RU2556302C1

RU2556302C1 - Method for passive acoustic location of underwater divers

Info

Publication number: RU2556302C1
Application number: RU2014109333/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Ильич Коренбаум; Сергей Владимирович Горовой; Анатолий Евгеньевич Костив; Александр Анатольевич Тагильцев; Алексей Евгеньевич Бородин; Ирина Александровна Почекутова
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-07-10

Abstract

FIELD: physics, acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to sonar, specifically to passive methods for acoustic detection and location of underwater divers, and can be used in underwater search and rescue operations, protecting coastal structures and beaches on the water side or protecting underwater structures, as well as protecting ships at the anchoring berth, offshore oil platforms, port entrances, bridge abutments, channels and water areas at hydroelectric power stations. The method is based on detecting and picking up from the detected noise of the water area under investigation quasi-periodic modulations of unremovable low-frequency respiratory noises of the underwater diver caused by the rhythm of respiratory manoeuvres, the frequency of which lies in the range of 0.1-1 Hz.

EFFECT: longer detection range.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к гидролокации, конкретно к пассивным способам акустического обнаружения и локации подводных пловцов в толще воды, и может быть использовано при проведении подводных поисковых и спасательных работ, осуществлении охраны береговых сооружений и пляжей со стороны водной среды или охраны подводных сооружений, таких как проложенные под водой кабели, коллекторы, трубопроводы, а также охраны судов на якорной стоянке, морских нефтяных платформ, входов в порты, опор мостов, каналов, акваторий гидростанций от возможных нарушителей или террористов.The invention relates to sonar, specifically to passive methods for acoustic detection and location of underwater swimmers in the water column, and can be used when conducting underwater search and rescue operations, protecting coastal structures and beaches from the aquatic environment, or protecting underwater structures, such as those laid under water cables, collectors, pipelines, as well as the protection of ships at anchorage, offshore oil platforms, port entrances, bridge piers, canals, water areas of hydroelectric stations from possible violations Iteli or terrorists.

Известен способ обнаружения подводных объектов по их первичному акустическому полю, заключающийся в приеме сигналов от них в звуковом диапазоне частот от 1-1,6 кГц до 16-20 кГц и ультразвуковом диапазоне выше 16 кГц, усилении принятых сигналов, спектральном анализе с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков, сравнении их с эталонным сигналом и принятии решения об обнаружении и распознавании подводного объекта (Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики. - М.: Пищевая промышленность, 1977, с. 172-190).There is a method of detecting underwater objects by their primary acoustic field, which consists in receiving signals from them in the audio frequency range from 1-1.6 kHz to 16-20 kHz and the ultrasonic range above 16 kHz, amplifying the received signals, spectral analysis in order to identify the most informative classification features, comparing them with a reference signal and deciding on the detection and recognition of an underwater object (EV Shishkova Physical fundamentals of field sonar. - M.: Food Industry, 1977, p. 172-190).

Известен способ обнаружения дайвера по звукам баллона с дыхательной смесью (в.з. JP №5461566). Способ заключается в обнаружении направленными антеннами специфического звука «С» шумов дыхательного баллона в воде и определении дистанции до водолаза и его местоположения на плоскости,A known method for detecting a diver by the sounds of a cylinder with a breathing mixture (VZ JP No. 5461566). The method consists in detecting by the directional antennas a specific sound “C” of the sounds of a breathing balloon in water and determining the distance to the diver and his location on the plane,

Наиболее близким к заявляемому решению является способ пассивной акустической локации подводного пловца, при котором высокочастотные (более 1000 Гц) шумы регистрируют направленной антенной, сравнивают полученный уровень шумов с известным фоновым уровнем и при превышении констатируют присутствие пловца в акватории (Fillinger L., Hunter A.J., Zampolli М., Clarijs М.С. Passive acoustic detection of closed-circuit underwater breathing apparatus in an operational port environment // J. Acoust. Soc. Am. 2012. V. 132. No. 4. P. EL310-EL316.)Closest to the claimed solution is a method for passive acoustic location of an underwater swimmer, in which high-frequency (more than 1000 Hz) noises are detected by a directional antenna, the obtained noise level is compared with a known background level and, when exceeded, the presence of a swimmer in the water area is noted (Fillinger L., Hunter AJ, Zampolli M., Clarijs M.S. Passive acoustic detection of closed-circuit underwater breathing apparatus in an operational port environment // J. Acoust. Soc. Am. 2012. V. 132. No. 4. P. EL310-EL316. )

Недостатком данного способа является использование в качестве исходных данных высокочастотных шумов подводного пловца, что ограничивает дальность пассивной локации водолаза из-за быстрого затухания высокочастотного звука с расстоянием.The disadvantage of this method is the use as source data of high-frequency noise of an underwater swimmer, which limits the range of passive location of the diver due to the rapid attenuation of high-frequency sound with distance.

