RU2612201C1

RU2612201C1 - Method of determining distance using sonar

Info

Publication number: RU2612201C1
Application number: RU2015149398A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Тимошенков
Original assignee: Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-03-03

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of determining distance using sonar comprises emitting a probing signal at a time T_em, receiving an echo signal, spectral analysis of the echo signals, determining distance D_det at the moment when the amplitude of the echo signal T_ex exceeds the threshold, determining radial velocity V_”р.ц.” based on the offset of the spectral echo signal relative to the frequency of the emitted signal, measuring own velocity V_own, measuring the heading angle of the object Q⁰, determining radial velocity of approaching the object V_r.own=V_owncosQ⁰, measuring distance of movement of the sonar towards the object over the propagation time D_son=(T_ex-T_em)V_owncosQ⁰, determining distance of movement of the object over the time of propagation of the echo signal from the object to the sonar D_ob=0.5(T_ex-T_em)V_r.ob, and the current distance to the object is determined as D_cur=D_det-D_son±D_ob.

EFFECT: use of the disclosed measurement and calculation procedures provides more accurate determination of distance, the estimate of which takes into account change in distance due to own movement and movement of the target.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидролокации, в частности для повышения достоверности измерения дистанции.The invention relates to the field of sonar and can be used in sonar, in particular to increase the reliability of distance measurement.

Известен способ обнаружения эхосигнала и измерения дистанции, изложенный в книге B.C. Бурдика "Анализ гидроакустических систем". Судостроение, 1988 г., стр. 347, который содержит многоканальную по частоте фильтрацию, детектирование, выделение огибающей эхосигнала и сравнение ее амплитуды с порогом. По каналу с максимальной амплитудой сигнала по частоте определяется смещение спектра, которое пропорционально радиальной скорости цели, а по моменту превышения выбранного порога определяется задержка эхосигнала и дистанция до объекта обнаружения.A known method for detecting an echo signal and measuring a distance is described in B.C. Burdika "Analysis of hydroacoustic systems". Shipbuilding, 1988, p. 347, which contains multichannel-frequency filtering, detection, separation of the envelope of the echo signal and comparing its amplitude with a threshold. The channel with the maximum amplitude of the signal in frequency determines the shift of the spectrum, which is proportional to the radial speed of the target, and when the selected threshold is exceeded, the delay of the echo signal and the distance to the detection object are determined.

При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса ("Применение цифровой обработки сигналов", изд. Мир, М., 1990 г., стр. 296). Перечисленные способы имеют точность измерения дистанции, определяемую длительностью зондирующего сигналаWhen using digital technology, fast Fourier transform (FFT) procedures are used as spectral analysis, which provide the separation and measurement of the energy spectrum of a noise electrical process ("The use of digital signal processing", ed. Mir, M., 1990, p. 296) . The above methods have a distance measurement accuracy determined by the duration of the probe signal

Известен способ обнаружения эхосигнала и измерения дистанции, рассмотренный в книге Л. Рабинера, Б. Гоулда «Теория и применение цифровой обработки сигналов», Мир, Москва, 1978 г. A known method of detecting an echo signal and measuring distance, considered in the book of L. Rabiner, B. Gould "Theory and application of digital signal processing", Mir, Moscow, 1978

Способ содержит следующие операции: излучение зондирующего сигнала длительностью Т на известной частоте; прием эхосигнала в смеси с шумовой помехой гидроакустической антенной; дискретизацию электрического сигнала на выходе гидроакустической антенны; набор приемным устройством дискретизированных отсчетов длительностью Т; определение энергетического спектра с помощью процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ); многократное повторение процедуры набора дискретизированных отсчетов длительностью T через равные промежутки времени и определение энергетического спектра каждого набора; выбор набора с максимальной энергией сигнала; принятие решения об обнаружении и измерение дистанции по набору с максимальной энергией сигнала.The method comprises the following operations: radiation of a probe signal of duration T at a known frequency; receiving an echo signal in a mixture with noise interference by a hydroacoustic antenna; sampling of an electrical signal at the output of a sonar antenna; a set of discrete samples of duration T by the receiver; determination of the energy spectrum using the fast Fourier transform (FFT) procedure; repeated repetition of a set of discretized samples of duration T at equal intervals of time and determination of the energy spectrum of each set; selection of a set with maximum signal energy; the decision to detect and measure the distance of the set with the maximum signal energy.

