Способ определения координат шумящих объектов с использованием вертикально развитых опускаемых разворачивающихся звукопрозрачных антенн гидроакустических комплексов Российский патент 2024 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для пассивного определения координат приповерхностного шумящего в море объекта (ШО) в условиях существования дальних зон акустической освещенности (ДЗАО), а именно: направления движения ШО, скорости взаимного изменения расстояния между носителем приемной антенны гидроакустического комплекса (ГАК) и ШО, а также дистанции до ШО.

Известен способ измерения дистанции, в соответствии с которым с помощью автокорреляционной функции сигнала можно определить расстояние до ШО в пассивном режиме при многолучевом распространении в ближней зоне акустической освещенности. По этому способу звуковой сигнал принимают антенной, не имеющей направленности в вертикальной плоскости и не различающей углы прихода сигнала, но различающей время межлучевого запаздывания сигнал. Широкополосный сигнал с выхода приемной антенны подают на коррелятор, вычисляют автокорреляционную функцию принимаемого многолучевого сигнала, выделяют корреляционный максимум, измеряют время межлучевой задержки между приходом сигналов и вычисляют разность длин двух траекторий лучей по известной скорости звука, вычисляют горизонтальное расстояние до ШО по вычисленной разности длин траекторий, известной глубине моря и глубине погружения приемной антенны [Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. - Пер. с англ. Л.: Судостроение. - 1988. - С. 377.].

Недостаток способа заключается в том, что он не учитывает влияния вертикальной рефракции звука и чрезвычайно сильно зависит от фактических гидроакустических условий и возможности прогноза тонкой многолучевой структуры (с точностью до фазы сигнала) и не позволяет получить сведений о скорости ШО.

Известен способ измерения дистанции до надводного шумящего объекта [Лободин И.Е., Машошин А.И.; АО «Концерн «Центральный Научно-исследовательский институт «Электроприбор». Способ определения дистанции до надводного корабля в условиях дальних зон акустической освещенности. Патент №2782619 РФ, МПК G01S 11/14; G01S 3/80; G06F 7/00. №2022112808; Заявл. 12.05.2022; Опубл. 31.10.2022, Бюл. №31]. В данном способе после измерения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ), производят расчет элементов звукового поля и формируют, по результатам расчета, характеристики направленности (ХН) антенны в вертикальной плоскости, в момент обнаружения приемной антенной сигнала от цели производят измерение уровня сигнала и ширины отметки от цели, измеряют угол в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала, с использованием лучевой программы расчета поля источника акустического сигнала вычисляют дистанции от приемной антенной ГАК до ближней и дальней границ каждой i-ой ДЗАО, путем сопоставления дистанции до ШО, определенной по уровню и ширине отметки сигнала, с рассчитанными границами каждой i-ой ДЗАО, определяют номер ДЗАО, в которой находится цель, по знаку угла в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала определяют дистанцию до ШО, на момент изменения знака угла в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала ШО на противоположный уточняют дистанцию ШО.

Одним из недостатков данного способа является относительно низкая точность определения дистанции до ШО в условиях ДЗАО. Предельная погрешность, измерения дистанции данным способом, составила около 5% от дистанции при правильном определении номера ДЗАО. Так же при помощи данного метода невозможно определить скорость взаимного изменения расстояния между приемной антенной ГАК и ШО.

Наиболее близким аналогом по количеству общих признаков и решаемым задачам к предлагаемому изобретению является способ пассивного определения координат ШО [Баронкин В.М., Галкин О.П., Гладилин А.В., Микрюков А.В., Попов О.Е.; АО «Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева». Способ пассивного определения координат шумящего в море объекта. Патент №2602732 РФ, МПК G01S 3/80. №2015125043/28; Заявл. 25.06.2015; Опубл. 20.11.2016, Бюл. №32], который принят за прототип.