Задача изобретения - разработка нового способа пассивной локации подводного пловца на акватории.The objective of the invention is the development of a new method for the passive location of an underwater swimmer in the water.

Технический результат - увеличение дальности обнаружения пловца за счет обнаружения неустранимых низкочастотных шумов, присущих дыханию пловца.The technical result is an increase in the detection range of the swimmer due to the detection of fatal low-frequency noise inherent in the swimmer’s breathing.

Поставленная задача решается способом пассивной акустической локации подводного пловца, включающим регистрацию подводных шумов акватории в полосе частот ниже 1000 Гц как минимум одним одиночным гидрофоном или гидрофонами, объединенными как минимум в одну антенную решетку, обработку полученного шумового сигнала для выделения квазипериодических изменений интенсивности шумов, частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц, при обнаружении которых констатируют присутствие пловца в акватории.The problem is solved by the method of passive acoustic location of an underwater swimmer, including recording underwater noise of the water area in the frequency band below 1000 Hz with at least one single hydrophone or hydrophones combined into at least one antenna array, processing the resulting noise signal to highlight quasiperiodic changes in noise intensity, the frequency of which lies in the range of 0.1-1 Hz, upon detection of which ascertain the presence of a swimmer in the water area.

Способ основан на том, что впервые заявителем обнаружены квазипериодические амплитудные модуляции (изменения интенсивности) низкочастотных дыхательных шумов подводного пловца, вызванные ритмом дыхательных маневров, частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц.The method is based on the fact that for the first time the applicant discovered quasiperiodic amplitude modulations (changes in intensity) of low-frequency breathing sounds of an underwater swimmer caused by the rhythm of breathing maneuvers, the frequency of which lies in the range of 0.1-1 Hz.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

В исследуемой акватории устанавливают или одиночные гидрофоны, как минимум один, или как минимум одну антенную решетку из гидрофонов. На выходах гидрофонов или антенных решеток устанавливают соответствующие усилители и фильтры, ограничивающие сверху полосу частот регистрируемых шумов частотой 1000 Гц. Регистрируют шумы. Затем любым известным способом выделяют квазипериодические изменения интенсивности шумов (амплитудную модуляцию), частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц, которая характеризует предельные физиологические границы ритма непрерывного дыхания человека - от 6-8 дыхательных циклов в 1 минуту - в покое, до 60 дыхательных циклов в 1 минуту - при экстремальной физической нагрузке (http://www.fiziolive.ru/html/fiz/statii/breath.htm).In the studied water area, either single hydrophones, at least one, or at least one antenna array of hydrophones are installed. At the outputs of hydrophones or antenna arrays, appropriate amplifiers and filters are installed that limit the frequency band of the recorded noise from above to a frequency of 1000 Hz. Noise is recorded. Then, by any known method, quasiperiodic changes in the noise intensity (amplitude modulation) are isolated, the frequency of which lies in the range of 0.1-1 Hz, which characterizes the limiting physiological boundaries of the rhythm of a person’s continuous breathing - from 6-8 breathing cycles per minute - at rest, to 60 respiratory cycles per 1 minute - with extreme physical exertion (http://www.fiziolive.ru/html/fiz/statii/breath.htm).

Количество используемых гидрофонов или антенных решеток определяет только пространственную избирательность и максимальную возможную дальность обнаружения, а также возможность определения местонахождения пловца.The number of hydrophones or antenna arrays used determines only spatial selectivity and the maximum possible detection range, as well as the ability to determine the location of a swimmer.

Для выделения квазипериодических изменений интенсивности шумов в диапазоне 0,1-1 Гц используют любые известные и приемлемые для этого методы, например вычисление спектрограммы.To identify quasiperiodic changes in noise intensity in the range of 0.1-1 Hz, any known and acceptable methods are used, for example, spectrogram calculation.

На Фиг. 1a представлена сигналограмма шумов пловца под сухим комбинезоном в снаряжении замкнутого типа, записанная над трахеей, в координатах процент от полной шкалы (Percent FullScale) - время в секундах (time(seconts), на Фиг. 1б - спектрограмма, вычисленная по полученным данным, в координатах частота, Гц (frequency, Hz) - время, сек (time(seconds), где 1 - вдох, 2 - выдох.In FIG. Figure 1a shows the signalogram of the noise of a swimmer under dry overalls in closed gear recorded over the trachea, in coordinates, percent of full scale (Percent FullScale) - time in seconds (time (seconts), Fig. 1b - spectrogram calculated from the data obtained, in coordinates frequency, Hz (frequency, Hz) - time, sec (time (seconds), where 1 - inhale, 2 - exhale.

