ВПЕРЕДСМОТРЯЩИЙ ГИДРОЛОКАТОР С ПОВЫШЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ ПО ДАЛЬНОСТИ Российский патент 2023 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к многоканальным гидроакустическим системам и может быть использовано для мониторинга подводной обстановки по ходу движения подводного носителя, обнаружения в заданном секторе обзора потенциально опасных для навигации препятствий, а также для определения уточненной дальности и радиальной скорости подводных движущихся объектов.

Известны близкие по назначению многоканальные гидроакустические системы и устройства, предназначенные для мониторинга подводной обстановки.

В патенте США №5390152 А от 14.02.1995 г. [1] описан впередсмотрящий эхолот, в состав которого входит несканирующая антенна переднего обзора, которая формирует последовательность звуковых сигналов, принимает эхосигналы, отраженные от объектов, расположенных вдоль центральной оси характеристики направленности (ХН) антенны. По принятым эхосигналам определяется дистанция до препятствия, при вычислении дальности учитывается скорость судна, измеряемая датчиком собственной скорости, и угол наклона луча. Полученные результаты выводятся на экран устройства отображения в квазиреальном масштабе времени.

В патенте США №8203909 В1 от 19.06.2012 г. [2] описан способ и устройство для обнаружения и определения местоположения подводных препятствий на пути следования судна или лодки. Устройство имеет в своем составе излучатель импульсов с широким углом обзора. Управление осуществляется цифровым сигнальным процессором. Отраженные от подводных препятствий эхосигналы поступают в одномерный преобразователь интенсивности звукового сигнала, который преобразует их и передает в цифровой сигнальный процессор. Процессор осуществляет обработку принятых эхосигналов и на их основе формирует гидроакустический профиль дна в зоне перед судном, определяет местоположение подводных объектов впереди судна или затопленных препятствий.

Известен многоканальный локатор препятствий, описанный в [3]. Принцип работы локатора заключается в следующем. Отраженный от препятствия эхосигнал принимается антенной решеткой, состоящей из N_e элементарных каналов, в каждом из которых образуется входной сигнал. Принятый сигнал усиливается и оцифровывается, затем производится выделение комплексной огибающей (КО) сигнала в каждом элементарном канале и формирование характеристики направленности в заданном секторе обзора. Далее вычисляются модули сигналов в выходных пространственных каналах, по которым строится изображение подводной обстановки по ходу движения носителя.

Описанные устройства не позволяют определять параметры движущихся объектов на пути следования носителя. В этих устройствах отсутствует возможность определения скорости и направления движения объекта.

Указанного недостатка лишен впередсмотрящий гидролокатор (ВСГЛ) глубоководного носителя, описанный в патенте РФ №2699938 [4]. ВСГЛ позволяет одновременно с обнаружением подводных движущихся объектов в заданном секторе обзора определять их уточненную дальность, радиальную скорость и направление движения. Выберем его в качестве прототипа.

Алгоритм работы ВСГЛ глубоководного носителя представлен в виде структурной схемы, приведенной на фиг. 1, состоящей из следующих блоков:

- аналого-цифровые преобразователи (АЦП) в каждом i-том входном элементарном канале (0 ≤ i ≤ N_e - 1; N_e - количество входных элементарных каналов);

- цифровые формирователи квадратурных составляющих (ЦФКС) в каждом i-том входном элементарном канале, содержащие умножитель на комплексную последовательность, два цифровых фильтра низких частот и два устройства децимации отсчетов сигнала [5, 6];

- объединенные фильтры (ОФ) в каждом i-том входном элементарном канале, содержащие согласованный фильтр (СФ) для зондирующего сигнала с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), реализуемый во временной области с помощью нерекурсивного цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой, цифровой фильтр (ЦФ) с заданной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), необходимый для весовой обработки сигналов в частотной области, и дециматор, позволяющий дополнительно снизить частоту следования выходных отсчетов [5];

- формирователь характеристики направленности (ФХН), реализованный во временной области с помощью умножителя на комплексные коэффициенты и сумматора [7], совмещенный с весовой обработкой (ВО) в пространственной области. Входные каналы ФХН подключены к N_e выходам ОФ, а выходы ФХН представляют собой выходы N_b пространственных каналов;

- вычислители модулей (ВМ), осуществляющие вычисление огибающих сигналов в каждом m-ном пространственном канале (0 ≤ m ≤ N_b - 1; N_b - количество выходных пространственных каналов).

