Способ пространственной обработки эхо-сигналов Советский патент 1993 года по МПК G01S7/36 

СО

С

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано, когда обьект активной гидролокации является источником интенсивных шумовых помех, маскирующих эхо-сигналы. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости гидролокатора в условиях интенсивного шумоизлуче- ния лоцируемой цели. На выходах компенсаторов лучей производится взвешенное когерентное суммирование шумовых помех цели и эхо-сигналов и фильтрация результата когерентного суммирования скалярным фильтром, а затем вычитания результата фильтрации из результата когерентного суммирования эхо- сигналов, 2 ил.

Изобретение относится к области гидролокации и может быть использовано когда объект активной гидролокации является источником интенсивных шумовых помех, маскирующих эхо-сигналы.

Известны способы пространственной обработки сигналов в поле распределенной и локальной помех.

Наиболее близким по технической сущности является способ пространственной обработки сигналов, заключающийся в обелении входного процесса по распределенной помехе и компенсации антенной решетки в направлении на цель.

Недостаток известного решения - невозможность пространственной фильтрации локальной помехи, создаваемой шумоизлучением лоцируемой цели, т.к. не учитываются отличия фазовых структур эхо- сигналов и шумовых помех цели (в дальнейшем - локальных помех), обусловленных различной природой источников формирования первичного и вторичного акустических полей.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости гидролокатора в условиях интенсивного шумоизлучения лоцируемой цели.

Это достигается путем учета отличий фазовых структур эхо-сигналов и локальных помех в угломестной плоскости.

В реальных условиях многолучевого распространения каждый луч, приходящий в пространство приемной антенной решетки, в общем случае содержит энергию как эхо-сигнала, так и локальной помехи.

Матрицы МхМ взаимной спектральной плотности мощности эхо-сигналов определяется выражением

ю о о о

GJ

СО

Gs( Одз) gsi( wo)Ls( WO)( (Jk),

0)

где Ц(УО) 2 )U(Uo )exp(-i(y Tsii + psn)}

I 0

(2) Gsl(%)-Vgsi.(ab)/g,l(Mo) (1)

Li( ttfe)-1 вектор, составленный из М компонент Фурье - изображений exp(-l ЮсДгп) временных задержек процессов на элемен- тах антенной решетки, где т G(0,m-1) - порядковый номер элемента антенной решетки

5i(-)sln«j

С

d - межэлементное расстояние;

С - скорость звука;

угол места прихода 1-го луча: I €(, I)

9si( ftfc) - спектральная плотность мощности (СПМ) эхо-сигнала, принимаемого по лучу;

Wo - фиксированная частота;

г8ц- временная задержка 1-го луча относительно первого, принятого в качестве опорного (наиболее интенсивный луч);

psii - дополнительный фазовый сдвиг эхо-сигнала 1-го луча относительно опорного.

Индексы () и (Т) обозначают операции комплексного сопряжения и транспонирования соответственно.

Матрица МхМ взаимной спектральной плотности мощности локальной помехи определяется выражением

Т

Gp(%) gpi(afc)Lp( ftte)LP (ub),

гда-Мв)- ip fflbMaikOexpKfflbrpii +ft,ii 40 ОЬГр11 + 1I

o

CPi(ftfe) («o)/gPi (WQ)

gpt( (Oo) -спектральная плотность мощ- нести локальной помехи, принимаемой по i-му (i S(1,1) лучу;

Tpii, pii - временная задержка и дополнительный фазовый сдвиг локальной помехи 1-го луна относительно первого со- ответственно.

Величины LI( со) и аь были определены ранее.

Матрица МхМ взаимной спектральной плотности мощности распределенной помехи определяется выражением

Gn() gn(ftA)No(uA) ,

где gn(ftb} - спектральная плотность мощности распределенной помехи,

Np( ufc) - нормированная МхМ матрица взаимной спектральной плотности мощно- сти распределенной помехи (tr{N0( ufe)}}.

