигнала шумоизлучения, спектральную обработку с использованием БПФ, определение амплитуд и частот спектральных составляющих в полосе обработки сигнала шумоизлучения введены новые признаки, а именно фиксируют, измеряют и анализируют весь спектр шумоизлучения в выбранном частотном диапазоне, измеряют нижнюю частоту спектра F_H и амплитуду A_H принятого сигнала шумоизлучения, измеряют верхнюю частоту спектра F_B и амплитуду верхней частоты A_B, определяют среднюю частоту спектра F_cp=0,5(F_B+F_H), выделяют частотный диапазон (F_cp-F_H), относящийся к низкочастотной части спектра, определяют частотный диапазон (F_B-F_cp), относящийся к высокочастотной части спектра, определяют коэффициент корреляции между амплитудами низкочастотной и высокочастотной частями спектра и принимают решение, что спектр принадлежит одному реальному источнику шумоизлучения, если коэффициент корреляции превышает 0,7.