Недостатком способа является низкая точность измерения дистанции, определяемая временным сдвигом набора временной реализации, и смещение оценки измерения дистанции.The disadvantage of this method is the low accuracy of distance measurement, determined by the time shift of the set of temporary implementation, and the offset of the measurement of distance measurement.

Наиболее близким аналогом, который может быть принят за прототип, является способ измерения дистанции, основанный на приеме эхосигнала гидролокатора, изложенный, например, в книге Евтютов Е.С. и Митько В.Б. "Примеры инженерных расчетов в гидроакустике", Судостроение, 1981 г., с. 77. Способ содержит излучение зондирующего сигнала, спектральный анализ принятых эхосигналов, детектирование спектральных составляющих, интегрирование огибающей, обнаружение сигнала при сравнении с порогом. В момент превышения выбранного порога определяется время задержки эхосигнала, и по нему высчитывается дистанция до объекта, а по смещению центральной частоты принятого эхосигнала относительно центральной частоты излученного сигнала определяется радиальная скорость объекта.The closest analogue that can be taken as a prototype is a method of measuring distance, based on the reception of the sonar echo, as set forth, for example, in the book of Evtyutov E.S. and Mitko V.B. "Examples of engineering calculations in hydroacoustics", Shipbuilding, 1981, p. 77. The method comprises emitting a sounding signal, spectral analysis of the received echo signals, detecting spectral components, integrating the envelope, detecting the signal when comparing with a threshold. When the selected threshold is exceeded, the delay time of the echo signal is determined, and the distance to the object is calculated from it, and the radial speed of the object is determined from the offset of the center frequency of the received echo relative to the center frequency of the emitted signal.

Недостатком рассматриваемого технического решения является то, что при распространении зондирующего сигнала и распространении эхосигнала на большие расстояния возникает ошибка определения текущей оценки дистанции, которая определяется совместным перемещением гидролокатора и объекта за время распространения зондирующего и эхосигнала.The disadvantage of the considered technical solution is that when the probe signal propagates and the echo signal spreads over long distances, an error occurs in determining the current distance estimate, which is determined by the joint movement of the sonar and the object during the probe and echo signal propagation.

После излучения зондирующего сигнала гидролокатор продолжает движение в выбранном направлении. Например, при скорости движения гидролокатора 6 узлов, что составляет 3 м/с, и времени распространения до объекта и обратно 20 секунд, дистанция до объекта, измеренная на момент приема эхосигнала, уменьшится на 60 метров. Аналогично происходит и при движении объекта после отражения эхосигнала. Объект продолжает двигаться в прежнем направлении и за время распространения эхосигнала от объекта до гидролокатора, равного примерно 10 секунд, и при скорости 3 м/сек, пройдет расстояние, равное 30 метрам. Таким образом, измеренная дистанция будет отличаться от реальной дистанции на момент прихода эхосигнала на 90 метров. Эта ошибка зависит от дистанции и скорости движения гидролокатора и скорости перемещения объекта и изменяется в зависимости от конкретной ситуации.After the probe signal is emitted, the sonar continues to move in the selected direction. For example, when the sonar speed is 6 knots, which is 3 m / s, and the propagation time to the object and back is 20 seconds, the distance to the object, measured at the time of receiving the echo signal, will decrease by 60 meters. The same thing happens when the object moves after the reflection of the echo signal. The object continues to move in the same direction and during the propagation of the echo signal from the object to the sonar, equal to about 10 seconds, and at a speed of 3 m / s, a distance of 30 meters will pass. Thus, the measured distance will differ from the actual distance at the time of arrival of the echo signal by 90 meters. This error depends on the distance and speed of the sonar and the speed of the object and varies depending on the specific situation.

Задачей изобретения является повышение достоверности определения дистанции, измеренной движущимся гидролокатором.The objective of the invention is to increase the reliability of determining the distance measured by a moving sonar.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности измерения дистанции путем устранения ошибки, связанной с совместным перемещением гидролокатора и объекта за время распространения сигнала и эхосигнала и определение текущей дистанции с учетом перемещения гидролокатора и объекта.The technical result from the use of the invention is to increase the accuracy of measuring the distance by eliminating the error associated with the joint movement of the sonar and the object during the propagation of the signal and the echo signal and determining the current distance taking into account the movement of the sonar and the object.