На Фиг. 2 представлена огибающая шумов пловца, зарегистрированная одиночным гидрофоном в толще воды, при постепенном его удалении от гидрофона на дистанцию около 100 м.In FIG. Figure 2 shows the envelope of the swimmer's noise, recorded by a single hydrophone in the water column, with its gradual distance from the hydrophone at a distance of about 100 m.

На Фиг. 3 показан спектр мощности огибающей шумов, приведенной на Фиг. 2.In FIG. 3 shows the power envelope of the noise envelope shown in FIG. 2.

В представленном примере шумы водолаза пловца в снаряжении замкнутого типа практически не просматриваются по сигналограмме (Фиг. 1а) на фоне помех. Тем не менее, дыхательные шумы хорошо видны на спектрограмме (Фиг. 1б). При этом основная часть энергии шумов выдоха сосредоточена в полосе частот ниже примерно 1000 Гц. Данные модуляции, частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц, не характерны для большинства технических или природных объектов, и потому могут быть использованы в качестве классификационного признака присутствия подводного пловца при их обнаружении на фоне подводных шумов акватории.In the presented example, the sounds of a swimmer’s diver in closed gear are practically not visible by the signalogram (Fig. 1a) against the background of interference. However, respiratory sounds are clearly visible on the spectrogram (Fig. 1b). In this case, the main part of the energy of expiratory noise is concentrated in the frequency band below about 1000 Hz. Modulation data, the frequency of which lies in the range 0.1-1 Hz, is not typical for most technical or natural objects, and therefore can be used as a classification sign of the presence of an underwater swimmer when they are detected against the background of underwater noise of the water area.

Возможно также выделение квазипериодических составляющих шумов путем фильтрации шумов в оптимизированной полосе частот и детектирование огибающей (Машошин А.И. Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов // Акустический журнал. 2013. т. 59. №3. С. 347-353). Так, по результатам проведенного натурного эксперимента в условиях мелководной бухты, при фильтрации в полосе частот 200-500 Гц и квадратичном детектировании сигнала (время накопления скользящим окном 0,25 с) с одиночного ненаправленного гидрофона (Фиг. 2) удается выделять искомые квазипериодические составляющие (модуляцию огибающей) при движении водолаза-аквалангиста от гидрофона вдаль до примерно 50 м. Спектральное преобразование огибающей (Фиг. 3) показывает пиковые частоты 0,359 и 0,539 Гц. Наличие двух пиков частоты связано, вероятно, с тем, что в процессе движения аквалангиста ритм дыхания менялся. Следовательно, подтверждается возможность обнаружения подводных пловцов заявляемым способом. Дальнейшее увеличение дальности обнаружения подводного пловца может быть достигнуто за счет повышения пространственной избирательности (направленности) приема сигнала известным путем формирования антенной решетки из одиночных ненаправленных гидрофонов.It is also possible to isolate the quasiperiodic noise components by filtering the noise in an optimized frequency band and detecting the envelope (Mashoshin A.I. Optimization of the device for detecting and measuring the amplitude modulation parameters of underwater noise emission from marine vessels // Acoustic Journal. 2013. V. 59. No. 3. P. 347-353). So, according to the results of a full-scale experiment in a shallow bay, when filtering in the frequency band 200-500 Hz and quadratic signal detection (accumulation time by a sliding window 0.25 s) from a single omnidirectional hydrophone (Fig. 2), it is possible to extract the desired quasiperiodic components ( envelope modulation) when the diver-diver moves from the hydrophone into the distance to about 50 m. The spectral transformation of the envelope (Fig. 3) shows the peak frequencies of 0.359 and 0.539 Hz. The presence of two frequency peaks is probably due to the fact that the breathing rhythm changed during the diver's movement. Therefore, the possibility of detecting underwater swimmers by the claimed method is confirmed. A further increase in the detection range of the underwater swimmer can be achieved by increasing the spatial selectivity (directivity) of signal reception in a known manner by forming an antenna array of single omnidirectional hydrophones.

Таким образом, при обнаружении тем или иным способом в регистрируемых шумах акватории квазипериодических составляющих, лежащих в заявляемой полосе частот, констатируют присутствие водолаза в этой акватории.Thus, when one way or another is detected in the recorded noise of the water area of quasiperiodic components lying in the claimed frequency band, the presence of a diver in this water area is ascertained.