Способ по патенту №2602732 включает:

формирование ХН в вертикальной плоскости;

прием сигналов от ШО в ХН сформированных в вертикальной плоскости;

- измерение углов прихода сигнала с максимальным отношением сигнал/помеха, распространяющихся по отдельным лучевым траекториям (не менее двух) в вертикальной плоскости;

- выполнении взаимного корреляционного анализа между сигналами, обнаруженными, в разных ХН;

- измерение разности времен распространения сигнала по положению максимума взаимнокорреляционной функции на временной оси;

- измерение ВРСЗ в воде;

- расчет лучевых траекторий прихода сигналов ШО в вертикальной плоскости для измеренного ВРСЗ, текущей глубины приемной антенны ГАК и углов прихода сигналов;

- расчет разности времен распространения сигнала в каждой точке пересечения траекторий для всех пар лучей;

- сравнение измеренных и рассчитанных разностей времен распространения для всех пар лучей;

- определение координат ШО по точке пересечения лучевых траекторий, для которой оказываются наиболее близкими измеренные и рассчитанные значения разностей времен распространения для всех пар лучей.

Развитая в вертикальной плоскости приемная антенна ГАК, позволяет сформировать в вертикальный плоскости веер ХН, в котором часть ХН будет сориентирована в сторону поверхности, а часть в сторону дна. ХН узкие и избирательны по углам приема, что обеспечивает высокую помехоустойчивость и, следовательно, большую дальность обнаружения.

Кроме того, ориентация ХН в пространстве на углы приема в диапазоне от -20° до +20° относительно горизонта позволяет перекрыть практически весь сектор приема водных и поверхностных лучей практически во всех типах гидроакустических условий и осуществить оптимальный прием, с точки зрения помехоустойчивости, каждой группы лучей.

Но определение координат ШО способом-прототипом требует очень точного измерения углов прихода лучей. Погрешность измерения углов прихода лучей приводит к ошибкам в расчете лучевых траекторий и определении точек их пересечения, что приводит к ошибкам определения координат шумящего в море объекта. Кроме того, в случае приема трех и более лучей, а также при измерении углов их прихода с некоторой погрешностью, лучи будут пересекаться не в одной точке, а в некоторых компактных областях. Чем дальше область пересечения лучей от приемной антенны, тем больше площадь данной области [Бородин В.В. Потенциальная точность определения положения источника звука в волноводе // Вопросы судостроения. Сер. Акустика. - 1983. - №16. - С. 88-103]. Относительная погрешность определения дистанции до ШО способом-прототипом составляет около 10%.

Таким образом, недостатком способа-прототипа является относительно низкая точность определения координат ШО, связанная с невозможностью обеспечить высокую точность измерения углов прихода лучей. Кроме того, использование временных задержек не во всех условиях позволяет устранить неоднозначность определения координат ШО.

Задача изобретения - повышение эксплуатационных характеристик ГАК, с вертикально развитыми антеннами, в том числе с опускаемыми разворачивающимися звукопрозрачными антеннами, которые не занимают много места на носителе, а при их установке в рабочее положение имеют большие вертикальные размеры.

Техническим результатом является повышение точности определения координат и параметров движения обнаруженных приповерхностных ШО в условиях дальних зон акустической освещенности. Приповерхностными ШО в данном случае являются надводные корабли, которые обнаруживаются современными гидроакустическими комплексами вплоть до 5-7 ДЗАО, находящимися на дистанции 300-500 км.

Для достижения данного технического результата в способ пассивного определения координат ШО, включающий формирование характеристик направленности (ХН) в вертикальной плоскости, прием ГАК сигналов ШО ХН сформированными в вертикальной плоскости, измерение ВРСЗ в воде, расчет лучевых траекторий прихода сигналов ШО в вертикальной плоскости для измеренного ВРСЗ, текущей глубины приемной антенны ГАК и углов прихода сигналов, введены новые признаки, а именно: с использованием значения скорости звука (c_r) на горизонте приема и максимальной скорости звука (c_{max n}) в слое между горизонтом приема сигнала и поверхностью моря рассчитывают симметричные углы прихода лучей в вертикальной плоскости, выходящих к поверхности моря (±ϕ_n) при помощи формулы:

по значению скорости звука (с_∂) у дна и на горизонте приема (c_r) рассчитывают симметричные углы прихода лучей в вертикальной плоскости выходящих ко дну моря (±ϕ_∂) при помощи формулы:

рассчитывают дистанцию от приемной антенны до ближней (R_i1, R_i3) и дальней границ (R_i2, R_i4) нижней и верхней полузон каждой i-ой ДЗАО по траекториям лучей, соответственно, семейства лучей «НН» - вышедших из источника вниз и пришедших снизу под углом -ϕ_n (R_il), семейства лучей «ВН» - вышедших вверх и пришедших к приемнику снизу под углом -ϕ_∂ (R₁₂), семейства лучей «НВ» - вышедшие из источника вниз и пришедшие к приемнику сверху +(ϕ_n (R_i3), и семейства «ВВ» - вышедшего вверх и пришедшего сверху под углом +ϕ_∂ (R_i4), рассчитывают ширину нижней (ΔR_iДЗАОн) и верхней (ΔR_iДЗАОв) полузон каждой i-ой ДЗАО по формулам:

рассчитывают горизонтальное расстояние (r₁), прошедшее лучом, вышедшим с горизонта расположения приемной антенны ГАК вверх под углом +(ϕ_n в вертикальной плоскости и вернувшемуся на этот горизонт под углом +ϕ_n, формируют ХН развернутые в вертикальной плоскости под углами ±ϕ_n и ±ϕ_∂, обнаруживают в этих ХН сигналы ШО приходящие по лучевым траекториям семейств лучей «НН», «ВН», «НВ», «ВВ», измеряют моменты времени обнаружения (t_HHoб, t_BHoб, t_HBoб, t_BBoб) и потери (t_HHnom, t_BHnom, t_HBnom, t_BBnom)) этих сигналов, принимают решение, что ШО удаляется если первым обнаружен сигнал ШО под углом -ϕ_n, распространяющийся по лучу семейства «НН» и обнаруженный в момент времени t_HHоб, принимают решение, что ШО приближается если первым обнаружен сигнал ШО под углом +ϕ_∂, распространяющийся по лучу семейства «ВВ» и обнаруженный в момент времени t_BBoб, определяют скорость взаимного изменения расстояния между приемной антенной ГАК и ШО (V_ВИР) по разности времен обнаружения сигналов в ХН развернутых симметрично в вертикальной плоскости под углами ±ϕ_n, и по рассчитанному горизонтальному расстоянию r₁, при удалении ШО (V_ВИРу) по формуле:

при приближении ШО (V_ВИРп) по формуле:

определяют ширину нижней (ΔR_дзаон) и верхней полузон (ΔR_ДЗАОв), в которой находится ШО, по скорости взаимного изменения расстояния и измеренному времени обнаружения (потери) сигнала в ХН сформированных под углами ±ϕ_n и ±ϕ_∂ при удалении ШО по формулам

при приближении ШО по формулам

определяют номер i-ой ДЗАО путем сопоставления измеренной и расчетной ширины полузон, определяют начальную дистанцию (R_нач) по рассчитанным дистанциям R_i1, R_i3, R_i2, R_i4 до границ нижней и верхней полузон i-ой ДЗАО и радиальной скорости движения ШО, вычисляют текущую дистанцию до ШО (R_meк) на текущий момент времени (t_meк), при удалении ШО по формуле:

при приближении ШО по формуле

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в отличие от способа-прототипа, не требуется измерение углов прихода лучей с высокой точностью, а также измерения разности времен прихода сигналов по парным лучам, так как он основан на измерении времени обнаружения (потери) сигнала на симметричных углах отрыва лучей от поверхности моря, которые определяются при расчете элементов звукового поля после измерения ВРСЗ. Предельная погрешность измерения дистанции предлагаемым способом определяется погрешностью расчета траекторий лучей и составляет 2%. Это. позволяет считать задачу изобретения решенной.

