RU2339050C1 - Method of sea noisy objects detection - Google Patents

Method of sea noisy objects detection Download PDF

Info

Publication number
RU2339050C1
RU2339050C1 RU2007118774/09A RU2007118774A RU2339050C1 RU 2339050 C1 RU2339050 C1 RU 2339050C1 RU 2007118774/09 A RU2007118774/09 A RU 2007118774/09A RU 2007118774 A RU2007118774 A RU 2007118774A RU 2339050 C1 RU2339050 C1 RU 2339050C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spatial
signals
noise
channels
noise signals
Prior art date
Application number
RU2007118774/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Алексеевич Антипов (RU)
Владимир Алексеевич Антипов
Сергей Максимович Величкин (RU)
Сергей Максимович Величкин
Юрий Павлович Подгайский (RU)
Юрий Павлович Подгайский
Original Assignee
ОАО "Концерн "Океанприбор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ОАО "Концерн "Океанприбор" filed Critical ОАО "Концерн "Океанприбор"
Priority to RU2007118774/09A priority Critical patent/RU2339050C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2339050C1 publication Critical patent/RU2339050C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method includes as follows. Horizontal and vertical orientation characteristic static fan receives noise signals in combination with frequency-time processing within each spatial observation channel, quadrating, time averaging, alignment and signal normalising to interference, observation of current view cycle for received normalised signals and detection decision-making comparing to limit value of signal-interference relation. Thus within each view cycle for each frequency sample the adaptive spatial observation channels are formed, at least by three adjacent spatial channels in horizontal or vertical plane.
EFFECT: improved reliability of detection and long contact with noisy moving target in the sea.
2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования.The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used in noise direction finding systems.

Известен способ обнаружения пространственно-временных шумовых сигналов, основанный на многоканальном по пространству полностью адаптивном приеме шумовых сигналов и адаптивном подавлении шумов помех с использованием оценки коэффициентов корреляции акустических помех, см. В.А.Лазуткин. Статистические методы обработки гидроакустических сигналов. Киев: Наукова думка. 1987. Гл.1, р.2, 3; В.Н.Фомин. Рекуррентное оценивание и адаптивная фильтрация. М.: Наука, 1984. с.87-88; «Подводная акустика и обработка сигналов» под ред. Л.Бьерне, М.: Мир, 1985, с.300-301 и с.321-323; A.M.Vural, Effects of perturbations on the performance of optimum/adaptive array // IEEE Transactions, 1979, vol. AES-15, #1, p.76-87. Одним из главных недостатков этого способа является то, что в некоторых случаях высокая стоимость может препятствовать применению полностью адаптивной системы или просто не возникает надобность в таких характеристиках, которые она может обеспечить.A known method for detecting spatio-temporal noise signals based on a fully multi-channel spatial adaptive reception of noise signals and adaptive noise suppression using the estimation of acoustic noise correlation coefficients, see V.A. Lazutkin. Statistical methods for processing sonar signals. Kiev: Naukova Dumka. 1987. Ch. 1, p. 2, 3; V.N. Fomin. Recurrent assessment and adaptive filtering. M .: Nauka, 1984. p. 87-88; “Underwater Acoustics and Signal Processing”, ed. L. Bjorne, M .: Mir, 1985, p. 300-301 and p. 321-323; A.M. Vural, Effects of perturbations on the performance of optimum / adaptive array // IEEE Transactions, 1979, vol. AES-15, # 1, p. 76-87. One of the main disadvantages of this method is that in some cases, the high cost can impede the use of a fully adaptive system or there is simply no need for such characteristics that it can provide.

Известно упрощение этого способа обнаружения и уменьшения стоимости (за счет уменьшения и степени оптимальности). Способ упрощают при использовании анализа положения фронта волны (интенсивных направленных шумовых помех) и обработки либо в пространстве элементов дискретной гидроакустической антенны либо в пространстве лучей (пространственных каналов) в так называемых системах с частично заданной структурой, см. цитируемую книгу под ред. Л.Бьерне, М.: Мир, 1985, с.284-286, а также А.Б.Бэггеройер. Обработка сигналов в гидролокации // Применение цифровой обработки сигнала, под ред. Э.Оппенгейма. М.: Мир. 1980, р.6.4; patent 3763490 US, 1973, Adaptive beamformer and signal processor for sonar.A simplification of this method for detecting and reducing cost is known (due to the decrease and degree of optimality). The method is simplified by using the analysis of the position of the wave front (intense directed noise interference) and processing either in the space of elements of a discrete hydroacoustic antenna or in the space of rays (spatial channels) in the so-called systems with a partially specified structure, see the cited book, ed. L. Bjorne, M .: Mir, 1985, p. 284-286, as well as A.B.Beggeroyer. Signal Processing in Sonar // Application of Digital Signal Processing, ed. E. Oppenheim. M .: World. 1980, p. 6.4; patent 3763490 US, 1973, Adaptive beamformer and signal processor for sonar.

