Способ получения информации о подводном шумящем объекте Российский патент 2023 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустики, может быть использовано при решении задач обработки сигнала шумоизлучения объекта в гидроакустических системах, и предназначено для определения момента времени, когда подводный движущийся объект, наблюдаемый средствами шумопеленгования, изменяет глубину своего погружения.

При наблюдении за движущимся морским объектом важно определять не только его пространственное положение, но и контролировать момент времени, когда объект совершает маневр.

Под маневром объекта обычно понимается либо изменение курса движения объекта (маневр курсом), либо изменение скорости его движения (маневр скоростью). Существуют способы, позволяющие определить маневр объекта курсом и скоростью, например [Консон А.Д., Тимошенков В.Г. Патент РФ №2634786 от 03.11.2017. Способ определения маневра шумящего объекта. МПК G01S 3/80].

Для объекта, движущегося в толще воды, дополнительным видом маневра является маневр по глубине, то есть изменение глубины погружения. При наблюдении подводного объекта средствами шумопеленгования важно определить момент времени, когда объект совершает такой маневр.

Известны способы [Корецкая А.С., Мельканович B.C. Патент РФ №2650830 от 28.03.2017. Устройство получения информации о шумящем в море объекте. МПК G01S 3/80, Машошин А.И., Мельканович B.C. Патент РФ №2690223 от 28.08.2018. Способ определения координат морской шумящей цели. МПК G01S 15/00], которые позволяют определять, в том числе глубину погружения подводного объекта. Способы основаны на сравнении параметров принятого шумового сигнала с аналогичными параметрами, рассчитанными для совокупности гипотез о возможном месте объекта в узлах сетки по дистанции и глубине для текущих гидролого-акустических условий. В первом способе в качестве сравниваемых параметров используются отношения сигнал/помеха в нескольких частотных диапазонах, а во втором - задержки по времени между моментами прихода двух лучей и совокупные интенсивности этих лучей. Решение о месте объекта принимается по тому узлу сетки, для которого расчетно-прогнозируемые параметры сигнала совпадают с наблюдаемыми параметрами по заданному критерию похожести. Для получения расчетно-прогнозируемых параметров осуществляют прогнозный расчет лучевой структуры сигнала. Однако для указанных способов известно [Машошин А.И. Исследование условий применимости корреляционной функции широкополосного многолучевого сигнала для оценки координат источника // Акустический журнал. 2017. Том 63. №3. С. 307-313], что оценка глубины, как и оценка дистанции, является многозначной, то есть в каждый момент времени мы имеем не одну, а несколько оценок глубины, которые удовлетворяют критерию похожести. Кроме того, реализация указанных способов требует больших вычислительных ресурсов для перебора всех гипотез о возможном месте объекта. И самое главное, способы позволяют определить глубину погружения шумящего объекта, но не определяют маневр объекта по глубине.

Наиболее близким аналогом по выполняемым процедурам к предлагаемому изобретению является способ [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.

В способе-прототипе выполняются следующие основные операции: осуществляют прогнозный расчет лучевой структуры сигнала на входе гидроакустической антенны для совокупности гипотез о возможном месте объекта в узлах сетки по дистанции и глубине, в результате которого

формируют для каждого узла сетки по дистанции и глубине свой двумерный массив расчетных параметров, включающий в себя набор задержек каждых двух лучей и набор интенсивностей этих лучей,

принимают гидроакустический шумовой сигнал многоэлементной антенной с апертурой в вертикальной плоскости,

вычисляют набор автокорреляционных функций сигнала на ряде последовательных интервалов времени,

обнаруживают в каждой автокорреляционной функции локальные максимумы, и формируют из них двумерные массивы измеренных параметров, включающие в себя набор задержек каждых двух лучей и набор интенсивностей этих лучей,

вычисляют коэффициент корреляции между массивом измеренных параметров и каждым из массивов расчетных параметров в узлах сетки по дистанции и глубине,

принимают решение о дистанции и глубине погружения объекта путем выбора того узла сетки по дистанции и глубине, для которого получено наибольшее значение коэффициента корреляции,

отображают для оператора решения о дистанции и глубине погружения объекта на ряде последовательных интервалов времени.

Способ основан на анализе автокорреляционной функции принятого сигнала, которая содержит в своих локальных максимумах информацию о двух параметрах сигнала. Аргумент локального максимума, то есть координата по оси абсцисс, представляет собой задержку по времени между моментами прихода двух лучей. Амплитуда локального максимума, то есть координата по оси ординат, представляет собой совокупную интенсивность этих лучей. Сравнение измеренных задержек и интенсивностей двух лучей в принятом сигнале с задержками и интенсивностями прогнозных лучей, рассчитанными в текущих гидролого-акустических условиях для совокупности гипотез о возможном месте объекта в узлах сетки по дистанции и глубине, позволяет определить дистанцию и глубину объекта.