Сущность предлагаемого пространственно-лучевого метода определения координат ШО поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлен пример траекторий лучей распространяющихся по семействам «НН», «ВН», «НВ», «ВВ» формирующих первую и вторую ДЗАО. Обозначены горизонтальные расстояния, проходимые лучами этих семейств (R_HH, R_BH, R_HB, R_BB), расположение шумящего объекта H_s и приемной антенной ГАК Н_r, а также номера дальних зон акустической освещенности. На фиг. 2 приведена зависимость от дистанции углов прихода сигналов, распространяющихся по этим семействам лучей от приповерхностного ШО из первой и второй ДЗАО, показывающая разделение ДЗАО в вертикальной плоскости на две полузоны (нижнюю и верхнюю). Обозначены расстояния R_i1, R_i2, R_i3, R_i4 от носителя ГАК до границ нижней и верхней полузон ДЗАО. [Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики / Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1978, 177 с].

Способ основан на использовании известных физических явлений возникающих при канальном распространении сигнала от приповерхностного ШО в результате рефракции [Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Акустика океана. В кн. Океанология. Физика океана. - Т 2. Гидродинамика океана // М: Наука. - 1978. - 456 с; Дж, Урик Роберт Основы гидроакустики / Пер. с англ. - Л.: Судостроение. - 1978. - 177 с] и реализуется следующим образом.

В пределах каждой ДЗАО существует неизменный пространственный интервал между лучами, приходящими в точку приема под симметричными (положительном и отрицательном) углами в вертикальной плоскости, а протяженность зоны контакта с целью изменяется пропорционально номеру ДЗАО. Следовательно, при взаимном перемещении ШО и приемной антенной ГАК существует изменение углового спектра гидроакустического сигнала в вертикальной плоскости, а распределение интенсивности сигнала от ШО в вертикальной плоскости в условиях ДЗАО определяется двумя направлениями (Фиг. 1, 2), на которых фиксируется максимальное количество наиболее мощных лучей.

После измерения ВРСЗ определяют углы прихода симметричных в вертикальной плоскости лучей касающихся поверхности и дна моря, формируется вертикальный веер ХН, ориентированных на эти углы.

При обнаружении сигнала от ШО измеряют моменты времени обнаружения и потери сигналов, а по углу ХН обнаружения сигнала принимают решение, о направлении движения шумящего объекта. При этом принимают решение, что ШО приближается, если первым обнаружен сигнал под положительным углом в вертикальной плоскости +ϕ, принимают решения, что ШО удаляется, если первым обнаружен сигнал под отрицательным углом в вертикальной плоскости -ϕ (Фиг. 1, 2). Измерив, разность моментов времени обнаружения (потери) под симметричными углами относительно горизонтальной плоскости сигналов, распространяющихся по семействам лучей «ВН» и «НН» либо «ВВ» и «НВ» и рассчитав горизонтальное расстояние (r₁), проходимому лучом, вышедшим с горизонта приемника под углом вверх и вернувшимся на этот горизонт сверху определяют скорость взаимного изменения расстояния между ШО и носителем ГАК по формуле (5, 6).

По времени обнаружения (потери) сигнала в ХН сформированных под углами ±ϕ_n и ±ϕ_∂ (Фиг. 2) измеряем ширину нижней и верхней полузоны (формула 7-10). Путем сопоставления измеренной и рассчитанной ширины полузон определяют начальную дистанцию до ШО и номер ДЗАО.

По рассчитанным дистанциям R_i1, R_i2, R_i3, R_i4 до границ нижней и верхней полузон ДЗАО и радиальной скорости движения ШО, вычисляют текущую дистанцию до ШО (формула 11, 12).

Предложенный способ, в отличие от способа-прототипа, не требует измерения углов прихода лучей с высокой точностью, а также измерения разности времен прихода сигналов по парным лучам, так как он основан на измерении времени обнаружения (потери) сигнала на симметричных углах отрыва лучей от поверхности моря, которые определяются при расчете элементов звукового поля после измерения ВРСЗ.