Этот анализ базируется на представлении поля сигналов с использованием плоских волн, см. Ю.Г.Сосулин, Ю.Н.Паршин. Оценочно-корреляционно-компенсационные алгоритмы обнаружения многомерных сигналов. Радиотехника и электроника. 1981. Вып.26. №8. С.1635-1643, а также: R.R.Ramseyer, S.D.Morgera. A distributed microprocessor architecture far fixed and mobile acoustic array adaptive beamforming. IEEE Journal of oceanic engineering. 1979. Vol.OE-4, # 2. p.46-51; D.J.Chapman. Partial adapting for the large array // IEEE transaction on AP, 1976, vol.24, #5, p.685-696; D.A.Gray. Formulation of the maximum signal-to-noise ratio array processor in beam space // JASA, 1982, v.72, #4, p.1195-1201.This analysis is based on the representation of the signal field using plane waves, see Yu.G. Sosulin, Yu.N. Parshin. Estimation-correlation-compensation algorithms for detecting multidimensional signals. Radio engineering and electronics. 1981. Issue 26. No. 8. S.1635-1643, and also: R.R. Ramseyer, S.D. Mororge. A distributed microprocessor architecture far fixed and mobile acoustic array adaptive beamforming. IEEE Journal of oceanic engineering. 1979. Vol.OE-4, # 2. p. 46-51; D.J. Chapman. Partial adapting for the large array // IEEE transaction on AP, 1976, vol.24, # 5, p.685-696; D.A. Gray. Formulation of the maximum signal-to-noise ratio array processor in beam space // JASA, 1982, v.72, # 4, p.1195-1201.

Все эти способы имеют недостатки, связанные с условиями функционирования системы обнаружения с частично заданной структурой. В неблагоприятных условиях, которые определяются особенностями помехи и наличием интенсивных направленных источников помех, акустикой окружающей среды (профиль скорости звука, глубина и наклон дна и т.п.), их эффективность может резко ухудшиться. Недостатком указанных способов является необходимость либо наличия нескольких ориентированных в пространстве приемных каналов сопровождения по пеленгу волновых фронтов источников шумоизлучения, либо наличия многоканальных корреляторов шумовых сигналов всей дискретной апертуры гидроакустической антенны. Следствием указанных факторов являются высокие затраты на реализацию способа обнаружения и относительно низкая устойчивость и достоверность обнаружения.All these methods have disadvantages associated with the operating conditions of the detection system with a partially specified structure. In adverse conditions, which are determined by the characteristics of the interference and the presence of intense directional sources of interference, environmental acoustics (profile of the speed of sound, depth and inclination of the bottom, etc.), their effectiveness can deteriorate sharply. The disadvantage of these methods is the need for either the presence of several space-oriented receiving channels for tracking along the direction of the wave fronts of noise sources, or the presence of multi-channel correlators of noise signals of the entire discrete aperture of a hydroacoustic antenna. The consequence of these factors is the high cost of implementing the detection method and the relatively low stability and reliability of detection.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ обнаружения, изложенный в заявке РФ №2005113369/09(015399) от 03.05.2005 г. (решение от 21.09.2006 г. о выдаче патента). Шумовой сигнал принимают (фактически имеется ввиду прием смеси сигнала шумоизлучения и помехи) антенной, которая предполагается остро направленной в вертикальной и горизонтальной плоскости.The closest in technical essence to the claimed method is the detection method set forth in RF application No. 2005113369/09 (015399) dated 05/03/2005 (decision of 09/21/2006 on the grant of a patent). A noise signal is received (in fact, it means receiving a mixture of a noise signal and an interference) by an antenna, which is supposed to be sharply directed in the vertical and horizontal plane.

В способе-прототипе реализуются операции приема шумовых сигналов в горизонтальной и вертикальной плоскости многоэлементной антенной решеткой гидролокатора и осуществляют первичную обработку, для чего:The prototype method implements the operation of receiving noise signals in the horizontal and vertical plane by a multi-element array of sonar and carry out the initial processing, for which:

преобразуют в цифровую форму напряжения шумовых сигналов антенной решетки, выполняют преобразование Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов антенной решетки, вычисляют для каждого из полученных частотных отсчетов амплитудные и фазовые коэффициенты синфазного сложения напряжений сигналов антенной решетки, суммируют выходные напряжения сигналов антенной решетки с постоянными весами, равными произведению амплитудных и фазовых коэффициентов, чем образуют пространственные каналы наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, осуществляют оптимизированную частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов для каждого пространственного канала наблюдения в горизонтальной плоскости;the voltage of the noise signals of the antenna array is converted into digital form, the Fourier transform of the samples of the voltages of the noise signals of the antenna array is performed, the amplitude and phase coefficients of the in-phase summation of the voltages of the signals of the antenna array are calculated for each of the received frequency samples, the output voltages of the signals of the antenna array with constant weights equal to the product amplitude and phase coefficients, which form the spatial observation channels in the horizontal and vertical plane yy, carry out the optimized time-frequency processing of the received noise signals for each spatial observation channel in the horizontal plane;

после этого квадрируют и осуществляют вторичную обработку на каждом цикле обзора, для чего:after that, they square and carry out secondary processing on each review cycle, for which:

суммируют по всем частотным отсчетам выходные напряжения образованных пространственных каналов в фиксированном частотном диапазоне, усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы к помехе, осуществляют наблюдение на каждом цикле обзора полученных отметок принятых шумовых сигналов и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха.summarize over all frequency samples the output voltages of the formed spatial channels in a fixed frequency range, averaged over time, center and normalize the noise signals to noise, observe at each review cycle the received marks of the received noise signals, and decide whether to detect the signal ratio by comparison with the threshold value interference.

