СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО ПРИЕМА ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Советский патент 2007 года по МПК G01S7/52 

Изобретение относится к технической гидроакустике, а более конкретно, к области приема гидроакустических сигналов с помощью гибких протяженных буксируемых антенн (ГПБА), выполняемых в виде дискретных эквидистантных антенных решеток, обеспечивающих прием и пространственную обработку сигналов на низких звуковых и инфразвуковых частотах.

В отечественной и зарубежной практике для гидроакустики развивается направление, связанное с созданием гидроакустических станций (ГАС) шумопеленгования с гибкими протяженными буксируемыми антеннами для подводных лодок и надводных кораблей. Такие ГАС имеют ряд преимуществ, важнейшее из которых - возможность реализации антенн большой апертуры для обнаружения сигналов на низких частотах. Поэтому совершенствование приема сигналов с помощью ГПБА является актуальной задачей.

Способ-аналог направленного приема гидроакустических сигналов описан в работе: А.А.Гурвич, Н.М.Гусев, Г.В.Яковлев. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами, в журнале "Судостроение за рубежом", №10, 1964, Л.: Судостроение. Этот способ основан на приеме акустических колебаний сигнала в М точках, расположенных эквидистантно на расстояниях d друг от друга, равных половине длины волны на верхней частоте рабочего диапазона на прямой длиной L=d(M-1), преобразовании их в электрические колебания, введении временных задержек относительно каждой точки приема для компенсации оси характеристики направленности в направлении α₀, отсчитываемом от акустического центра антенны от геометрического положения горизонтальной прямой в пространстве, и суммирование М соответственно задержанных колебаний, скомпенсированных в направлении α₀. Рабочий диапазон таких ГАС широк и перекрывает несколько октав. С целью выровнять параметры обработки в столь широком диапазоне частот его делят на несколько поддиапазонов (обычно 2-3), а ГПБА, соответственно, - на несколько субантенн. Каждая из антенн представляет собой линейную эквидистантную антенную решетку гидроакустических преобразователей, расположенных с шагом, равным половине длины волны на верхней частоте поддиапазона субантенны. Свойства таких антенн описаны в книге: М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник. Л.: Судостроение, 1964, с.151-171.

Недостатком таких ГПБА является малая помехоустойчивость и малая острота направленного приема.

В способах-аналогах и в описанном ниже способе-прототипе используется прием смеси сигнала и помехи в ряде (M_i) дискретных точек с помощью электроакустических преобразователей, расположенных друг от друга на расстоянии d по горизонтальной и (или) вертикальной прямых, и последующее суммирование. Как известно из теории дискретных эквидистантных антенн с равномерным амплитудным распределением (см., например, М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник. Л.: Судостроение, 1984, с.151). Эти антенны имеют характеристики направленности вида

где N - число точек приема,

k - волновое число,

α₀ - угол компенсации.

При mπ характеристика направленности имеет максимумы равные основному. Для однозначности приема приходится выбирать расстояние d таким образом, чтобы в пределах углов находился только один максимум, равный единице. Как показано в упомянутом справочнике, условием отсутствия в характеристике направленности, линейной эквидистантной решетки добавочных максимумов, равных основному, будет

где λ_в - длина звуковой волны в среде.

На верхней частоте рабочего диапазона при больших M_i и |α₀|, измеряющихся от 0 до необходимо выбирать d/λ_в<0,5.

Первые нули характеристики направленности наблюдаются при

где S=±1. При малых волновых точках К характеристики направленности широки. Это ухудшает возможности идентификации (выделения) корабля-цели.

Известен способ-прототип направленного приема гидроакустических сигналов, реализованный в гибкой протяженной буксируемой антенне (ГПБА). Способ-прототип основан на приеме акустических колебаний в M_i точках в каждой из i=1, 2, ..., n субантенн при расположении точек приема в каждой субантенне эквидистантно на расстояниях d_i друг от друга, равных половине длины волны верхней частоты рабочего диапазона субантенны, преобразовании акустических колебаний в M_i электрических колебаний, временной задержки каждого колебания такой, что обеспечивается компенсация характеристики направленности в направлении α₀, отсчитываемым от акустического центра каждой субантенны от геометрического положения горизонтальной прямой в пространстве, и суммирование M_i соответственно задержанных колебаний в каждой субантенне.