Технический результат достигается тем, что в способ определения дистанции гидролокатором, содержащий излучение зондирующего сигнала в момент времени Т_из, прием эхосигнала, спектральный анализ эхосигналов, определения дистанции Д_обн=0,5(Т_пр-Т_из)С в момент превышения порога амплитудой эхосигнала Т_пр, где С - скорость звука, определение радиальной скорости V_р.об по смещению спектрального эхосигнала относительно частоты излученного сигнала, введены новые признаки, а именно: измеряют собственную скорость носителя гидролокатора V_соб, измеряют курсовой угол объекта Q⁰, определяют радиальную скорость сближения с объектом V_р.соб=V_собcosQ⁰, измеряют дистанцию перемещения гидролокатора к объекту за время распространения эхосигнала Д_гл=(Т_пр-Т_из)V_собcosQ⁰, определяют дистанцию перемещение объекта за время распространения эхосигнала от объекта до гидролокатора Д_об=0,5(Т_пр-Т_из)V_р.об, а текущую дистанцию до объекта Д_тек определяют как Д_тек=Д_обн-Д_гл.±Д_об=(Т_пр-Т_из)(0,5С-V_собcosQ⁰±0,5V_р.об), где плюс при приближении объекта, а минус при удалении.The technical result is achieved in that a method of determining the distance sonar comprising a radiation probe signal at a point _of time T, the reception of the echo signal, spectral analysis of the echo signals, determining the distance D _upd = 0.5 (T _ave -T _out) C on exceeding the amplitude threshold of the echo signal T _pr , where C is the speed of sound, the definition of the radial velocity V _r. from the shift of the spectral echo signal relative to the frequency of the emitted signal, new features are introduced, namely: they measure the own speed of the sonar carrier V _sob , and zmeryayut heading angle of the object Q ⁰ determined radial velocity V closer to the object _r.sob cosQ _GSS = ⁰ V, the distance measured to the object moving sonar for echo propagation time D = _Ch (T _ave -T _in) V ⁰ _GSS cosQ determine the distance the movement of the object during the propagation of the echo from the object to the sonar D _about = 0.5 (T _pr -T _out ) V _r.o. , and the current distance to the object D _tech is defined as D _tech = D _obn -D _gl. _About ± D = (T _ave -T _out) (0.5C cosQ _GSS-V ⁰ ± 0,5V _Ob), wherein when approaching object plus, minus and upon removal.

Поясним достижение указанного результата.Let us explain the achievement of the indicated result.

Предположим, что работа производится неподвижным гидролокатором по неподвижному объекту. Излучаем сигнал в момент времени Т_из и принимаем эхосигнал в момент времени Т_пр. Сигнал до объекта и обратно распространялся за время (Т_пр-Т_из) и дистанция до объекта будет равна Д_обн=0,5С(Т_пр-Т_из). Теперь рассмотрим излучение с подвижного гидролокатора, который передвигается со скоростью V_соб. Тогда после излучения зондирующего сигнала гидролокатор движется со скоростью V_соб в направлении объекта и за время распространения сигнала до объекта и обратно пройдет расстояние, равное Д_гл=V_соб(T_пр-Т_из). Тогда текущая дистанция до объекта на момент приема эхосигнала будет равна Д_тек=0,5С(Т_пр-Т_из)-V_соб(Т_пр-Т_из). Это соотношение справедливо, если гидролокатор движется точно на обнаруженный объект. В том случае если направление движения гидролокатора отличается от пространственного положения объекта, то следует определить радиальную составляющую, которая определяет скорость сближения гидролокатора и объекта. Поэтому следует измерить курсовой угол объекта Q⁰, и тогда V_р.соб=V_собcosQ⁰. Теперь предположим, что и объект движется со скоростью V_об, тогда за время распространения эхосигнала от объекта к приемнику будет пройдено определенное расстояние, которое увеличит ошибку измеренной дистанции. Ориентировочно это время может быть принято равным Т_об=0,5(Т_пр-Т_из). Это не совсем точная величина, она отличается от точной величины, которая определяется сложной зависимостью на величину отношения V_об/C_зв. Поскольку скорость звука составляет 1500 м/с, а скорость объекта порядка 10 м/с, то этой составляющей можно пренебречь. Тогда ошибка измерения дистанции за счет перемещение объекта на момент приема эхосигнала составит Д_ош.об=V_об0,5(T_пр-Т_из). Конечное выражение для определения текущей дистанции до объекта: Д_тек=Д_об-Д_соб±Д_ош.об, где плюс соответствует приближению объекта, а минус удалению. Или окончательно после подстановки всех составляющих Д_тек=(Т_пр-Т_из)(0,5С-V_собcosQ⁰±0,5V_р.ц).Suppose that the work is done by a stationary sonar on a stationary object. We emit a signal at time T _from and receive an echo at time T _pr The signal to the object and back propagated over time (T _pr -T _out ) and the distance to the object will be equal to D _obn = 0,5C (T _pr -T _out ). Now consider the radiation from a moving sonar that moves at a speed of V _sob . Then, after the probe signal is emitted, the sonar moves at a speed of V _SOB in the direction of the object, and during the signal propagation to the object and back, a distance equal to D _hl = V _SOB (T _pr -T _out ) will pass. Then the current distance to the object at the time of receiving the echo signal will be equal to D _tech = 0.5C (T _pr -T _out ) -V _sob (T _pr -T _out ). This ratio is true if the sonar moves precisely at the detected object. In the event that the direction of motion of the sonar differs from the spatial position of the object, then you should determine the radial component, which determines the speed of approach of the sonar and the object. Therefore it is necessary to measure the heading angle of the object Q ^0, then V = V _r.sob _GSS cosQ ^0. Now suppose that the object also moves at a speed of V _rev , then during the propagation of the echo signal from the object to the receiver, a certain distance will be traveled, which will increase the error of the measured distance. The approximate time it can be taken to be _about T = 0.5 (T _ave -T _out). This is not an exact value, it differs from an exact value, which is determined by a complex dependence on the value of the ratio V _rev / C _sound . Since the speed of sound is 1500 m / s, and the speed of the object is about 10 m / s, this component can be neglected. Then, the distance measurement error due to displacement of the object at the time of receiving the echo signal will be D = V _osh.ob _about 0,5 (T _ave -T _out). The final expression for the current distance to the subject: D = D _tech _about _D'GSS ± D _osh.ob, which corresponds to the approximation of the object plus and the minus deletion. Or finally, after substituting all components D _tech = (T _ave -T _out) (0.5C cosQ _GSS-V ⁰ ± 0,5V _r.ts).