Оптимизированная частотно-временная обработка заключается в том, что:The optimized time-frequency processing is that:

осуществляют прием шумового сигнала статическим вертикальным веером одновременно в нескольких направлениях вертикальной плоскости каждого пространственного канала наблюдения в составе статического веера в горизонтальной плоскости, оптимизируют прием каждым горизонтальным пространственным каналом путем выбора наиболее вероятных углов приема в вертикальной плоскости для существующих гидроакустических условий подводного наблюдения для чего:receive a noise signal with a static vertical fan simultaneously in several directions of the vertical plane of each spatial observation channel as part of a static fan in the horizontal plane, optimize the reception of each horizontal spatial channel by selecting the most probable vertical angles of reception for the existing sonar conditions for underwater observation for which:

осуществляют обработку принимаемых шумовых сигналов с весами, пропорциональными расчетному отношению сигнал-помеха в вертикальных пространственных каналах, перед накоплением на последовательных циклах обзора и суммируют с расчетными весами принятые нормированные к помехе шумовые сигналы вертикальных пространственных каналов.they process the received noise signals with weights proportional to the calculated signal-to-noise ratio in the vertical spatial channels before accumulating them in successive review cycles and summarize the accepted noise-normalized vertical spatial channel noise signals with the calculated weights.

Способ хорошо работает при изотропной шумовой помехе и при анизотропных шумах моря, в условиях, когда можно пренебречь вкладом интенсивных помех направленных источников, приходящих с других направлений в горизонтальной плоскости. При этом наибольшей эффективности обнаружения шумовых сигналов достигают при максимизации коэффициента концентрации и коэффициента помехоустойчивости в направлении приема шумового сигнала. Здесь и далее использованный термин "коэффициент помехоустойчивости" является обобщающим по отношению к классическому термину "коэффициент концентрации" (см. Справочник по гидроакустике, Л.: Судостроение, 1988, с.305, 308-309). Помехоустойчивость антенны в дальнем анизотропном поле помех может определяться в этом случае через пространственный спектр поля распределенных помех.The method works well with isotropic noise interference and with anisotropic noise of the sea, under conditions where the contribution of intense interference from directed sources coming from other directions in the horizontal plane can be neglected. Moreover, the highest detection efficiency of noise signals is achieved by maximizing the concentration coefficient and noise immunity coefficient in the direction of receiving the noise signal. Hereinafter, the term “noise immunity coefficient” used is generalizing with respect to the classical term “concentration coefficient” (see the Reference book on hydroacoustics, L .: Shipbuilding, 1988, p.305, 308-309). The noise immunity of the antenna in the far anisotropic interference field can be determined in this case through the spatial spectrum of the distributed noise field.

Недостатком способа является то, что этот способ не позволяет обеспечить одновременно максимизацию указанных коэффициентов. К недостаткам прототипа относится низкая избирательность к помехе направленных источников вследствие ограничений габаритов антенны на носителях и наличия флуктуации волновых фронтов источников в большом пространственном интервале. Кроме того, отсутствует обеспечение селекции направленных шумовых помех, ориентированной на получение высокого разрешения. Весовое суммирование, примененное в прототипе, приводит к успеху в условиях относительно слабых направленных шумовых помех. Использование обработки с постоянными весовыми коэффициентами проблематично при сближении сигнала по углу с направленными шумовыми помехами или при воздействии интенсивных шумовых помех, что приводит к пропаданию сигнала на длительное время.The disadvantage of this method is that this method does not allow for the simultaneous maximization of these coefficients. The disadvantages of the prototype include low selectivity to interference from directional sources due to limitations in the dimensions of the antenna on the media and the presence of fluctuations in the wave fronts of the sources in a large spatial interval. In addition, there is no provision for selection of directional noise interference, focused on obtaining high resolution. The weighted summation used in the prototype leads to success in conditions of relatively weak directed noise interference. The use of processing with constant weighting factors is problematic when the signal approaches the angle with directed noise interference or when exposed to intense noise interference, which leads to the loss of the signal for a long time.