- определители моментов максимума (ОММ) отсчетов сигналов пространственных каналов (0 ≤ m ≤ N_b - 1);

- вычислители параметров объектов (ВПО) пространственных каналов (0 ≤ m ≤ N_b-1).

Недостатком прототипа является снижение отношения сигнал-шум (ОСШ) и разрешения по дальности движущихся объектов при их обнаружении. При отражении от движущейся цели принятый гидролокатором эхосигнал получает доплеровский сдвиг по частоте Δƒ_доп, зависящий от скорости цели, и СФ оказывается не согласованным с входным ЛЧМ сигналом. Отклик СФ (сжатый во времени импульс) имеет дополнительный временной сдвиг, амплитуда отклика уменьшается, а его длительность увеличивается.

Получение точных значений снижения ОСШ и разрешения по дальности аналитическим методом не представляется возможным, поскольку вычисления приводят к трансцендентным уравнениям. Оценки снижения ОСШ и разрешения по дальности были получены в ходе моделирования эхолотов, работающих с подвижной целью.

Для анализа использовались параметры (частота несущей ƒ₀, девиация частоты Δƒ_д, длительность зондирующего импульса t_и, разрешение по дальности ΔD) существующих гидролокаторов:

- впередсмотрящий многолучевой гидролокатор SeaBat F50 фирмы Teledyne Reson, который в настоящее время является одним из наиболее популярных на рынке приборов для исследования подводной обстановки, обеспечивает работу на двух несущих частотах: 200 и 400 кГц;

- локатор препятствий глубоководного носителя, разработанный и изготовленный в Научно-конструкторском бюро цифровой обработки сигналов Южного федерального университета (входит в состав универсального многоканального буксируемого комплекса (УМБК) океанографического исследовательского судна «Янтарь»), использует зондирующий ЛЧМ-сигнал с частотой 170 кГц [8].

По заданным параметрам сигнала ƒ₀, Δƒ_д, t_и радиальной скорости приближения цели ν и скорости звука с=1500 м/с рассчитывалось значение Δƒ_доп

и экспериментально определялась форма модуля отклика СФ. Оценки положения пикового значения, а также длительности импульса по уровню 0,637 получались численным методом с погрешностью не более 10 с. Полученная оценка временного положения пикового значения использовалась для расчета оценки величины пикового значения.

Полученные значения длительности и амплитуды отклика СФ делились соответственно на длительность и амплитуду отклика СФ при нулевой радиальной скорости цели для получения относительных значений. В случае подвижной цели амплитуда отклика СФ уменьшается, а длительность - увеличивается, по сравнению со случаем неподвижной цели.

В эксперименте использована скорость цели 30 узлов, что соответствуют подводным обитаемым и беспилотным аппаратам.

Параметры перечисленных выше гидролокаторов и результаты оценок, полученных в результате моделирования для радиальной скорости цели 30 узлов, представлены в таблице 1.

Приведенные результаты показывают, что в достаточно широком диапазоне параметров зондирующего сигнала работа с подвижными целями приводит к ухудшению ОСШ на единицы дБ, а также к ухудшению разрешения по дальности на десятки процентов, что следует считать существенным недостатком.

Предлагаемое изобретение направлено на преодоление указанного недостатка прототипа.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение ОСШ и разрешения гидролокатора по дальности при работе с движущимися целями.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, которое имеет многоканальный вход, содержит подключенные к каждому входному каналу последовательно соединенные АЦП, ЦФКС и ОФ, выходы которых соединены с соответствующими входами многоканального ФХН, выходы которого подключены к последовательно соединенным в каждом пространственном канале ВМ, ОММ и ВПО, выходы которого являются выходами соответствующего пространственного канала гидролокатора, а управляющий вход гидролокатора подключен ко вторым входам ОФ и вторым входам ВПО в каждом пространственном канале, введен блок выбора объекта (БВО), входы которого подключены к выходам ВПО с информацией о скорости, выход соединен со вторыми входами ЦФКС, а дополнительный вход блока является дополнительным входом устройства.