Все процедуры, которые используются для получения оценки текущей дистанции Д_тек известны и используются в современной гидроакустической технике.All procedures that are used to obtain an estimate of the current D _tech distance _are known and used in modern sonar technology.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способ измерения дистанции.The invention is illustrated in FIG. 1, which shows a block diagram of a device that implements the proposed method of measuring distance.

На фиг. 1 представлен гидролокатор 1, через спецпроцессор 2, в состав которого входят последовательно соединенные блок 3 спектрального анализа, блок 4 порогового обнаружения, блок 5 измерения времени и курсового угла, блок 6 расчета дистанции обнаружения Д_обн и расчета радиальной скорости объекта, блок 7 расчета ошибки дистанции за счет собственного движения, блок 8 расчета ошибки дистанции Д_ош.об за счет движения объекта, блок 9 расчета текущей дистанции Д_тек и блок 10 управления и индикации. На второй выход блока 7 поступает сигнал от блока 11 измерения собственной скорости. Второй выход блока 7 соединен со вторым входом блока 9.In FIG. 1 shows the sonar 1, through a special processor 2, which includes a series-connected spectral analysis unit 3, threshold detection unit 4, time and heading angle measurement unit 5, unit 6 for calculating the detection distance D _obn and calculating the radial velocity of the object, unit 7 for calculating the error distance due to own movement, block 8 calculating the distance error D _er.ob due to the movement of the object, block 9 calculating the current distance D _tech and block 10 control and indication. The second output of block 7 receives a signal from block 11 measuring its own speed. The second output of block 7 is connected to the second input of block 9.