Задачей изобретения является: повышение избирательности к помехе направленных источников при наличии указанных ограничений, обеспечение селекции направленных шумовых помех, ориентированной на получение высокого разрешения, т.е. создание способа обнаружения шумящих объектов, который одновременно позволил бы с большей достоверностью, чем в способе прототипа определить наличие шумового сигнала цели и длительно поддерживать акустический контакт с целью, уменьшив время маскирования помехой и пропадания сигнала с потерей акустического контакта.The objective of the invention is: to increase the selectivity to interference of directional sources in the presence of these restrictions, to ensure the selection of directional noise interference, focused on obtaining high resolution, i.e. the creation of a method for detecting noisy objects, which would at the same time make it possible to more accurately determine the presence of a target noise signal and maintain acoustic contact with the target with greater reliability than in the prototype method, reducing the time for masking noise and signal loss with loss of acoustic contact.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение достоверности обнаружения и длительного поддержания контакта цели путем учета гидроакустических условий наблюдения шумящих объектов и более полной селекции шумовых сигналов в аддитивной смеси направленных шумовых помех по углу в вертикальной или горизонтальной плоскости.The technical result of the proposed method is to increase the reliability of detection and long-term maintenance of the target’s contact by taking into account the hydroacoustic conditions for observing noisy objects and more complete selection of noise signals in an additive mixture of directed noise interference along an angle in a vertical or horizontal plane.

Для обеспечения указанного технического результата в способ обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне, при котором принимают шумовые сигналы в горизонтальной и вертикальной плоскостях многоэлементной антенной решеткой гидролокатора и осуществляют первичную обработку, для чего:To ensure the specified technical result, a method for detecting objects that are noisy at sea in a fixed frequency range, in which noise signals are received in the horizontal and vertical planes by a multi-element antenna array of a sonar and carry out initial processing, for which:

преобразуют в цифровую форму напряжения шумовых сигналов антенной решетки, выполняют преобразование Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов антенной решетки,convert into digital form the voltage of the noise signals of the antenna array, perform the Fourier transform of the samples of the voltage of the noise signals of the antenna array,

вычисляют для каждого из полученных частотных отсчетов амплитудные и фазовые коэффициенты синфазного сложения напряжений сигналов антенной решетки,calculate for each of the obtained frequency samples the amplitude and phase coefficients of the in-phase addition of the voltage of the signals of the antenna array,

суммируют выходные напряжения сигналов антенной решетки с постоянными весами, равными произведению амплитудных и фазовых коэффициентов, чем образуют пространственные каналы наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскостях,summarize the output voltages of the signals of the antenna array with constant weights equal to the product of the amplitude and phase coefficients, which form the spatial observation channels in the horizontal and vertical planes,

квадрируют и осуществляют вторичную обработку на каждом цикле обзора, для чего:they quadrate and carry out secondary processing on each review cycle, for which:

суммируют по всем частотным отсчетам выходные напряжения образованных пространственных каналов в фиксированном частотном диапазоне,summarize over all frequency samples the output voltages of the formed spatial channels in a fixed frequency range,

усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы к помехе,average over time, center and normalize noise signals to interference,

осуществляют наблюдение на каждом цикле обзора полученных отметок принятых шумовых сигналов и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха,monitor on each review cycle the received marks of the received noise signals and decide on detection by comparing with the threshold value of the signal-to-noise ratio,

введены новые признаки, а именно, на каждом цикле обзора до квадрирования для каждого частотного отсчета формируют адаптивные пространственные каналы наблюдения, каждый из которых образован, по крайней мере, тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной или в вертикальной плоскостях, для чего:new features have been introduced, namely, on each review cycle before squaring, adaptive spatial observation channels are formed for each frequency reference, each of which is formed by at least three adjacent spatial channels in the horizontal or vertical planes, for which:

формируют взаимные спектры мощности между шумовыми сигналами пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения,form mutual power spectra between the noise signals of the spatial channels involved in the formation of the adaptive spatial observation channel,

накапливают взаимные спектры мощности шумовых сигналов для заданного времени накопления,accumulate mutual power spectra of noise signals for a given accumulation time,

составляют матрицу накопленных взаимных спектров мощности шумовых сигналов и осуществляют ортогональное преобразование матрицы,compose a matrix of accumulated mutual power spectra of noise signals and perform orthogonal transformation of the matrix,

вычисляют векторы фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения,calculate the phase coefficient vectors of the in-phase addition of the signals of the spatial channels involved in the formation of the adaptive spatial observation channel,

вычисляют вектор выходных напряжений пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала путем решения векторно-матричного уравнения, записанного для ортогонально преобразованной матрицы накопленных взаимных спектров мощности и вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения,calculate the vector of the output voltages of the spatial channels involved in the formation of the adaptive spatial channel by solving the vector-matrix equation written for the orthogonally transformed matrix of accumulated mutual power spectra and the phase coefficient vector of the in-phase addition,

квадрирование производят, вычисляя отклик полученного адаптивного пространственного канала наблюдения, который равен обратной величине, равной сумме квадратов элементов вектора выходных напряжений,the squaring is performed by calculating the response of the resulting adaptive spatial observation channel, which is equal to the reciprocal equal to the sum of the squared elements of the output voltage vector,

а вторичную обработку осуществляют для выходных напряжений адаптивных пространственных каналов наблюдения.and secondary processing is carried out for the output voltages of the adaptive spatial observation channels.