ГПБА содержит ряд объединенных в едином шланге линейных эквидистантных субантенн, в каждую из которых входят гидроакустические преобразователи, фазовые центры которых размещены на расстоянии, равном половине длины волны верхней частоты диапазона субантенны, предварительные усилители и линии передачи информации к бортовой аппаратуре, причем каждый гидроакустический преобразователь, его предварительный усилитель и линия передачи последовательно соединены, образуя приемный канал. Каждая i-тая субантенна поделена на эквивалентных групп с числом приемных каналов в группе k_i,i+1, равном отношению верхних частот i-той субантенны и (i+1)-ой, N_i - число приемных каналов субантенны, причем на выходе групп подключены суммирующие усилители, выходы которых соединены со входами бортовой аппаратуры от (i+1)-ой субантенны.

Недостатком способа-прототипа является малая помехоустойчивость и малая разрешающая способность, особенно на низких частотах.

Подробные данные о способах-аналогах и способе-прототипе приведены в прилагаемой справке о патентных исследованиях.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности приема гидроакустических сигналов на низких частотах за счет обострения характеристики направленности.

Предложенный способ (фиг.1) основан на приеме акустических колебаний в N точках каждой субантенны, расположенных эквидистантно на расстояниях d друг от друга на прямой, длиной L=d(N-1), преобразовании акустических колебаний в электрические колебания, введении временных задержек для компенсации характеристики направленности в направлении α₀, отсчитываемом от центра антенны и прямой, проходящей через N точек приема. В способ введена взаимоспектральная обработка с выделением действительной части взаимного спектра с каждой пары приемников S_{1, N-1}(f), расположенных в N точках, то есть на каждом расстоянии id, где также введено суммирование всех N-1 выделенных действительных составляющих энергетического взаимного спектра.

Существенными отличительными признаками являются, во-первых, выделение действительных составляющих взаимного энергетического спектра на каждой паре точек приема , вместо мгновенных составляющих электрических колебаний по каждой точке приема, во-вторых, суммирование N-1 действительных составляющих энергетических спектров вместо суммирования N мгновенных значений электрических колебаний.

Заявителю и автору не известны технические решения с перечисленной выше совокупностью признаков. Это позволяет считать введенные в предлагаемый способ операции соответствующими критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведено пояснение к операциям предлагаемого способа.

Здесь:

1 - N точек приема в антенне,

2 - задерживание сигналов во времени,

3 - выделение действительных составляющих взаимного спектра с каждой пары точек приема,

4 - операция суммирования по частотным точкам действительных составляющих N-1 взаимных спектров,

5 - индикация спектра сигнала.

На фиг.2 приведена блок-схема традиционной аддитивной обработки сигнала в трактах приема с гибкими буксируемыми антеннами (ГПБА), заимствованная из статьи А.А.Гурвич, Н.М.Гусев, Г.В.Яковлев. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. "Судостроение за рубежом", №10, 1984, Л.: Судостроение, с.46, со ссылкой на ξASA, 1982, 72, III, №3, р.982-983. Здесь: 6 - многоканальная решетка субантенны, 7 - блок многоканальной предварительной обработки, 8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 9 - формирователь характеристик направленности (ХН) и автомат сопровождения цели (АСЦ), 10 - спектроанализатор энергетического спектра, 11 - блок индикации и регистрации.

На фиг.3 приведена блок-схема блока 9 формирования характеристик направленности при традиционном аддитивном способе-прототипе. Здесь: 12 - блок цифровых задержек, 13 - сумматор.

На фиг.4 приведена блок-схема блока 16 формирователя характеристик направленности при предлагаемом способе. Здесь: 14 - многоканальный анализатор действительной части взаимного спектра, 15 - сумматор по частотным составляющим.

На фиг.5, 6, 7, 8 приведены графики функции по формуле (24) для x=kd (приложение к заявке).

Пример. Прием сигнала осуществлялся в N точках, расположенных на горизонтальной прямой длины L=d(N-1). Расстояния между точками приема были выбраны , где λ_в - длина звуковой волны на верхней частоте рабочего диапазона (конкретные числовые данные не приводятся, так как они отнесены к охраняемым параметрам). Между каждой парой точек приема i=2, 3, ..., N, благодаря воздействию на материальный объект-сигнал, выделялась действительная часть взаимного спектра.

где Re{·} - знак действительной части,

γ₀(f_n) - частотная характеристика чувствительности приемника,

G₁₁(f_n) - энергетический спектр электрического колебания на выходе приемника в одной точке приема,

c - скорость звука в среде,

α - текущий угол,

α₀ - угол компенсации.

После этого было произведено суммирование по всем N-1 действительным частям по каждой частотной составляющей f_n и сформирована характеристика направленности (при нормировании к единичной чувствительности

f₀=1 при всех f_n∈[f_н, f_в] и при

G₁₁=1 при всех f_n∈[f_н, f_в].