С помощью предлагаемого устройства предложенный способ измерения дистанции осуществляется следующим образом. По сигналу управления с блока 11 гидролокатор 1 излучает зондирующий сигнал, и одновременно значение (момент) времени излучения передается в спецпроцессор 2. Отраженный эхосигнал принимается гидролокатором 1 и поступает в блок 3 спектрального анализа, где определяется спектр принятого сигнала. Спектры передаются в блок 4 порогового обнаружения спектральных отсчетов, где производится определение дискретных составляющих спектра, которые превысили помеховый порог. В блоке 5 происходит измерение амплитуд выделенных дискретных составляющих и их номеров отсчета, что соответствует частоте дискретной составляющей, которая определяет радиальную скорость, и определение курсового угла объекта Q⁰. По этим данным в блоке 6 производится определение дистанции до объекта Д_обн и радиальной скорости объекта V_р.об. В блоке 7 рассчитывается дистанция ошибки Д_гл, которая вызвана собственным движением гидролокатора, для чего из блока 11 поступает оценка собственной скорости V_соб. В блоке 8 дополнительно рассчитывается ошибка измерения дистанции Д_ош.об за счет движения объекта после отражения эхосигнала. Окончательное определение текущей дистанции Д_тек до объекта происходит в блоке 9. Выработанная оценка передается в блок 10 управления и индикации.Using the proposed device, the proposed method of measuring distance is as follows. According to the control signal from unit 11, the sonar 1 emits a probing signal, and at the same time the value (moment) of the radiation time is transmitted to the special processor 2. The reflected echo signal is received by the sonar 1 and enters the spectral analysis unit 3, where the spectrum of the received signal is determined. The spectra are transmitted to the block 4 of the threshold detection of spectral readings, where the discrete components of the spectrum are determined that exceeded the noise threshold. In block 5, the amplitudes of the selected discrete components and their reference numbers are measured, which corresponds to the frequency of the discrete component, which determines the radial velocity, and the course angle of the object Q ^{0 is} determined. According to these data, in block 6, the distance to the object D _obn and the radial velocity of the object V _r . In block 7, the error distance D _{hl is} calculated, which is caused by the sonar’s own movement, for which purpose, block 11 receives an estimate of the intrinsic velocity V _sob . In block 8, the error of measuring the distance D _error due to the movement of the object after reflection of the echo signal is additionally calculated. The final determination of the current distance D _tech to the object occurs in block 9. The generated estimate is transmitted to the control and indication unit 10.

Гидролокатор является известным устройством, которое достаточно подробно используется в гидроакустической практике и описано в технической литературе (А.С. Колчеданцев «Гидроакустические станции», Судостроение, 1982 г.).Sonar is a well-known device that is used in sufficient detail in sonar practice and is described in the technical literature (AS Kolchedantsev “Hydroacoustic stations”, Shipbuilding, 1982).

Для качественного решения задач обработки гидроакустической информации в современных корабельных гидроакустических средствах (станциях) используются спецпроцессоры на основе ЦВС, обладающие высокой производительностью, функциональной надежностью и малыми габаритами. С использованием специального алгоритмического и программного обеспечения спецпроцессорами могут решаться все задачи формирования и обработки принимаемых гидроакустических сигналов, в том числе формирования статического веера характеристик направленности, определение энергетического спектра, обнаружения эхосигналов, измерения их параметров (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб., изд. «Наука», 2004 г. Стр. 281).For a high-quality solution to the problems of processing sonar information in modern ship sonar equipment (stations), special processors based on a digital computer system are used, which have high performance, functional reliability and small dimensions. Using special algorithmic and software, special processors can solve all the problems of generating and processing received hydroacoustic signals, including the formation of a static fan of directional characteristics, determining the energy spectrum, detecting echo signals, measuring their parameters (Yu.A. Koryakin, S.A. Smirnov , G.V. Yakovlev “Shipborne hydroacoustic equipment”, St. Petersburg, “Nauka” publishing house, 2004, p. 281).

Таким образом, использование предлагаемой процедуры измерений и вычислений обеспечивает более надежную достоверность определения дистанции, оценка которой учитывает изменение дистанции за счет собственного движения и движения объекта при распространении зондирующего сигнала и эхосигнала.Thus, the use of the proposed measurement and calculation procedure provides a more reliable accuracy of determining the distance, the assessment of which takes into account the change in distance due to the proper motion and movement of the object during the propagation of the probe signal and echo signal.

Claims

A method for determining the distance sonar comprising a radiation probe signal at a point _of time T, the reception of the echo signal, spectral analysis of the echo signals, determining the distance D == _upd (T _ave -T _out) 0.5C on exceeding the amplitude threshold of the echo signal T _pr, determining the sound velocity C, the determination of the radial velocity V _p.about the shift of the echo signal relative to the frequency of the emitted signal, characterized in that they measure the intrinsic velocity V _{sob of the} sonar, measure the target angle of the object Q ⁰ , determine the radial speed closer to the object _r.sob V = V ⁰ _GSS cosQ measured distance to the object moving sonar for propagation time D = _Ch (T _ave -T _in) V ⁰ _GSS cosQ define movement distance of the object during propagation of the echo from the object to sonar D _about = 0.5 (T _pr -T _out ) V _r.o. , and the current distance to the object is determined as D _tech = D _obn -D _gl -D _ob = (T _pr -T _out ) (0.5C-V _sob cosQ ⁰ ± 0.5V _r.sob ), where plus when approaching an object, and minus when moving away.