Поскольку регистрируемые шумы являются низкочастотными (десятки - сотни Гц), они распространяются в водоемах на гораздо большие расстояния, чем используемые в прототипе высокочастотные шумы (полоса частот выше 1000 Гц), что приводит к существенному увеличению дальности обнаружения присутствия водолаза в акватории по сравнению с прототипом.Since the recorded noise is low-frequency (tens to hundreds of Hz), they propagate in water bodies at much greater distances than the high-frequency noise used in the prototype (frequency band above 1000 Hz), which leads to a significant increase in the detection range of the presence of a diver in the water compared to the prototype .

Кроме того, поскольку данные низкочастотные дыхательные шумы являются неустранимой частью эмиссионного излучения водолазов, выделение вышеописанных квазипериодических модуляций в общем фоне шумов моря может оказаться полезным и для наблюдения за акваториями в антитеррористических целях.In addition, since these low-frequency breathing noises are an unavoidable part of the emissive radiation of divers, the allocation of the above quasiperiodic modulations in the general background of sea noise can also be useful for observing water areas for anti-terrorist purposes.

Выделенные квазипериодические характеристики шумов, связанные с.дыханием водолаза, можно использовать и для определения местоположения подводного пловца, используя для этого известные методы в навигации.The distinguished quasiperiodic noise characteristics associated with the diver's breathing can also be used to determine the location of an underwater swimmer, using known methods in navigation.

Например, с помощью метода триангуляции по задержкам квазипериодических компонент шумов дыхания подводного пловца на нескольких парах гидрофонов (не менее 3) становится возможной оценка его местоположения под водой относительно гидрофонов с известными (например, показания ГЛОНАСС/GPS и глубины места установки) координатами в пространстве.For example, using the method of triangulating the delays of the quasiperiodic components of breath sounds of an underwater swimmer on several pairs of hydrophones (at least 3), it becomes possible to estimate its location under water relative to hydrophones with known (for example, GLONASS / GPS readings and installation depth) coordinates in space.

Для повышения помехоустойчивости процедуры определения местоположения, вместо определения задержек времени на парах гидрофонов, можно использовать как минимум 2 решетки, построенные из гидрофонов, каждая из которых формирует веерную характеристику направленности. При обнаружении квазипериодических компонент шумов дыхания подводного пловца одной частоты в одном из лепестков веера характеристики направленности каждой антенны остается только определить область пространства, где эти лепестки пересекаются, что легко сделать, зная координаты приемных элементов решетки и ее центра и внося при необходимости поправки на гидрологию, искажающую распространения подводного звука. При создании достаточно узких лепестков веерной характеристики направленности повышается точность определения местоположения пловца. Кроме того, возникает возможность разрешения двух или более пловцов, местоположение которых в пространстве и частоты дыхания различаются. Использование антенных решеток позволяет добиться дополнительной пространственной фильтрации и, по сравнению с определением задержек на отдельных гидрофонах, что сулит увеличение дальности обнаружения подводных пловцов.To increase the noise immunity of the positioning procedure, instead of determining the time delays on the pairs of hydrophones, at least 2 gratings constructed from hydrophones can be used, each of which forms a fan directivity pattern. When the quasiperiodic components of breathing noise of an underwater swimmer of the same frequency are detected in one of the fan’s lobes, the directivity characteristics of each antenna can only determine the area of space where these lobes intersect, which is easy to do, knowing the coordinates of the receiving elements of the grating and its center and making corrections if necessary for hydrology distorting the spread of underwater sound. When creating sufficiently narrow petals of a fan-shaped directivity, the accuracy of determining the location of the swimmer increases. In addition, it becomes possible to resolve two or more swimmers whose location in space and respiratory rate differ. The use of antenna arrays allows for additional spatial filtering and, compared with the determination of delays at individual hydrophones, which promises an increase in the detection range of underwater swimmers.

Claims

1. The method of passive acoustic detection of underwater swimmers, including recording underwater noise of the water area in the frequency band below 1000 Hz with at least one single hydrophone or hydrophones combined into at least one antenna array, processing the received signal to isolate quasiperiodic changes in noise intensity, the frequency of which lies in the range of 0.1-1 Hz, and when detected, the presence of an underwater swimmer is ascertained.

2. The method according to p. 1, characterized in that the registration of underwater noise of the water area is carried out by at least three pairs of hydrophones.

3. The method according to p. 1, characterized in that the registration of underwater noise of the water area is carried out by at least two antenna arrays, forming a fan directivity.