Способ может быть реализован при помощи опускаемой разворачивающейся гидроакустической антенны. Данный тип антенн имеет малые размеры в сложенном состоянии, а при постановке позволяет получить развитую в вертикальной плоскости антенну ГАК. Антенну можно реализовать при помощи модулей [Смарышев М.Д., Черняховский А.Е., Иванов A.M., Шатохин А.В., Селезнев И.А., Никандров В.А., Маляров K.B., Барсуков Ю.В.; ОАО «Концерн «Океанприбор». Антенный модуль с цифровым выходом. Патент №2539819 РФ, МПК H04R 1/44. №2013147542/28; Заявл. 24.10.2013; Опубл. 27.01.2015, Бюл. №3], а формирование статического многоярусного веера характеристик направленности в вертикальной плоскости может быть выполнено согласно [Баскин В.В., Гришман Г.Д., Казаков М.Н., Криницкий A.M., Леоненок Б.И., Смарышев М.Д.; ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт «Морфизприбор». Способ формирования частотно-независимой характеристики направленности рабочим сектором многоэлементной гидроакустической приемной круговой антенны. Патент №2293449 РФ, МПК H04R 1/44, G01S 15/02. №2005113363/09; Заявл. 03.05.2005; Опубл. 10.02.2007, Бюл. №4].

Гидроакустические измерители скорости звука в воде являются известными устройствами, они серийно выпускаются и устанавливаются совместно с гидроакустической аппаратурой [Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирование акустических полей в океане. - СПб.: Наука. - 2003. - С. 169-227].

Расчет элементов звукового поля источника акустического сигнала для текущих гидроакустических условий и текущей глубины носителя ГАК может быть выполнен по известным программам [Авилов К.В., Добряков Н.А., Попов О.Е. Комплекс программных средств для вычисления звуковых полей в морской среде, неоднородной по глубине и трассе // Доклады X научной школы-семинара академика ЛМ Бреховских «АКУСТИКА ОКЕАНА», СОВМЕЩЕННОЙ С XIV сессией Российского акустического общества. - М.: ГЕОС.- 2004. -С. 27-30].

Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для пассивного определения координат приповерхностного шумящего в море объекта (ШО) в условиях существования дальних зон акустической освещенности (ДЗАО), а именно: направления движения ШО, скорости взаимного изменения расстояния между носителем приемной антенны гидроакустического комплекса (ГАК) и ШО, а также дистанции до ШО. Технический результат: повышение точности определения координат обнаруженных ШО в условиях дальних зон акустической освещенности. Сущность: определяются углы прихода симметричных в вертикальной плоскости лучей, касающихся поверхности и дна моря, формируется вертикальный веер ХН, ориентированных на эти углы, и измеряются моменты времени прихода симметричных в вертикальной плоскости лучей. При обнаружении сигнала от ШО измеряют моменты времени обнаружения и потери сигналов, а по углу ХН обнаружения сигнала принимают решение о направлении движения шумящего объекта. Измерив разность моментов времени обнаружения (потери) под симметричными углами относительно горизонтальной плоскости сигналов, распространяющихся по семействам лучей «НН» и «ВН» либо «НВ» и «ВВ», и рассчитав горизонтальное расстояние, проходимое лучом, вышедшим с горизонта приемника под углом вверх и вернувшимся на этот горизонт сверху, определяют скорость взаимного изменения расстояния между ШО и приемной антенной ГАК. По времени обнаружения (потери) сигнала в ХН, сформированных под симметричными углами, измеряют ширину нижней и верхней полузон ДЗАО. Путем сопоставления измеренной и рассчитанной ширины полузон определяют номер ДЗАО и начальную дистанцию до ШО в момент его обнаружения. По начальной дистанции и радиальной скорости движения ШО вычисляют текущую дистанцию до ШО. 2 ил.

Способ пассивного определения координат шумящего объекта (ШО) в условиях дальних зон акустической освещенности (ДЗАО) с использованием приемной антенны гидроакустического комплекса (ГАК), развитой в вертикальном направлении, включающий формирование характеристик направленности (ХН) в вертикальной плоскости, прием ГАК сигналов ШО ХН, сформированными в вертикальной плоскости, измерение вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в воде, расчет лучевых траекторий прихода сигналов ШО в вертикальной плоскости для измеренного ВРСЗ, текущей глубины приемной антенны ГАК и углов прихода сигналов, отличающийся тем, что с использованием значения скорости звука (c_r) на горизонте приема и максимальной скорости звука (c_{max n}) в слое между горизонтом приема сигнала и поверхностью моря рассчитывают симметричные углы прихода лучей в вертикальной плоскости, выходящих к поверхности моря (±ϕ_n), при помощи формулы:

по значению скорости звука (с_∂) у дна и на горизонте приема (c_r) рассчитывают симметричные углы прихода лучей в вертикальной плоскости, выходящих ко дну моря (±ϕ_∂), при помощи формулы:

рассчитывают дистанцию от приемной антенны до ближней (R_i1) и дальней границ (R_i2, R_i4) нижней и верхней полузон каждой i-й ДЗАО по траекториям лучей, соответственно, семейства лучей «НН», излученных ШО вниз и пришедших к приемной антенне снизу под углом -ϕ_n, (R_i1), семейства лучей «ВН», излученных ШО вверх и пришедших к приемной антенне снизу под углом ϕ_∂ (R_i2), семейства лучей «НВ», излученных ШО вниз и пришедших к приемной антенне сверху под углом +ϕ_n (R_i3), и семейства лучей «ВВ», излученных ШО вверх и пришедших сверху под углом +ϕ_∂ (R_i4), рассчитывают ширину нижней (ΔR_iДЗАОн) и верхней (ΔR_iДЗАОв) полузон каждой i-й ДЗАО по формуле:

ΔR_iДЗАОв=R_i2-R_i1;

рассчитывают горизонтальное расстояние (r₁), прошедшее лучом, вышедшим с горизонта расположения приемной антенны ГАК вверх под углом ϕ_n в вертикальной плоскости и вернувшимся на этот горизонт под углом +ϕ_n, формируют ХН, развернутые в вертикальной плоскости под углами ±ϕ_n и ±ϕ_∂, обнаруживают в этих ХН сигналы ШО, приходящие по лучевым траекториям семейств лучей «НН», «ВН», «НВ», «ВВ», измеряют моменты времени обнаружения (t_ННоб, t_BНоб, t_HBoб, t_BВоб) и потери (t_HHпот, t_НHпот, t_HBпот, t_BBпот) этих сигналов, принимают решение, что ШО удаляется, если первым обнаружен сигнал ШО под углом -ϕ_n, распространяющийся по лучу семейства «НН» и обнаруженный в момент времени t_HHoб, принимают решение, что ШО приближается, если первым обнаружен сигнал ШО под углом +ϕ_∂, распространяющийся по лучу семейства «ВВ» в момент времени t_BBоб, определяют скорость взаимного изменения расстояния (V_вир) между приемной антенной ГАК и ШО по разности времен обнаружения сигналов в ХН, развернутых симметрично в вертикальной плоскости под углами ±ϕ_n и по рассчитанному горизонтальному расстоянию r₁, и рассчитывают V_ВИРу при удалении ШО по формуле:

при приближении ШО (V_ВИРп) по формуле:

определяют ширину нижней (ΔR_ДЗАОн) и верхней полузон (ΔR_ДЗАОв), в которой находится ШО, по скорости взаимного изменения расстояния и измеренному времени обнаружения (потери) сигнала в ХН, сформированных под углами ±ϕ_n и ±ϕ_∂ при удалении ШО, по формулам:

ΔR_ДЗАОн=V_ВИРу(t_ВВобн-t_ННпот);

ΔR_ДЗАОв=V_ВИРу(t_ВВобн-t_ННпот),

при приближении ШО по формулам:

ΔR_ДЗАОн=V_ВИРп(t_HHобн-t_BНпот);

ΔR_ДЗАОв=V_ВИРп(t_HВобн-t_BBпот),

определяют номер i-й ДЗАО путем сопоставления измеренной и расчетной ширины полузон, определяют начальную дистанцию до ШО (R_нaч) по рассчитанным дистанциям R_i1, R_i3, R_i2, R_i4 до границ нижней и верхней полузон i-й ДЗАО и радиальной скорости движения ШО, вычисляют текущую дистанцию до ШО (R_тeк) на текущий момент времени (t_тeк), при удалении ШО, по формуле

R_тeк⁼R_нач+(t_тек × V_ВИРу);

при приближении ШО по формуле

R_тeк⁼R_нач - (t_тек × V_ВИРу).