где

При N-1 точек приема при традиционном аддитивном формировании характеристики направленности по способу-прототипу

Следовательно, характеристику направленности по предлагаемому способу можно представить в виде

Таким образом, произошло обострение характеристики направленности пропорциональное косинусу (второму сомножителю), так как при больших N наблюдается R_N(α)≅R_N-1(α). Подробное обоснование повышения помехоустойчивости приведено ниже в разделе подтверждения достигаемого эффекта.

Приведем основные направленные свойства приема гидроакустических сигналов при ненаправленных элементах в N точках приема:

I) При где m - любое целое число R_S(α) обращается в ±1, причем -1 для N нечетного и (-1)^m+1 для N четного (для аддитивной антенной решетки знаки меняются). Таким образом, как и в обычной эквидистантной антенне, прием может иметь несколько единичных максимумов под углами

2) При где S - любое целое число, числитель и собственно R_S(α) обращаются в нуль, за исключением случаев, когда в то же время то есть когда S кратно числу элементов N.

3) Условием отсутствия дополнительных единичных максимумов, как и в аддитивной антенне

Реализация способа направленного приема гидроакустических сигналов осуществляется с помощью гибкой буксируемой антенны ГПБА, содержащей N электроакустических приемников, образующих многоканальную антенную решетку 6 (смотрите фиг.2), последовательно соединенные. Эта решетка, многоканальный блок предварительной обработки сигнала 7, АЦП-8, формирователь ХН и АСЦ9; блок индикации и регистрации сигнала 11.

Для обеспечения воздействия на сигнал по предлагаемому способу - формирователь XH16 (смотрите фиг.4) содержит последовательно соединенные блок цифровых задержек, N-1, вход которого соединен с N-1 выходом блока АЦП8, многоканальный анализатор взаимного спектра 14, сумматор по частотным составляющим 15, выход которого соединен с блоком индикации и регистрации 11.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Акустические колебания принимаются в N точках и с помощью электроакустических приемников преобразуются в электрические колебания в многоканальной антенной решетке 6. В блоке 7 электрические колебания усиливаются и фильтруются. В блоке 8 производится квантование и дискретизация электрических колебаний. Далее колебания подвергаются временным задержкам в цифровом виде в блоке 12. После чего эти колебания с каждой пары приемных каналов 1, i подвергаются взаимоспектральной обработке в блоке 14, суммируются по частотным составляющим в блоке 15 и подаются на блок индикации и регистрации.

Таким образом, устройство обеспечивает реализации операции предлагаемого способа.

Практическое исполнение блоков, входящих в устройство, известно из практики гидроакустики.

Блоки АЦП8 и временных задержек 12 цифрового типа описан, например, в книге Ю.С.Кобяков, Н.Н.Кудрявцев, В.Н.Тимошенко. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л.: Судостроение, 1986, с.203-207 и 213-214.

Сумматор 15 выполняется на микропроцессорной технике.

Взаимоспектральный анализ в предлагаемом устройстве обычно выполняется по методу модифицированных периодограмм (Л.Рабинер, Б.Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978, с.457). В каждом шумоприемном канале вырабатываются дискретизированные последовательности x_r(n) и y_r(n). Для каждой из последовательностей x_r(n) и y_r(n) рассчитываются коэффициенты БПФ X_r(k) и Y_r(k) по формулам

где w(n) - соответствующее окно, т.е. используется взвешивание окном.

Определяют периодограмму

где - частота дискретного преобразования Фурье (ДПФ),

Знак "*" означает комплексное сопряжение.

Оценка взаимного спектра находится по формуле

где k - число подпоследовательностей, используемых для вычисления взаимного энергетического спектра.

Таким образом, предлагаемое устройство полностью решает поставленную задачу.

Для подтверждения достигаемого эффекта рассмотрим эквидистантно расположенных точках с помощью электроакустических ненаправленных преобразователей. Применим операции предлагаемого способа, а именно: взаимоспектральную обработку смеси сигнала и помехи между каждой парой 1, i - точек приема и последующую аддитивную обработку энергии сигнала по f_n частотам.

Прежде всего выведем общие соотношения для функционирования рассматриваемого способа приема в пространстве поля сигналов и помех. Будем предполагать, что сигналы описываются плоскими бегущими волнами, падающими на антенну под утлом места α₀. Приемники предполагаем ненаправленными, имеющими частотные характеристики чувствительности γ₀(ω) и расположенными на расстоянии друг от друга, где ω=2πf.