Известно, что введение весовой обработки шумовых сигналов по адаптивному алгоритму позволяет повысить избирательность к помехе направленных источников при наличии указанных выше ограничений, обеспечить селекцию направленных шумовых помех, ориентированной на получение высокого разрешения. Однако адаптация, произведенная по полной схеме, то есть при большом количестве пространственных каналов многоэлементной антенной решетки гидролокатора, сильно усложняет процедуру и увеличивает время вычислительных операций пространственно - частотно - временной обработки с адаптацией.It is known that the introduction of weight processing of noise signals using an adaptive algorithm allows to increase the selectivity to interference of directional sources in the presence of the above limitations, to ensure the selection of directional noise interference, focused on obtaining high resolution. However, the adaptation made according to the full scheme, that is, with a large number of spatial channels of a multi-element sonar antenna array, greatly complicates the procedure and increases the computational time of spatial - frequency - time processing with adaptation.

Предлагаемый способ обнаружения шумовых сигналов, благодаря тому, что корреляционная матрица шумовых сигналов может быть сокращена до размеров пространства сигналов, позволяет выполнять обработку информации, поступающей от смежных пространственных каналов в уменьшенном количестве, с помощью адаптивных устройств упрощенной структуры.The proposed method for detecting noise signals, due to the fact that the correlation matrix of noise signals can be reduced to the size of the signal space, allows the processing of information received from adjacent spatial channels in a reduced amount using adaptive devices of a simplified structure.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими изображениями, на которых показаны: на фиг.1 - блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ, на фиг.2 - блок-схема способа обнаружения как последовательность операций.The present invention is illustrated by graphical images, which show: in Fig.1 is a block diagram of a device that implements the inventive method, Fig.2 is a block diagram of a detection method as a sequence of operations.

Способ обнаружения реализуется устройством - шумопеленгаторной станцией с системой пространственной обработки сигналов - УФХН (см. "Гидроакустические средства...", Карякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.Н., 2005 г., стр.173, рис.2.5).The detection method is implemented by a device - a noise-finding station with a spatial signal processing system - UFN (see "Hydroacoustic means ...", Karyakin Yu.A., Smirnov S.A., Yakovlev G.N., 2005, p. 173 , fig. 2.5).

Устройство обнаружения шумящих в море объектов фиг.1 состоит из многоэлементной, например, цилиндрической гидроакустической антенны 1. Элементы антенны соединены с устройством предварительной обработки, далее - с системами пространственной обработки блока 2, затем первичной обработки информации 5.1...5.А и системой вторичной обработки информации 11.The device for detecting noisy objects in the sea of figure 1 consists of a multi-element, for example, a cylindrical sonar antenna 1. The antenna elements are connected to the preliminary processing device, then to the spatial processing systems of block 2, then the primary information processing 5.1 ... 5.A and the system secondary processing of information 11.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью приемной системы следующим образом.The proposed method is carried out using a receiving system as follows.

Шумовые сигналы принимаются многоэлементной гидроакустической антенной 1 в горизонтальной и в вертикальной плоскости. В блоках 2-4 (операции 16-18, фиг.2) формируют статический горизонтальный и вертикальный веер соответственно М и N характеристик направленности. Шумовые сигналы принимают каждым из А=М*N пространственных каналов, которые получены для частоты fk (где fk=kΔf, Δf - заранее выбранный шаг по частоте в результате выполнения в блоке 2 операции 17 преобразования Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов). Целые числа k находятся в интервале от kн до kв, при этом фиксированный частотный диапазон расположен в интервале от

Figure 00000002
до
Figure 00000003
Noise signals are received by a multi-element sonar antenna 1 in the horizontal and vertical plane. In blocks 2-4 (operations 16-18, figure 2) form a static horizontal and vertical fan, respectively, M and N directional characteristics. Noise signals are received by each of the A = M * N spatial channels that are obtained for the frequency f k (where f k = kΔf, Δf is the preselected frequency step as a result of performing, in block 2, operation 17 of the Fourier transform of the noise signal voltage samples). The integers k are in the range from k n to k in , with a fixed frequency range located in the range from
Figure 00000002
before
Figure 00000003

Далее в блоках 6 (6.1...6.А) производят формирование А (операция 19, фиг.2) адаптивных пространственных каналов наблюдения, каждый из которых образован, по крайней мере, тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной Q=3 или в вертикальной плоскости R=3. При этом используют выходы смежных пространственных каналов, разнесенные по углу в горизонтальной или вертикальной плоскости обзора, по крайней мере, на ширину характеристики направленности для k-той частотной составляющей. Согласно результатам проведенного моделирования заявляемого способа целесообразен выбор каналов с данным разнесением по углу, так как при большем разнесении уменьшается помехоустойчивость обнаружителя, а при меньшем - понижается устойчивость адаптивного алгоритма, возникают ложные сигналы.Next, in blocks 6 (6.1 ... 6.A), A is formed (operation 19, Fig. 2) of adaptive spatial observation channels, each of which is formed by at least three adjacent spatial channels in horizontal Q = 3 or in vertical plane R = 3. In this case, the outputs of adjacent spatial channels are used, spaced at an angle in the horizontal or vertical viewing plane, at least by the width of the directivity characteristic for the k-th frequency component. According to the results of the simulation of the proposed method, it is advisable to select channels with this diversity in angle, since with greater diversity, the noise immunity of the detector decreases, and with a smaller diversity, the stability of the adaptive algorithm decreases, false signals arise.