Недостаток способа-прототипа применительно к задаче, решаемой изобретением, заключается в том, что он оптимизирован под определение пространственного положения подводного шумящего объекта по дистанции и глубине и не предусматривает определения стабильности его глубины погружения.

Теоретически можно предположить, что способ позволил бы определить маневр объекта по глубине, если бы оператор постоянно наблюдал за глубиной и фиксировал ее изменение. Однако такое нецелевое использование способа потребует недопустимо больших вычислительных затрат и усилий оператора.

Задача изобретения - создать способ контроля стабильности глубины погружения подводного объекта, который мог бы работать в автоматическом режиме, без участия оператора, и требовал минимального количества вычислительных затрат.

Для решения поставленной задачи в способе получения информации о подводном шумящем объекте, в котором предварительно принимают гидроакустический шумовой сигнал многоэлементной антенной с апертурой в вертикальной плоскости, получают набор измеренных автокорреляционных функций сигнала на ряде последовательных интервалов времени, обнаруживают в каждой автокорреляционной функции совокупность локальных максимумов, и формируют из них двумерные массивы измеренных параметров, включающие в себя набор задержек каждых двух лучей и набор интенсивностей этих лучей,

введены новые признаки, а именно:

опускают приемную антенну на глубину, заведомо превышающую максимально возможную глубину погружения исследуемого подводного объекта,

после формирования двумерных массивов измеренных параметров фиксируют на текущий момент времени одну задержку из набора для тех двух лучей, интенсивность которых максимальна,

сравнивают между собой задержки в каждый предыдущий и текущий моменты времени,

принимают решение, что объект изменил глубину погружения, если задержка изменилась, или

принимают решение, что объект сохранил глубину погружения, если задержка не изменилась.

Техническим результатом изобретения является автоматическое определение момента изменения объектом глубины погружения и значительное уменьшение количества арифметических операций относительно способа-прототипа. Это позволит применять предлагаемый способ в условиях ограниченных вычислительных ресурсов и (или) при отсутствии человека-оператора, например на борту автономных необитаемых подводных аппаратов.

Покажем возможность достижения указанного технического результата предложенным способом.

Рассмотрим распространение звука в морской среде от источника сигнала к приемнику. В горизонтальной плоскости звуковой сигнал распространяется прямолинейно, а в вертикальной плоскости - претерпевает рефракцию, то есть его путь искривляется. Это связано в морской среде с непостоянством скорости распространения звука на разных глубинах. В рамках лучевой теории [Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007] это объясняется через понятие лучевой трубки (или кратко - луча). Под лучом понимают звуковой сигнал, выходящий из источника и проходящий на некотором удалении от него через произвольно малый контур. В рамках лучевой теории считают, что звуковая энергия «течет» по совокупности лучевых трубок (лучей), не пересекая их стенок. Из источника сигнала в сторону приемника выходит бесконечное множество лучей в вертикальной плоскости под углами от +90° вверх до -90° вниз относительно горизонтальной плоскости. Каждый из этих лучей распространяется по своей уникальной траектории, претерпевая полные внутренние отражения и (или) отражаясь от дна или поверхности. Направление движения луча в каждый следующий момент определяется градиентом скорости звука того водного слоя, в котором он оказался. Луч всегда искривляется в ту сторону по глубине, где скорость звука меньше, а угол заворота луча определяется начальным углом его входа в очередной водный слой. При распространении на большие расстояния в траектории каждого луча можно выделить участки, которые циклически повторяются, образуя совокупность верхних и нижних дуг.

Несмотря на то, что из источника выходит бесконечное множество лучей, не все из них достигают приемника, находящегося в фиксированной точке по глубине и дальности. Многие из лучей теряют большую долю своей интенсивности при отражениях от поверхности и дна, а другие имеют такую траекторию, которая для фиксированного расстояния до приемника проходит ниже или выше глубины его погружения. Таким образом, источник и приемник, как фиксированные точки, связывает между собой ограниченное количество лучей.

Рассмотрим распространение лучей между точками источника и приемника, которые расположены друг относительно друга таким образом, что расстояние между ними любое, а глубины такие, что скорость звука на глубине источника меньше, чем скорость звука на глубине приемника. При таком взаимном расположении оказывается, что наиболее интенсивными лучами, связывающими указанные точки, будут лучи, которые можно назвать парными [Какалов В.А. О реализации согласованной со средой обработки гидроакустического сигнала от источника // Гидроакустика. Вып. 45(1). 2021. С. 68-76].