После преобразования акустических колебаний в электрические, их задержек и после операции взаимоспектрально и обработки взаимный энергетический спектр между каждой парой точек приема с индексами I и q будет для поля бегущей волны иметь осциллирующий характер вида

где - энергетический спектр сигнала на выходе одного приемника,

k=ω/с - волновое число,

q - порядковый номер второй точки приема (q=2, 3, ... N),

α₀ - направление компенсации.

В настоящей заявке на предлагаемое изобретение используются только действительные составляющие взаимного спектра (как известно, современные цифровые спектроанализаторы с использованием быстрого преобразования Фурье выделяют отдельно мнимую и действительные части взаимного спектра), то есть

После операции суммирования,

Найдем

Применим к последнему выражению формулу 420.4 книги Г.Б.Двайт. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Физматлит, 1983, с.61:

Тогда

где обозначено

Обычная аддитивная антенна с характеристикой направленности по формуле (1) при N-1 точке приема имеет вид

Тогда суммарная составляющая действительных частей взаимных спектров может быть записана в виде

Теперь рассмотрим энергетический спектр помех в изотропном поле:

Используем формулу 416.08 книги Г.Б.Двайт. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Физматгиз, 1977, с.80, переписав ее в виде

При значение kd=π и сумма ряда становится равной нулю. Это очевидно, так как Sinx/x при x=π равен нулю. Примем условие

которое будет реализоваться при ikd≥3π. Значит, члены с индексом i≥3 заведомо по модулю меньше 0,1 и с ростом i они быстро убывают. Поэтому приближенно можно ограничиться первыми двумя членами и записать

или, что то же самое, используя формулу синуса двойного угла

Определим помехоустойчивость приема по предлагаемому способу в поле изотропных помех при полностью когерентном сигнале, то есть при ρ=0. Как известно, под помехоустойчивостью понимается частное от отношения сигнала к помехе на выходе антенны к отношению интенсивности сигнала и помех в поле в отсутствии антенны (М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник. Л.: Судостроение, 1984, с.24-25), то есть

Подставляя значения для нашего случая, найдем

При малых kd

При kd→π то есть при

Проведем сопоставление с помехоустойчивостью традиционной аддитивной антенны из N элементов, при котором (Р.Д.Урик. Основы гидроакустики. Л: Судостроение, с.53-54) помехоустойчивость при полностью когерентном сигнале описывается формулой

где ρ - коэффициент корреляции помех. При ρ=0, то есть при полностью некогерентной помехе

(см., также формулу 5.40 книги: М.Д.Смарышев. Гидроакустические антенны. Справочник. Л.: Судостроение, 1984, с.160).

При использовании предлагаемого способа помехоустойчивость при полностью некогерентной помехе стремится к бесконечности.

В рассматриваемом случае поля изотропных помех выигрыш более скромный, так как

Очевидно, что отношение

характеризует выигрыш предлагаемого способа.

При больших N

или окончательно при большом числе элементов

Таким образом, наименьший выигрыш

При использовании формулы (24) значение выигрыша

что дает несколько завышенную оценку выигрыша.

Таким образом, предлагаемый способ имеет более высокую помехозащищенность, чем обычный аддитивный способ приема, что и требовалось доказать. Физически это обусловлено быстрым снижением когерентности помех при росте ikd.

Итак, реализация поставленной цели изобретения при предложенном наборе операций способа доказана.

Технические преимущества предложенного способа: более острая направленность и повышенная помехоустойчивость.

Экономические преимущества расчету не поддаются.

Изобретение относится к технической гидроакустике и может быть использовано для приема и пространственной обработки сигналов на низких звуковых и инфразвуковых частотах. Техническим результатом является повышение направленности приема и помехоустойчивости. В способе направленного приема гидроакустических сигналов после осуществления временных задержек электрических сигналов, преобразованных из акустических колебаний, преобразуют их во взаимные энергетические спектры G_1.i(f_n), выделяют (N-1) действительную составляющую взаимных спектров S_1.i(f_н) в n частотных точках с заданным разрешением Δf и энергетических суммируют по каждой из частот f_n по формуле . 8 ил.

Способ направленного приема гидроакустических сигналов, включающий прием акустических колебаний в N точках, расположенных на расстоянии d друг от друга на отрезке прямой длиной L=d(N-1), преобразование акустических колебаний в электрические, осуществление временных задержек каждого электрического колебания, их суммирование и индикацию сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения направленности приема и помехоустойчивости, после осуществления временных задержек электрических колебаний, их преобразуют во взаимные энергетические спектры G_1,i(f_n), выделяют (N-1) действительную составляющую взаимных спектров S_1,i(f_n) в n частотных точках с заданным разрешением Δf и производят энергетическое суммирование по каждой из частот f_n в соответствии с формулой