Затем в блоках 7 (7.1...7.А) производят в каждом из А адаптивных пространственных каналов формирование и накопление в течение заданного времени взаимных спектров мощности

Figure 00000004
шумовых сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения. При этом составляют матрицу ФПК размера соответственно Q×Q или R×R накопленных взаимных спектров мощности
Figure 00000005
шумовых сигналов (операция 20, фиг.2).Then, in blocks 7 (7.1 ... 7.A), in each of A adaptive spatial channels, mutual power spectra are formed and accumulated for a given time
Figure 00000004
noise signals of spatial channels involved in the formation of an adaptive spatial observation channel. In this case, a matrix F of PCs of size Q × Q or R × R of the accumulated mutual power spectra is respectively
Figure 00000005
noise signals (operation 20, figure 2).

В блоках 8 (8.1...8.А) осуществляют ортогональное преобразование матрицы ФПК (операция 21), используя процедуры треугольного разложения матрицы на множители

Figure 00000006
и
Figure 00000007
в матричном видеIn blocks 8 (8.1 ... 8.A), an orthogonal transformation of the matrix Φ PK is performed (operation 21) using the triangular factorization procedure
Figure 00000006
and
Figure 00000007
in matrix form

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
Figure 00000010
- нижняя и верхняя треугольные матрицы с элементами, вычисленными по алгоритму квадратного корня (см. например, в книге Б.П.Демидовича и И.А.Марона "Основы вычислительной математики", М., Гос. изд. физ. - мат. л-ры, 1963, стр.287-288).Where
Figure 00000009
Figure 00000010
- lower and upper triangular matrices with elements calculated by the square root algorithm (see, for example, in the book by B. P. Demidovich and I. A. Maron, "Fundamentals of Computational Mathematics", M., State Publishing House of Physics and Mathematics. L-ry, 1963, pp. 287-288).

В блоках 15 (15.1...15.А) вычисляют фазовые коэффициенты соответственно Рq0, θ0, k) или Рr0, θ0, k) и формируют вектор с элементами Рq0, θ0, k) или Рr0, θ0, k) синфазного сложения сигналов в плоской волне для фазовых центров Q или R пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения. Возможен также очевидный вариант реализации, при котором элемент Рq0, θ0, k) и Рr0, θ0, k) вычисляют, например, как характеристику направленности антенной решетки для плоской волны (операция 22). Упомянутые расчеты могут быть проведены по алгоритмам, приведенным, например, в книге Матвиенко В.Н., Тарасюка Ю.Ф. "Дальность действия гидроакустических средств", Л., Судостроение, 1981 г., стр.212-214. Совокупность операций 22 в блоках 15 (15.1...15.А) реализуется путем предварительного расчета и запоминания фазовых коэффициентов. Рассчитанные значения фазовых коэффициентов Рq0, θ0, k) и Рr0, θ0, k) заносятся в долговременную (постоянную) память запоминающего устройства.In blocks 15 (15.1 ... 15.A), the phase coefficients P q0 , θ 0 , k) or P r0 , θ 0 , k) are calculated and a vector with elements P q0 , θ 0 , k) or P r0 , θ 0 , k) in-phase addition of signals in a plane wave for phase centers Q or R of spatial channels involved in the formation of an adaptive spatial observation channel. An obvious implementation option is also possible in which the element P q0 , θ 0 , k) and P r0 , θ 0 , k) are calculated, for example, as the directivity of the antenna array for a plane wave (operation 22). The mentioned calculations can be carried out according to the algorithms given, for example, in the book by Matvienko V.N., Tarasyuk Yu.F. "Range of action of hydroacoustic means", L., Shipbuilding, 1981, pp. 212-214. The set of operations 22 in blocks 15 (15.1 ... 15.A) is implemented by preliminary calculation and storing phase coefficients. The calculated values of the phase coefficients P q0 , θ 0 , k) and P r0 , θ 0 , k) are recorded in the long-term (permanent) memory of the storage device.

Операции 22 в блоках 15 (15.1...15.А) проводят независимо от остальных операций и обеспечивают получение данных для вычислительных операций 23.Operations 22 in blocks 15 (15.1 ... 15.A) are carried out independently of other operations and provide data for computational operations 23.

В блоках 9 (9.1...9.А) вычисляют на k-той частоте совокупность Q или R спектральных откликов

Figure 00000011
или
Figure 00000012
образующих соответственно вектор
Figure 00000013
или
Figure 00000014
выходных напряжений пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала (операция 23). Вычисление осуществляют по формуле в векторно-матричном виде
Figure 00000015
где соответственно Р={Рq00,k)} или Р={Pr00,k} - вектор-столбец фазовых коэффициентов,
Figure 00000016
- нижняя треугольная матрица ортогонального разложения матрицы взаимных спектров мощности ФПК. Упомянутые расчеты могут быть проведены по алгоритмам, приведенным, например, в упомянутой книге Б.П.Демидовича и И.А.Марона, глава VIII, §2.In blocks 9 (9.1 ... 9.A), the set of Q or R spectral responses is calculated at the k-th frequency
Figure 00000011
or
Figure 00000012
forming respectively a vector
Figure 00000013
or
Figure 00000014
the output voltages of the spatial channels involved in the formation of the adaptive spatial channel (operation 23). The calculation is carried out according to the formula in a vector-matrix form
Figure 00000015
where, respectively, P = {P q0 , θ 0 , k)} or P = {P r0 , θ 0 , k} is the column vector of phase coefficients,
Figure 00000016
- the lower triangular matrix of the orthogonal decomposition of the matrix of mutual power spectra Φ PC . The above calculations can be carried out according to the algorithms given, for example, in the mentioned book of B.P. Demidovich and I.A. Maron, chapter VIII, §2.