Каждая пара содержит два луча. В точке источника, в точке с меньшей скоростью звука, лучи пары имеют углы, близкие по абсолютному значению, но противоположные по знаку. В точке приемника, в точке с большей скоростью звука, лучи пары имеют углы, близкие и по абсолютному значению и по знаку. В крайнем случае, это может быть даже одна пара. В других случаях все пары обладают указанными свойствами в равной мере, поэтому для простоты реализации способа можно ограничиться рассмотрением только одной пары лучей, обладающих наибольшей интенсивностью. Это и предусмотрено в способе при выполнении процедуры выбора задержки, соответствующей паре лучей с максимальной интенсивностью.

Необходимо отметить, что для реализации способа важно, чтобы источник находился в точке с меньшей скоростью звука, а приемник в точке с большей скоростью звука. Именно в этом случае источник и приемник соединяет пара лучей, обладающая указанными свойствами.

Анализ траекторий лучей такой пары показывает, что траектория одного луча в паре отличается от траектории второго луча в паре на одну верхнюю дугу. Это происходит в связи с тем, что около точки с меньшей скоростью звука, в которой расположен источник, луч, направленный вверх, претерпевает полное внутреннее отражение, и возвращается на глубину источника под углом, уже направленным вниз. У траектории второго луча такой дополнительной дуги нет, так как второй луч около источника изначально имеет угол, направленный вниз. Остальные дуги у обоих лучей повторяются одинаковое количество циклов. Это обусловлено тем, что лучи пары при выходе из источника имеют углы, близкие по абсолютному значению. Поэтому первый луч, после дополнительной дуги, возвращается на глубину источника под углом, близким к углу второго луча и по знаку и по абсолютному значению. Тогда, распространяясь далее, оба луча имеют одинаковое количество повторяющихся дуг. При этом указанная особая часть траектории первого луча (верхняя дуга) тем длиннее, чем больше глубина источника. Тогда разница времен хода сигнала по одному и по второму лучу в паре не зависит от разности длин их полных путей, а определяется только дополнительным участком траектории первого луча, то есть зависит от глубины погружения источника. Чем больше разница времен хода, тем больше глубина источника, и наоборот. Если мы найдем разницу времен хода между лучами в паре, то эта разница будет характеризовать глубину погружения источника.

Приемник необходимо погрузить на такую глубину, на которой скорость звука на его горизонте будет превышать скорость звука на возможных горизонтах источника. Основной тенденцией скорости звука является ее увеличение с глубиной, связанное с увеличением гидростатического давления. Поэтому, даже без анализа скорости звука, можно погрузить приемник на глубину, превышающую возможные глубины погружения источника. Это обеспечит приемнику условия, в которых образуются пары лучей с необходимыми свойствами. Для этого в способ введена соответствующая процедура.

Опустив приемник, на выходе антенны мы будем иметь сигнал, содержащий в своем составе сигналы двух лучей, углы которых близки как по абсолютному значению, так и по знаку. Такие сигналы не разрешимы характеристикой направленности антенны. Однако процедура вычисления автокорреляционной функции позволит выделить задержку по времени между моментами прихода двух лучей в паре, то есть разницу времен хода лучей. А анализ разницы времен хода в динамике позволит определить маневр источника по глубине. Что и предложено в заявляемом способе.

Необходимо отметить, что задержка по времени между моментами прихода парных лучей зависит не только от глубины погружения источника, но и от углов выхода этих лучей, которые нам неизвестны. Поэтому предлагаемый способ не позволяет определить само значение глубины погружения источника. Однако, что важно, динамика задержки позволяет однозначно определить динамику глубины погружения. Задержка увеличилась - глубина увеличилась, задержка уменьшилась - глубина уменьшилась.

Все процедуры способа автоматизированы, количество арифметических операций значительно меньше, чем в способе-прототипе, осуществляющем многократный перебор гипотез в узлах сетки по дистанции и глубине.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображена укрупненная блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Способ технически реализуется аппаратно-программными средствами по структурной схеме, приведенной на фиг. 1. Структурная схема включает последовательно соединенные блоки: антенну 1, блок 2 вычисления автокорреляционной функции сигнала (АКФ), блок 3 определения относительной задержки времени прихода между лучами (ЗД), блок 4 принятия решения о маневре объекта по глубине погружения (МАНЕВР).