Благодаря введению в известное устройство-прототип совокупности существенных отличительных признаков, предлагаемое устройство (ВСГЛ) обеспечивает технический результат изобретения - повышение ОСШ и разрешения гидролокатора по дальности.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется структурной схемой, приведенной на фиг. 2, где обозначено:

1, 2, 3 - аналого-цифровые преобразователи сигналов входных каналов (0 ≤ i ≤ N_e - 1);

4, 5, 6 - цифровые формирователи квадратурных составляющих сигналов входных каналов (0 ≤ i ≤ N_e - 1);

7, 8, 9 - объединенные фильтры отсчетов сигналов входных каналов (0 ≤ i ≤ iV_e - 1);

10 - формирователь характеристики направленности с весовой обработкой в пространственной области;

11, 12, 13 - вычислители модулей отсчетов сигналов пространственных каналов (0 ≤ m ≤ N_b - 1);

14, 15, 16 - определители моментов максимума отсчетов сигналов пространственных каналов (0 ≤ m ≤ N_b - 1);

17, 18, 19 - вычислители параметров объектов пространственных каналов (0 ≤ m ≤ N_b - 1);

20 - блок выбора объекта.

В ВСГЛ с повышенным ОСШ и разрешением по дальности используется 3 периода зондирования. Первое и второе зондирование применяются для определения скорости движущихся подводных объектов, а третье - для определения дальности до выбранного движущегося объекта с повышенным ОСШ и разрешением. ВСГЛ работает следующим образом.

Принятые в N_e входных каналах аналоговые эхосигналы x(t), представляющие собой периодические последовательности ЛЧМ радиоимпульсов с череспериодным изменением знака девиации частоты, преобразовываются в каждом из N_e АЦП 1, 2, 3 в отсчеты х(nТ) с периодом дискретизации Т и подаются в N_e ЦФКС 4, 5, 6, устройство и принцип работы которых подробно описаны в [5, 6]. В ЦФКС 4, 5, 6 отсчеты сигнала преобразуются в отсчеты КО входного сигнала с периодом дискретизации Т₁.

Отсчеты КО каждого из N_e входного канала поступают в ОФ 7, 8, 9, реализующие функции СФ и ЦФ, структура которых описана в [5]. При этом, во время четных зондирований сигналы подаются в СФ с передаточной функцией Н₁(k) для согласованной обработки ЛЧМ сигналов с положительным знаком девиации частоты, а при нечетных зондированиях эхосигналы поступают в СФ с передаточной функцией Н₂(k) для согласованной обработки ЛЧМ сигналов с отрицательной девиацией частоты. Импульсные характеристики СФ, соответствующие передаточным функциям Н₁(k) и Н₂(k), хранятся в памяти устройства и по сигналу управления используются в ОФ 7, 8, 9. После ЦФ над выходными сигналами выполняется операция децимации, снижающая частоту следования отсчетов до Т₂.

Выходные сигналы ОФ 7, 8, 9 поступают в ФХН 10.

Процедура ФХН выполняется во временной области фазовым методом, который заключается в компенсации разностей фаз (для несущей частоты) выходных сигналов элементов, возникающих из-за задержки моментов поступления фронта принимаемой волны на эти элементы. При этом формирование каждого из лучей сводится к суммированию отсчетов КО выходных сигналов всех элементов с соответствующими фазовыми сдвигами и результатом формирования ХН (выходным сигналом в каждом из N_b пространственных каналов) является дискретный сигнал в виде последовательности комплексных отсчетов Процедура ФХН выполняется одновременно с ВО по пространству для уменьшения уровня боковых лепестков в ХН.

Затем в ВМ 11, 12, 13 вычисляются модули выходных сигналов всех пространственных каналов M(nT₂).

Отсчеты модулей сигналов М(nТ₂) в каждом пространственном канале поступают на входы ОММ 14, 15, 16, содержащие пороговые устройства, необходимые для принятия решения об обнаружении объектов, и определяющие моменты запаздывания максимальных сигналов огибающих n_mах0Т₂ и n_mах1Т₂, поступивших в первом и втором периодах зондирования соответственно.

Измеренные значения запаздывания n_mах0Т₂ и n_mах1T₂ поступают в каждом пространственном канале в соответствующий ВПО 17, 18, 19, где в соответствии с командами управления в нечетные периоды излучения ЛЧМ сигналов определяется дальность и скорости цели. Полученная в каждом ВПО информация о скорости цели поступает на входы БВО 20, где рассчитывается доплеровская частота целей. На дополнительный вход БВО 20 подается информация о выборе объекта, в результате чего из блока выдается доплеровская частота, соответствующая эхосигналу от выбранного в определенном канале движущегося объекта (цели). Данное значение поступает на вторые входы ЦФКС 4, 5, 6, где формируются КО сигналов.

