Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта Российский патент 2024 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустики, и может быть использовано в задачах классификации режимов шумопеленгования гидроакустического комплекса (ГАК).

Акустическое поле морского объекта может быть представлено в виде суммы широкополосного шума, обладающего непрерывным спектром, и узкополосных дискретных составляющих (ДС). Широкополосные шумы вызываются, в основном, движителями морского 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 морского объекта, его скорости, глубины погружения. [Роберт Д. Урик. Основы гидроакустики // Л.: Судостроение. - 1978. - С. 350-359].

Одна из основных особенностей ГАК, обнаруживающих и классифицирующих морской объект, является его многоканальность. Объединение информации об объектах, одновременно наблюдаемых по нескольким каналам, обеспечивает повышение достоверности классификации морских объектов и точности определения их координат, параметров движения. В силу существующих различий алгоритмов и результатов первичной обработки информации в разнородных каналах наблюдения, комплексированию должны подвергаться результаты вторичной обработки информации.

Процедуры, реализуемые в процессе комплексной обработки информации (КОИ), должны обеспечивать повышение достоверности классификации целей и точности определения их координат по сравнению с достоверностью и точностью, реализуемыми по данным каждого из каналов наблюдения [Гриненков А.В., Машошин А.И., Силина Т.А. Опыт создания системы комплексной обработки информации гидроакустического комплекса // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: труды X всероссийской конференции: ГА-2010. СПб: Наука, 2010. С. 49-51].

Известен способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта [Знаменская ТК; АО «Концерн «Океанприбор». Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта. Патент №2801677 РФ, МПК G01S 3/80. №2022123375; Заявл. 31.08.2022; Опубл. 14.08.2023, Бюл. №23], который по технической сущности и количеству общих признаков наиболее близок к предлагаемому.

Способ-прототип содержит следующие операции:

- гидроакустической антенной режима шумопеленгования (ШП) принимают сигналы шумоизлучения морской цели;

- 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.

- 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 обнаруженных максимумов и их ширину а класс объекта определяют по обнаруженным ДС совместно с параметрами

Задачей изобретения является повышение достоверности классификации по одному каналу наблюдения за счет повышения достоверности идентификации между различными шумопеленгаторными режимами гидроакустического комплекса (ГАК).

Технический результат изобретения заключается в обеспечении повышения достоверности классификации за счет повышения достоверности идентификации между различными шумопеленгаторными режимами ГАК по спектру сплошной части спектра пересекающихся частотных диапазонов (ЧД) режима ШП1 и режима ШП2.

Для обеспечения указанного технического результата в способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, содержащий прием антенной первого режима шумопеленгования (ШП1) 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, 1/3 - октавный анализ сплошной части спектра (СЧС) объекта на текущий момент времени с помощью 1/3 октавных фильтров в заданном частотном диапазоне (ЧД). 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 и определяют класс морского объекта введены новые признаки, а именно: одновременно с приемом сигнала антенной 1.1 режима ШП1 осуществляют прием сигнала антенной 1.2 шумопеленгования второго режима шумопеленгования (ШП2) в пересекающемся ЧД с режимом ШП1, включающий преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, накопление полученных спектров мощности, сглаживание спектра по частоте, в пересекающихся ЧД, производят 1/3 - октавный анализ сплошной части спектра (СЧС) морского объекта на текущий момент времени с помощью 1/3 октавных фильтров. Для этого в каждой полосе пропускания 1/3 октавных фильтров режима ШП1 и режима ШП2, после процедуры накопления и сглаживания спектров вычисляют спектральный уровень сигнала текущего спектра путем суммирования частотных отсчетов, затем осуществляют межантенную обработку массивов третьоктавных частотных полос перекрывающихся ЧД режима ШП1 и режима ШП2, рассчитывают выборочный коэффициент корреляции r между массивом n отсчетов режима ШП1 и массивом n отсчетов режима ШП2

где

где - дисперсии выборки n отсчетов режима ШП1 и выборки n отсчетов режима ШП2 в перекрывающимся ЧД на текущий момент времени.

По величине коэффициента корреляции идентифицируют объекты, обнаруженные в режиме ШП1 и режиме ШП2, как один объект, а класс объекта определяют по совокупности параметров режима ШП1 и режима ШП2.

Сущность изобретения заключается в повышении достоверности классификации, за счет повышения достоверности идентификации между режимами шумопеленгования ГАК. Увеличение достоверности идентификации происходит за счет увеличения числа параметров, участвующих в идентификации режимов. Таким параметром является коэффициент корреляции между массивами третьоктавных частотных полос перекрывающихся ЧД режима ШП1 и режима ШП2.