В блоках 10 (10.1...10.А) вычисляют для k-той частотной составляющей отклик каждого из А адаптивных пространственных каналов наблюдения

Figure 00000017
в горизонтальной или вертикальной плоскости (операция 24), равный обратной величине суммы квадратов элементов вектора выходных напряжений, для горизонтальной плоскости по формулеIn blocks 10 (10.1 ... 10.A), for the k-th frequency component, the response of each of A adaptive spatial observation channels is calculated
Figure 00000017
in the horizontal or vertical plane (operation 24), equal to the reciprocal of the sum of the squares of the elements of the output voltage vector, for the horizontal plane according to the formula

Figure 00000018
Figure 00000018

или для вертикальной плоскости по формулеor for the vertical plane according to the formula

Figure 00000019
Figure 00000019

В блоке 12 суммируют по всем частотным отсчетам отклики каждого из А адаптивных пространственных каналов наблюдения в фиксированном частотном диапазоне

Figure 00000020
усредняют по времени, центрируют и нормируют, производят наблюдение сигналов на каждом цикле обзора (операции 25 и 26).In block 12, the responses of each of A adaptive spatial observation channels in a fixed frequency range are summed over all frequency samples
Figure 00000020
averaged over time, center and normalize, observe the signals on each review cycle (operations 25 and 26).

Принимают решение об обнаружении сигнала в блоке 13 при превышении порогового значения отношением сигнал-помеха в пространственном канале (операция 27); регистрация, развертывание на панорамном индикаторе отметок сигналов на каждом цикле обзора реализуется в блоке 14 (операция 28).Make a decision about detecting the signal in block 13 when the threshold value is exceeded by the signal-to-noise ratio in the spatial channel (operation 27); registration, deployment on the panoramic indicator of signal marks at each review cycle is implemented in block 14 (operation 28).

Результаты моделирования заявляемого способа показали, что применение управления амплитудно-фазовым распределением по адаптивному алгоритму смежных пространственных каналов, которые уже обладают высокой пространственной избирательностью к распределенной помехе, обеспечивают большую помехоустойчивость, чем применение управления амплитудно-фазовым распределением слабо направленных приемников антенной решетки.The simulation results of the proposed method showed that the use of amplitude-phase distribution control by the adaptive algorithm of adjacent spatial channels, which already have high spatial selectivity to distributed interference, provide greater noise immunity than the use of amplitude-phase distribution control of weakly directed receivers of the antenna array.

Это позволило обнаруживать шумящие объекты с большей достоверностью, чем в способе прототипа, раньше определять наличие сигнала цели и длительно поддерживать акустический контакт с целью, уменьшив время маскирования помехой и время пропадания сигнала с потерей акустического контакта. При этом сохраняется высоким коэффициент концентрации гидроакустической антенны.This made it possible to detect noisy objects with greater reliability than in the prototype method, earlier to determine the presence of the target signal and to maintain acoustic contact with the target for a long time, reducing the time for masking the noise and the time the signal disappears with the loss of acoustic contact. At the same time, the concentration coefficient of the hydroacoustic antenna remains high.

Наряду с упомянутым выше моделированием заявляемого объекта с имитацией сигналов и помех была проведена обработка и записей реальных сигналов и помех, выполненных в натурных условиях, которая подтвердила полученные результаты моделирования.Along with the aforementioned modeling of the inventive object with simulation of signals and interference, processing of real signals and interference records made in the field was carried out, which confirmed the obtained simulation results.

Claims (1)

