Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта Российский патент 2023 года по МПК G01S3/80 

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

В гидроакустических системах, использующих методы классификации по анализу шумоизлучения целей, используют признаки, основанные на особенностях спектрального состава сигнала, так называемого портрета [Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. - Судостроение, 1988, стр. 322].

Известен способ классификации, описанный в работе [Деева В.В. и др. Анализ информации оператором-гидроакустиком» // Судостроение. 1990, с. 110-111]. Этот способ основан на классификации объектов по обнаруженным дискретным составляющим в спектре сигнала шумоизлучения распознаваемого объекта.

Известен также способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта [Знаменская Т.К. Патент РФ №2603886 от 10.12.2016. Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта. МПК G01S 3/80], который по технической сущности и количеству общих признаков наиболее близок к предлагаемому.

Указанный способ содержит следующую последовательность операций: прием антенной сигналов шумоизлучения морского объекта в аддитивной смеси с помехой гидроакустической антенной, преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, накопление полученных спектров, сглаживание спектра по частоте, определение порога обнаружения исходя из вероятности ложных тревог и при превышении порога обнаружения текущего спектра на данной частоте принятии решения о наличии дискретной составляющей, по которой классифицируют морской объект.

Недостатком этого способа является то, что в нем не учитываются особенности сплошной части спектра (СЧС) объекта, которая зависит от типа объекта, скорости, тактической задачи (интенсивного маневрирования). Акустическое поле объекта может бать представлено в виде суммы широкополосного шума, обладающего непрерывным спектром, и узкополосных дискретных составляющих (ДС). Широкополосные шумы вызываются, в основном, движителями объекта (в частности, кавитацией на гребных винтах), а также гидродинамическими процессами при обтекании корпуса объекта, рубки, набегающим потоком рулевого комплекса, и резко возрастают при увеличении скорости хода. Известно, что на больших скоростях шумы кавитации на винте, имеющие непрерывный спектр, подавляют большинство ДС, и в общем спектре эти шумы становятся преобладающими. Уменьшение глубины погружения при неизменной скорости оказывает такое же общее влияние на спектр шума винта, как и увеличение скорости при неизменной глубине.

При этом в спектре сплошного шума образуются максимумы. Положение этих максимумов зависит от конкретного объекта, его скорости, глубины погружения [Дж У.Р. Основы гидроакустики // Ленинград: Судостроение. - 1978, с. 350-359]. Особенности сплошной части спектра (СЧС) имеют и другие виды объектов [Кандратьев В.И., Новиков С.В., Рассадов Д.Н. «Акустическая система дистанционного наблюдения за вертолетами» Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук, №4, с. 9-14(2010)].

Задачей изобретения является повышение достоверности выработки решения о классе объекта.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении достоверного определения классификационных признаков сигналов шумоизлучения, связанных с особенностями широкополосного спектра объектов в зависимости от типа объекта, скорости, глубины и маневра.

Для обеспечения указанного технического результата в способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, содержащий прием антенной сигналов шумоизлучения морского объекта в аддитивной смеси с помехой, обработку принятого сигнала, включающую преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, накопление полученных спектров мощности, сглаживание спектра по частоте, определение порога обнаружения, определение превышения порога обнаружения текущего спектра на дискретных частотах (ДС) и классификацию гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, отличающийся тем, что дополнительно в заданном частотном диапазоне (ЧД) производят 1/3 - октавный анализ сплошной части спектра (СЧС) объекта на текущий момент времени с помощью 1/3 октавных фильтров, для этого в каждой полосе пропускания 1/3 октавных фильтров, после процедуры накопления и сглаживания спектров вычисляют спектральный уровень сигнала текущего спектра путем суммирования частотных отсчетов, определяют положение максимумов в спектре заданного ЧД по превышению порога обнаружения уровнями сигнала в 1/3 октавных фильтрах, определяют средние частоты f_ср.1/3i обнаруженных максимумов и их ширину ΔF_i,. а класс объекта определяют по обнаруженным ДС совместно с параметрами f_ср.1/3i и ΔF_iСЧС.

Сущность изобретения заключается в определении параметров СЧС, учитывающих динамику движения обнаруженного объекта, при этом классификацию обнаруженного объекта производят не только по ДС, а по результатам спектрально-временного анализа уровней сигнала в полосах 1/3 треть октавных фильтров, совместно с анализом по ДС.

Таким образом, определение параметров, учитывающих особенности СЧС, способствуют повышению достоверности выработки решения о классе объекта.

Сущность изобретения поясняется (фиг. 1), где приведена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство (фиг. 1) содержит гидроакустическую антенну 1, которая соединена через аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП) со спецпроцессором 3. В состав спецпроцессора входят последовательно соединенные блок 4 БПФ, блок 5 накопления, блок 6 обнаружения ДС, блок 7 классификации и блок 11 отображения и управления, а также последовательно соединенные блок 8 формирования полос 1/3 октавных фильтров, блок 9 вычисления уровней сигнала в 1/3 - октавных полосах и блок 10 определения положения максимумов в спектре заданного ЧД. При этом второй выход блока 4 соединен с входом блока 8, второй выход блока 5 соединен со вторым входом блока 9, а второй выход блока 6 соединен со вторым входом блока 10. Выход блока 10 соединен со вторым входом блока 11.