Современный этап развития корабельных гидроакустических систем характеризуется созданием полностью комплексированных систем. Это выражается в наличии общих для всех трактов и подсистем ГАК процессоров первичной, вторичной обработки, а также пульта и системы управления. [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. «Корабельная гидроакустика». СПб. Наука. - 2004 г. - С. 165-167].

Сущность изобретения поясняется фиг 1, где приведена блок-схема устройства, реализующего способ с учетом возможностей построения современных полностью комплексированных гидроакустических систем.

Устройство содержит гидроакустическую антенну 1.1 режима ШП1 и гидроакустическую антенну 1.2 режима ШП2, которые соединены через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 2.1 и 2.2 с универсальной ЭВМ 3. В состав универсальной ЭВМ входят две ветви последовательно соединенных блоков 4.1, 5.1, 6.1, 7.1 и 4.2, 5.2, 6.2, 7.2, а также блок 8 вычисления коэффициента корреляции и блок 9 классификации. Блоки 4.1 и 4.2 - блоки быстрого преобразования Фурье БПФ, блоки 5.1 и 5.2 - блоки накопления, блоки 6.1 и 6.2 - блоки формирования частотных полос 1/3 октавных стандартных фильтров, блоки 7.1 и 7.2 - блоки вычисления уровней сигнала в 1/3 октавных полосах частот, а также блок 8 вычисления коэффициента корреляции и блок 9 классификации. Выходы блоков 7.1 и 7.2 соединены с входом блока 8 вычисления коэффициента корреляции, а выход блока 8 соединен с блоком 9 классификации. Выход блока 9 соединен с входом блока 10, в состав которого входят устройства управления 11.1 и 11.2 и дисплейные пульты 12.

Антенны 1.1 и 1.2 могут быть выполнены так, как это описано в книге [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб. Наука. - 2004. - С. 49-59].

Блоки 2.1 и 2.2 могут быть выполнены так, как это описано в [Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов: Справочник. - Радио и связь, 1985. - с. 91]. Универсальная ЭВМ 3 обладает способностью работать в реальном времени, возможностью перехода с одной задачи на другую, наличием гибкой адресации к памяти, большой скоростью обработки данных. [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб. Наука. - 2004. - с. 284]. Блоки 4.1 и 4.2 могут быть выполнены, как описано в книге [Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - Рипол Классик, 1978. - С. 633-640].

В блоках 5.1 и 5.2 накопления спектров определяется усредненный (накопленный) спектр мощности [Харкевич А.А. «Борьба с помехой», изд. Наука, Москва 1965. - С. 70-71]. Блоки 6.1, 6.2 формирования стандартных 1/3 -октавных фильтров и блоки 7.1, 7.2. вычисления уровней сигнала в 1/3 октавных полосах частот.[Колесников А.Е. Справочник по гидроакустике // Л.: Судостроение. - 1982. - с. 344], а коэффициент корреляции блока 8 может бать рассчитан по формулам книги [Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. - Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1968. - С. 217-219]. Блок 10 может быть выполнен так, как описан в книге [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб. Наука. - 2004. - С. 164-167].

Реализацию способа целесообразно описать на примере работы устройства фиг. 1. Сигналы S_i(t) приемных каналов антенны 1.1 режима ШП1 и антенны 1.2 режима ШП2 поступают на АЦП 2.1 и АЦП 2.2, сигналы S_i(k) из АЦП поступают в универсальную ЭВМ 3. Из блоков 4.1 и 4.2 БПФ в блоки 5.1 и 5.2 накопления спектров мощности и блоки 6.1 и 6.2 формирования 1/3 октавных частотных полос пересекающегося диапазона частот режима ШП1 и режима ШП2 поступают временные последовательности спектров мощности для накопления в третьоктавных полосах частот. Из блоков 6.1 и 6.2 в блоки 7.1 и 7.2 поступают спектры мощности в полосе 1/3 октавных фильтров после процедуры накопления (блоков 5.1 и 5.2) для вычисления n спектральных уровней сигнала путем суммирования к частотных отсчетов в 1/3 октавных полосах режима ШП1 и к частотных отсчетов в 1/3 октавных полосах спектральных уровней режима ШП2 В блоке 8 по n отсчетам и n отсчетам вычисляется коэффициент корреляции r, решение, что объекты, обнаруженные в режиме ШП1 и режиме ШП2, принадлежат одному объекту, принимается в том случае, если значение коэффициента корреляции является величиной значимой, то есть удовлетворяет неравенству , где значение определяется уровнем значимости и объемом выборки и определяется из электронной таблицы «квантили выборочного коэффициента корреляции ». [Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. - Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1968. - с. 220]. Это значит, что между наблюдаемыми величинами есть корреляция и корреляция будет тем сильнее, чем значительнее превышает и приближается к 1, а в качестве параметров классификации могут быть выбраны те, которые описаны в прототипе.