С помощью аппаратуры (фиг. 1) заявленный способ реализуется следующим образом. Приемную антенну 1 опускают на глубину, заведомо превышающую максимально возможную глубину погружения исследуемого подводного объекта. При этом создаются условия для распространения звуковых лучей между источником сигнала и приемником парами, выходящими из источника под углами, близкими по абсолютному значению, но направленными вверх и вниз, и отличающимися друг от друга только наличием у одного из лучей дополнительной «верхней» дуги как особой части траектории лучевого цикла. Задержка по времени распространения между лучами в таких парах, которую можно оценить в точке приемника, содержит информацию о глубине погружения источника. После опускания антенны 1 на нужную глубину, она принимает шумовой сигнал от источника излучения, то есть от объекта.

Шумовой сигнал поступает в блок 2 АКФ, где осуществляется вычисление автокорреляционных функций на ряде последовательных интервалов времени. Каждая из последовательно вычисленных автокорреляционных функций последовательно поступает в блок 3 ЗД. В блоке 3 осуществляется обнаружение совокупности локальных максимумов в текущей автокорреляционной функции, которые сохраняются в виде двух массивов X_l и Y_l, где X - абсцисса, то есть задержка по времени между моментами прихода двух лучей, Y - ордината, то есть совокупная интенсивность этих лучей, l∈[1,n] - номера локальных максимумов, из которых образуется набор из n задержек и интенсивностей. Затем в блоке 3 фиксируют на текущий момент времени j одну задержку ΔT_j из набора для тех двух лучей, интенсивность которых максимальна ΔT_j=argmax{Y_l=ƒ(X_l)}. Полученная задержка между лучами в каждый текущий момент времени поступает в блок 4 МАНЕВР.

В оперативной памяти блока 4 сохраняется задержка между лучами ΔT_j-1, полученная в предыдущий момент времени j - 1. При поступлении задержки ΔT_j в текущий момент времени j производится их сравнение по абсолютной величине. Если ΔT_j>ΔT_j-1, то считают, что объект увеличил глубину погружения. Если ΔT_j<ΔT_j-1, то считают, что объект уменьшил глубину погружения. Если ΔT_j=ΔT_j-1, то считают, что объект сохранил глубину погружения.

Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной. Предложен способ получения информации о подводном шумящем объекте, предназначенный для определения момента времени, когда подводный движущийся объект, наблюдаемый средствами шумопеленгования, изменяет глубину своего погружения.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики, может быть использовано при решении задач обработки сигнала шумоизлучения объекта в гидроакустических системах, и предназначено для определения момента времени, когда подводный движущийся объект, наблюдаемый средствами шумопеленгования, совершает маневр по глубине своего погружения. Сущность: способ основан на приеме гидроакустического шумового сигнала объекта многоэлементной антенной с развитой апертурой в вертикальной плоскости, вычислении набора автокорреляционных функций сигнала на ряде последовательных интервалов времени, с последующим определением совокупности задержек по времени между парными лучами, которые проявляются как абсциссы локальных максимумов автокорреляционных функций. При реализации способа дополнительно опускают приемную антенну на глубину, заведомо превышающую максимально возможную глубину погружения исследуемого подводного объекта, а для определения маневра объекта по глубине используют анализ динамики задержки по времени между приходом пары не разрешимых по углу лучей. Технический результат: автоматическое определение момента изменения объектом глубины погружения и значительное уменьшение количества арифметических операций относительно способа-прототипа. Это позволит применять предлагаемый способ в условиях ограниченных вычислительных ресурсов и (или) при отсутствии человека-оператора, например на борту автономных необитаемых подводных аппаратов. 1 ил.

Способ получения информации о подводном шумящем объекте, в котором предварительно принимают гидроакустический шумовой сигнал многоэлементной антенной с апертурой в вертикальной плоскости, получают набор измеренных автокорреляционных функций сигнала на ряде последовательных интервалов времени, обнаруживают в каждой автокорреляционной функции совокупность локальных максимумов, и формируют из них двумерные массивы измеренных параметров, включающие в себя набор задержек каждых двух лучей и набор интенсивностей этих лучей, отличающийся тем, что опускают приемную антенну на глубину, заведомо превышающую максимально возможную глубину погружения исследуемого подводного объекта, после формирования двумерных массивов измеренных параметров фиксируют на текущий момент времени одну задержку из набора для тех двух лучей, интенсивность которых максимальна, сравнивают между собой задержки в каждый предыдущий и текущий моменты времени, принимают решение, что объект изменил глубину погружения, если задержка изменилась, или принимают решение, что объект сохранил глубину погружения, если задержка не изменилась.