Рассмотрим ситуацию, когда локальная помеха преобладает, т.е.

10

-ЯЙ-fel

gn

(8)

Для упрощения записи аргумент о)о частоты опустим.

Комплексная частотная характеристика (КЧХ) оптимального многомерного пространственного фильтра, максимизирующего выходное отношение сигнал/помеха в поле распределенной и локальной помех, определяется выражением

-1

Ho-N0 4Ls-hpLp}

ГО

Ор11 ТГС1Ц

Тк,-1|

комплексгде hp

Qn+gpiLp N Lp

ная частотная характеристика скалярного фильтра.

Подставляя в формулу (8) соответствующие выражения (1)-(7), с учетом (8) получаем

Ho-No 1{ 2CSiLiexp() - 1 - 1

35 -hp i CpiLiexp(-jA€Vii )}

где Д6И| -ftfoTsii +y%n

40 ОЬГр11 + 1I

2 Cpi Csi exp {j A€hi}

hp

1 1

45

50

i с2р, 1

Д011 Д011-Д©Ы|

(Ю)

(11)

(12)

(13)

(14)

50

55

Формула (10) определяет способ оптимальной пространственной обработки эхо-сигналов в условиях интенсивного шу- моизлучения цели, который заключается в;

- обелении входного процесса по распределенной помехе (обращение матрицы No и умножение на вектор входной временной выборки спектральных отсчетов, снятых с элементов антенной решетки);

- компенсации антенной решетки в уг- ломестной плоскости для приема I лучей

(скалярное умножение обеленного процесса на векторы-столбцы LI, i Е(1,1));

- когерентном суммировании эхо-сигналов и локальных помех на выходах компенсаторов лучей (параллельное скалярное умножение на коэффициенты Csiexp{-j Д и Cpiexp{-J с последующим суммированием однородных ветвей;

.- вычислении составляющей локальной помехи, которая содержится в результате когерентного суммирования эхо-сигналов (фильтрация результата когерентного суммирования локальной помехи фильтром с комплексной частотной характеристикой

hp); :

-компенсации локальной помехи (вычитание из результата когерентного суммирования эхо-сигналов выходного эффекта фильтра с КЧХ hp).

Предлагаемый способ может быть реа лизован с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 1, где использованы следующие обозначения:

1 - антенная решетка,

2 - блок обеления входного процесса по распределенному шуму;

6, 7 - сумматоры;

8 - фильтр с комплексной частотной ха- рактеристикой hp;

9-.вычитающее устройство.

Оценка величин А Ори производится на момент приема эхо-сигналов, когда последние заведомо отсутствуют.

Оценка величин A6fen возможна, путем максимизации результата когерентного суммирования эхо-сигналов при переборе возможных значений фазовых задержек { A Gtii}, отличных от соот- ветствующих задержек AGpu локальных помех.

Коэффициент помехоустойчивости алгоритма оптимальной пространственной обработки (9) определяется формулой

Q - - - (15)

Первое слагаемое в выражении (15) есть коэффициент помехоустойчивости антенной решетки в поле только распределенной помехи, а второе - определяет величину ухудшения помехоустойчивости в результате воздействия локальной помехи.

Нормируем коэффициент помехоустойчивости (15) к коэффициенту помехоустойчи- вости антенной решетки в поле распределенной помехи.

В результате получим

Q -1 -h

L TNr1U

(16)

Подставляя в формулу (16) соответствующие выражения (1)-{7) с учетом (8). получим

- I hp I

2CJ5I 2 1 1

ici,

(17)

I 1

Интенсивность принимаемого эхо-сигнала и локальной помехи 1-го луча могут быть вычислены по формулам

Pir RilO-°-2 rl+Afi ZAfi

lsi ----------тг-.-----(18) (ПЮ3)4

Pg.