В третьем периоде зондирования после компенсации доплеровского сдвига частоты в принятом эхосигнале от движущегося объекта центр спектра полученной КО находится точно на нулевой частоте и не имеет доплеровского смещения частоты. Поэтому предварительно рассчитанные и созданные СФ в ОФ 7, 8, 9 оказываются полностью согласованными с КО полученных сигналов. Это приводит к увеличению ОСШ и улучшению разрешения по дальности.

Таким образом, изобретение представляет собой ВСГЛ, обеспечивающий повышенное ОСШ и разрешение по дальности.

Источники информации

1. Патент 5390152 А США, МПК G01S 15/89, Forward looking echosounder. Заявл. 18.11.1993. Опубл. 14.02.1995.

2. Патент 8203909 В1 США, МПК G01S 15/88, Forward-looking sonar for ships and boats. Заявл. 10.05.2010. Опубл. 19.07.2012.

3. Маркович И.И. Методы и алгоритмы цифровой пространственно-временной обработки гидроакустических сигналов в многолучевых эхолотах и локаторах препятствий // Фундаментальная и прикладная гидрофизика - СПб: Наука, 2014. - Т. 7. - №2. - С.58-71.

4. Патент 2699938 С1, Российская Федерация, МПК G01S 15/00. Впередсмотрящий гидролокатор глубоководного носителя. №2019101013. Заявл.: 10.01.2019. Опубл. 11.09.2019. Бюл. №26./ И.И. Маркович, В.В. Колган. Заявитель и патентообладатель - Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны РФ.

5. Маркович И.И. Цифровая обработка сигналов в системах и устройствах: монография. - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2012. - 236 с.

6. Маркович И.И. Реализация алгоритмов цифрового формирования квадратурных составляющих в локационных комплексах различного назначения // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2006. - №6. - С.16-21.

7. Найт У.С., Придэм Р.Г., Кэй СМ. Цифровая обработка сигналов в гидролокационных системах // ТИИЭР. 1981. - Т. 69, - №11. - С.84-155.

8. Маркович И.И. Цифровая пространственно-временная обработка сигналов в многолучевом гидролокаторе морского подводного робототехнического комплекса // «Известия ЮФУ. Технические науки», 2019. - №1(203).- С.239-248.

Использование: изобретение относится к многоканальным гидроакустическим системам и может быть использовано для мониторинга подводной обстановки по ходу движения подводного носителя, обнаружения в заданном секторе обзора потенциально опасных для навигации препятствий и определения параметров движения (дальности и радиальной скорости) подводных объектов. Сущность: заявленное устройство содержит аналого-цифровые преобразователи, цифровые формирователи квадратурных составляющих сигналов, объединенные фильтры, формирователь характеристики направленности с весовой обработкой в пространственной области, вычислители модулей сигналов, определители моментов максимума сигналов, вычислители параметров объектов и блок выбора объекта. Перечисленные составные части заявляемого устройства определенным образом соединены между собой. Технический результат: повышение отношения сигнал-шум и разрешения гидролокатора по дальности при работе с движущимися целями. 2 ил., 1 табл.

Впередсмотрящий гидролокатор с повышенным разрешением по дальности, использующий излучение зондирующих сигналов с линейной частотной модуляцией и изменяющимся знаком девиации частоты, имеющий многоканальный вход и содержащий подключенные к каждому входному каналу последовательно соединенные аналого-цифровые преобразователи, цифровые формирователи квадратурных составляющих и объединенные фильтры, выходы которых соединены с соответствующими входами многоканального формирователя характеристик направленности, выходы которого подключены к последовательно соединенным в каждом пространственном канале вычислителям модулей, определителям моментов максимумов и вычислителям параметров объектов, выходы которого являются выходами соответствующего пространственного канала гидролокатора, а управляющий вход гидролокатора подключен ко вторым входам объединенных фильтров и вторым входам вычислителей параметров объектов в каждом пространственном канале, отличающийся тем, что введен блок выбора объекта, входы которого подключены ко вторым выходам вычислителей параметров объектов с информацией о скорости, выход соединен со вторыми входами цифровых формирователей квадратурных составляющих, а дополнительный вход блока является дополнительным входом гидролокатора.