Информация от всех режимов ГАК поступает на общий пульт ГАК (блок 10), содержащий устройства управления 11.1 и 11.2, дисплейные пульты 12 и обслуживаемый одним оператором. [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб. Наука. - 2004. - С. 164-165].

Учитывая большой объем информации, перерабатываемый в КОИ, она должна работать автоматически, но под контролем оператора, который должен иметь возможность вмешиваться в работу КОИ путем отмены некоторых ее решений как недостаточно обоснованных.

В дополнение к автоматическому решению об идентификации объектов, обнаруженных в режимах ШП1 и ШП2, на дисплей из блока 9 классификации оператору в текущий момент времени выводятся массивы из n отсчетов режима ШП1 и n отсчетов режима ШП2УС_1/3 в третьоктавных полосах частот, при этом по оси абсцисс откладываются интервалы 1/3 октавных полос частот в центре с средне геометрической частотой, а по оси ординат значения Для наглядности полученные точки «n» отсчетов соединяются отрезками прямой. И благодаря фрагменту с гистограммами третьоктавных спектров СЧС режимов ШП1 и ШП2 оператор может вмешаться в процесс идентификации по параметру коэффициента корреляции по СЧС шупеленгаторных режимов.

Таким образом, технический результат, заключающийся в повышении достоверности идентификации, приводящий к повышению достоверности решения о классе объекта достигнут.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в задачах классификации для повышения достоверности класса морского объекта за счет повышения достоверности идентификации между различными шумопеленгаторными режимами ГАК. Для достижения повышения достоверности идентификации между массивами уровней сигнала третьоктавных частотных полос сплошной части спектра перекрывающихся частотных диапазонов режимов шумопеленгования гидроакустического комплекса ШП1 и ШП2 рассчитывают коэффициент корреляции. По величине коэффициента корреляции идентифицируют объекты, обнаруженные в режиме ШП1 и режиме ШП2, как один объект, а класс объекта определяют по совокупности классификационных параметров режима ШП1 и режима ШП2. 1 ил.

Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, содержащий прием антенной первого режима шумопеленгования (ШП1) 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, 1/3-октавный анализ сплошной части спектра (СЧС) объекта на текущий момент времени с помощью 1/3-октавных фильтров в заданном частотном диапазоне (ЧД), для чего в каждой полосе пропускания 1/3-октавных фильтров, после процедуры накопления и сглаживания спектров вычисляют спектральный уровень сигнала (YP1_1/3) текущего спектра путем суммирования частотных отсчетов, определяют положение максимумов в спектре заданного ЧД по превышению порога обнаружения уровнями сигнала в 1/3-октавных фильтрах и определяют класс морского объекта, отличающийся тем, что одновременно с приемом сигнала антенной 1.1 режима ШП1 осуществляют прием сигнала антенной 1.2 шумопеленгования второго режима шумопеленгования (ШП2) в пересекающемся ЧД с режимом ШП1, включающий преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, накопление полученных спектров мощности, сглаживание спектра по частоте, в пересекающихся ЧД производят 1/3-октавный анализ сплошной части спектра (СЧС) морского объекта на текущий момент времени с помощью 1/3-октавных фильтров, для этого в каждой полосе пропускания 1/3-октавных фильтров режима ШП1 и режима ШП2 после процедуры накопления и сглаживания спектров вычисляют спектральный уровень сигнала текущего спектра путем суммирования частотных отсчетов, затем осуществляют межантенную обработку массивов третьоктавных частотных полос перекрывающихся ЧД режима ШП1 и режима ШП2, рассчитывают выборочный коэффициент корреляции r между массивом n отсчетов режима ШП1 и массивом n отсчетов режима ШП2

,

где

где - дисперсии выборки n отсчетов режима ШП1 и выборки n отсчетов режима ШП2 в перекрывающемся ЧД на текущий момент времени, по величине коэффициента корреляции идентифицируют объекты, обнаруженные в режиме ШП1 и режиме ШП2, как один объект, а класс объекта определяют по совокупности параметров режима ШП1 и режима ШП2.