Блок 2 может быть выполнен так, как это описано в [Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов: Справочник. - Радио и связь, 1985 г, 91 с]. Блок 3 - спецпроцессор предназначен для осуществления конкретных алгоритмов обработки с использованием аппаратурных решений и жесткой логикой вычислений. Их применение повышает быстродействие цифровых вычислительных систем в несколько раз, и в большинстве случаев сокращает аппаратные затраты. Описание спецпроцессоров приведены в книге [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы // Санкт-Петербург: Наука, 2004, с. 255-261]. Блок 4 может быть выполнен, как описано в книге [Рабинер, Р. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Р. Рабинер, Б. Гоулд. - М.: Мир, 1978, стр. 633-640].

В блоке 5 накопления спектров определяется усредненный (накопленный) спектр мощности [Харкевич А.А. Борьба с помехами. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы // Москва. - 1965, стр. 70-71].

Выработка решения об обнаружении ДС в блоке 6 и обнаружении максимумов в спектре заданного ЧД в блоке 10 может быть реализована, как описано в книге [Гутин Л.С.Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах // М.: Советское радио, 1972, стр. 247-253].

Блок 9 формирования стандартных 1/3 - октавных фильтров в заданном ЧД [Колесников А.Е. Справочник по гидроакустике // Л.: Судостроение. - 1982, 334 с], а блок 11 может быть выполнен так, как описан в книге [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы // Санкт-Петербург: Наука, 2004, с. 255-261].

Реализацию способа целесообразно описать на примере работы устройства (фиг. 1). Сигналы S(t) приемных каналов антенны 1 поступают на АЦП 2, сигнал S_j(k) из АЦП поступает в спецпроцессор 3. Из блока 4 БПФ в блок 5 накопления спектров мощности и блок 8 формирования 1/3 октавных частотных полос заданного диапазона поступают временные последовательности спектров мощности для накопления. Из блока 8 в блок 9 поступают спектры мощности в полосе 1/3 октавных фильтров после процедуры накопления (блока 5) для вычисления спектральных уровней сигнала путем суммирования частотных отсчетов в 1/3 октавных полосах. Накопленные временные последовательности спектров мощности поступают в блок 6 обнаружения ДС для сглаживания прямоугольным окном, выработки порога обнаружения. Все превысившие порог дискретные составляющие передаются в блок 7 классификации. Из блока 6 в блок 10 поступают сглаженные спектры мощности для обнаружения максимумов СЧС в заданном диапазоне, вырабатывается порог обнаружения исходя из заданной вероятности ложных тревог [Тюрин A.M. Введение в теорию статистических методов в гидроакустике // Л.: ВМОЛУА. - 1963, с. 127-128]. Для всех превысивших порог УС_j1/3 вычисляется ширина максимума ΔF_i на уровне порога ΔF_i, вычисляется из непрерывающейся по частоте последовательности отсчетов амплитуд 1/3 октавных полос сигнала, превысивших порог. Вычисляется среднегеометрическая частота максимума в границах ΔF_i. Параметры всех обнаруженных максимумов передаются в блок 7 для выработки классификационных признаков по СЧС. Результаты классификации по совокупности классификационных признаков по ДС и СЧС передаются в блок 11 системы отображения и управления.

Таким образом, технический результат, заключающийся в спектрально временном анализе СЧС шумоизлучения объекта, важном при больших скоростях объекта и интенсивном маневрировании, и определении классификационных спектральных признаков СЧС для обеспечения повышения достоверности решения о классе объекта, достигнут

Использование: изобретение относится к области гидроакустики, и может быть использовано в задачах классификации объекта при разработке гидроакустических систем. Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности классификации. Сущность: в заявленном изобретении осуществляют спектрально временной анализ сплошной части спектра (СЧС) шумоизлучения объекта в 1/3 октавных фильтрах, важный при больших скоростях объекта и интенсивном маневрировании, определение классификационных признаков по СЧС в сочетании с классификационными признаками по дискретным составляющим. 1 ил.

Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, содержащий прием антенной сигналов шумоизлучения морского объекта в аддитивной смеси с помехой, обработку принятого сигнала, включающую преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, накопление полученных спектров мощности, сглаживание спектра по частоте, определение порога обнаружения, определение превышения порога обнаружения текущего спектра на дискретных частотах (ДС) и классификацию гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, отличающийся тем, что дополнительно в заданном частотном диапазоне (ЧД) производят 1/3 - октавный анализ сплошной части спектра (СЧС) объекта на текущий момент времени с помощью 1/3 октавных фильтров, для этого в каждой полосе пропускания 1/3 октавных фильтров, после процедуры накопления и сглаживания спектров вычисляют спектральный уровень сигнала текущего спектра путем суммирования частотных отсчетов, определяют положение максимумов в спектре заданного ЧД по превышению порога обнаружения уровнями сигнала в 1/3 октавных фильтрах, определяют средние частоты f_ср.1/3i обнаруженных максимумов и их ширину ΔF_i, а класс объекта определяют по обнаруженным ДС совместно с параметрами f_ср.1/3i и ΔF_iСЧС.