П fS(nio3)2

09)

где Po - давление зондирующего сигнала на оси характеристики направленности, Па;

г0 1 м - условное расстояние;

/3 - коэффициент потерь при распространении, дБ/км;

fo - рабочая частота, кГц;

п - показатель степени при частоте в функции спектральной плотности мощности локальной помехи;

Рш - давление локальной помехи в полосе приема, приведенное к расстоянию 1 м от цели, Па;

Ал - значение фактора аномалии 1-го луча.

Если расстояние п, пробегаемые 1-ми лучами примерно одинаковы, и отличием потерь на распространение различных лучей можно пренебречь, то отношение ин- тенсивностей эхо-сигналов и локальных помех 1-го и j-ro лучей будет равно

Isi Afi

tsjAfj

Ipl Afi

IpjAfj

(20)

(21)

Поскольку интенсивность Ui эх.о-сигна- лов и локальных помех i-ro луча пропорциональны соответствующим спектральным плотностям мощности, то на основании выражений (3) и (6), с учетом (20) и (21), получаем

i-ят;-

(22)

г , Csl

СР|

Afj

(23)

Для варианта двухлучевого распространения, т.е. I 2. Подставляя выражения (22) и (23) в (17), с учетом (13), получаем

о Arc

(1 -cos A©12)

Y1 + Af2 У v Afi

(24)

На фиг. 2 представлены зависимости нормированного коэффициента Q (i-2) по отношению Af2/Afi факторов аномалии для различных значений фазового сдвига Д012 , построенные в соответствии с формулой (24), в логарифмическом масштабе, Анализ графиков показывает, что при

Формулаизобретения

Способ пространственной обработки эхо-сигналов, заключающийся в обелении входного процесса по распределенному шуму и компенсации антенной решетки в угло- местной плоскости для приема l-лучей, о т- личающийс я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости в условиях интен- сивного шумоизлучения лоцируемой цели, дополнительно на выходах компенсаторов лучей производят взвешенное когерентное суммирование шумовых помех цели и эхо- сигналов, осуществляют фильтрацию ре- зультата когерентного суммирования шумовых помех цели скалярным фильтром с комплексной частотной характеристикой hp и вычитают результат фильтрации из результата когерентного суммирования эхо- сигналов, при этом весовые коэффициенты при когерентном суммировании шумовых помех и эхо-сигналов, принимаемых по 1-му

А 012 гс ± 2к (к 0,1,...) и Af2/Af 1 1 помехоустойчивость предлагаемого способа пространственной обработки максимальна и локальная помеха компенсируется полностью. При других соотношениях соответствующих параметров действие локальной помехи приводит к определенным потерям. В наиболее неблагоприятной ситуации ( А©12 я±2к (к 0,1,..,) помехоустойчивость предлагаемого способа равна помехоустойчивости известного технического решения.. .

Таким образом, введение операций ко- герентного суммирования эхо-сигналов и локальных помех на выходах компенсаторов лучей; вычисления составляющей локальной помехи, содержащейся в результате когерентного суммирования эхо- сигналов и последующего вычитания этой составляющей из результата когерентного суммирования эхо-сигналов, - позволяет существенно повысить помехоустойчивость системы пространственной обработки гид- ролокатора в условиях интенсивного шумо- излучения дели.

(1 1,1) лучу, определяют соответственно по формулам

Csi VgSi/gsi ;

Cpi Vcjpi/gpi ,

где gsi, Qpi - спектральные плотности мощности эхо-сигналов и шумовых помех цели .соответственно на фиксированной частоте, а комплексная частотная характеристика скалярного фильтра определяется выражением

I. Cpi CS| ехр {I (А ©ц - A ©su)}

По

I 1

2 Cjii

где А Он, A ©sii - фазовые набеги шумовых помех и эхо-сигналов 1-го луча относительно опорного на фиксированной частоте.

Составитель А, Зарубин Редактор В. Трубченко Техред М. МоргенталКорректор С.Патрушева

Заказ 446Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва. Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101