Способ обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне, при котором принимают шумовые сигналы в горизонтальной и вертикальной плоскостях многоэлементной антенной решеткой гидролокатора и осуществляют первичную обработку, для чего преобразуют в цифровую форму напряжения шумовых сигналов антенной решетки, выполняют преобразование Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов антенной решетки, вычисляют для каждого из полученных частотных отсчетов амплитудные и фазовые коэффициенты синфазного сложения напряжений сигналов антенной решетки, суммируют выходные напряжения сигналов антенной решетки с постоянными весами, равными произведению амплитудных и фазовых коэффициентов, чем образуют пространственные каналы наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, квадрируют и осуществляют вторичную обработку на каждом цикле обзора, для чего суммируют по всем частотным отсчетам выходные напряжения образованных пространственных каналов в фиксированном частотном диапазоне, усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы к помехе, осуществляют наблюдение на каждом цикле обзора полученных отметок принятых шумовых сигналов и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха, отличающийся тем, что на каждом цикле обзора до квадрирования для каждого частотного отсчета формируют адаптивные пространственные каналы наблюдения, каждый из которых образован, по крайней мере, тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной или в вертикальной плоскости, для чего формируют взаимные спектры мощности между шумовыми сигналами пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения, накапливают взаимные спектры мощности шумовых сигналов для заданного времени накопления, составляют матрицу накопленных взаимных спектров мощности шумовых сигналов и осуществляют ортогональное преобразование матрицы, вычисляют векторы фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения, вычисляют вектор выходных напряжений пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала путем решения векторно-матричного уравнения для ортогонально преобразованной матрицы накопленных взаимных спектров мощности и вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов, квадрирование производят, вычисляя отклик полученного адаптивного пространственного канала наблюдения, равного обратной величине суммы квадратов элементов вектора выходных напряжений, а вторичную обработку осуществляют для выходных напряжений адаптивных пространственных каналов наблюдения.A method for detecting objects that are noisy at sea in a fixed frequency range, in which noise signals are received in horizontal and vertical planes by a multi-element sonar array and carry out initial processing, which is converted into digital form by the voltage of the noise signals of the antenna array, and the Fourier transform of the samples of voltage of the noise signals by the antenna gratings, the amplitude and phase coefficients of the common-mode voltage addition are calculated for each of the obtained frequency samples of the antenna array signals, summarize the output voltages of the antenna array signals with constant weights equal to the product of the amplitude and phase coefficients, which form spatial observation channels in the horizontal and vertical planes, square and perform secondary processing on each review cycle, for which they are summed over all frequency samples the output voltages of the formed spatial channels in a fixed frequency range are averaged over time, the noise signals are centered and normalized to Exe, they observe on each review cycle the received marks of the received noise signals and make a decision on detection by comparing with the threshold value the signal-to-noise ratio, characterized in that adaptive spatial observation channels are formed on each review cycle for each frequency reference, each which are formed by at least three adjacent spatial channels in the horizontal or vertical plane, for which they form mutual power spectra between the noise the signals of the spatial channels involved in the formation of the adaptive spatial observation channel, accumulate the mutual power spectra of the noise signals for a given accumulation time, compose a matrix of the accumulated mutual power spectra of the noise signals and perform orthogonal transformation of the matrix, calculate the phase coefficient vectors of the common-mode addition of the signals of the spatial channels involved in forming an adaptive spatial observation channel, calculate the output vector voltages of the spatial channels involved in the formation of the adaptive spatial channel by solving the vector-matrix equation for the orthogonally transformed matrix of the accumulated mutual power spectra and the vector of phase coefficients of the in-phase signal addition, the squaring is performed by calculating the response of the resulting adaptive spatial observation channel equal to the inverse of the sum of the squares of the vector elements output voltages, and secondary processing is carried out for output voltages adaptive spatial observation channels.
RU2007118774/09A 2007-05-21 2007-05-21 Method of sea noisy objects detection RU2339050C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007118774/09A RU2339050C1 (en) 2007-05-21 2007-05-21 Method of sea noisy objects detection

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007118774/09A RU2339050C1 (en) 2007-05-21 2007-05-21 Method of sea noisy objects detection

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2339050C1 true RU2339050C1 (en) 2008-11-20

Family

ID=40241419

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007118774/09A RU2339050C1 (en) 2007-05-21 2007-05-21 Method of sea noisy objects detection

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2339050C1 (en)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2498238C2 (en) * 2011-10-28 2013-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Method of localising noise emission areas of moving vehicle
RU2549207C2 (en) * 2013-06-03 2015-04-20 Айтпек Безембаевич Смагулов Device for detecting hydroacoustic noise signals based on quadrature receiver
RU2555192C1 (en) * 2014-03-12 2015-07-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method of underwater situation coverage
RU2555194C1 (en) * 2014-03-31 2015-07-10 ОАО "Концерн "Океанприбор" Processing of hydroacoustic signal from noise-emitting object
RU2561010C1 (en) * 2014-06-02 2015-08-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method for adaptive processing of noise emission signal
RU2572792C1 (en) * 2014-10-29 2016-01-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method of integrating noisy sea object detection systems
RU2590933C1 (en) * 2015-04-27 2016-07-10 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Device for obtaining information on noisy object in sea
RU2602732C1 (en) * 2015-06-25 2016-11-20 Акционерное общество "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева" Method for passive determination of coordinates of noisy object in the sea
RU2689968C1 (en) * 2018-03-29 2019-05-29 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of classification of marine objects in a typical sound locating station
RU2694782C1 (en) * 2018-06-22 2019-07-16 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of detecting noisy objects in sea
RU2700797C1 (en) * 2019-02-27 2019-09-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Method to detect noisy objects in shallow sea
CN110501728A (en) * 2018-05-16 2019-11-26 清华大学 The frequency discrimination method and frequency discrimination device of signal when locating base station is jumped
RU2726291C1 (en) * 2019-10-14 2020-07-10 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for detection and classification of hydro acoustic signals of marine object noise emission

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2498238C2 (en) * 2011-10-28 2013-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Method of localising noise emission areas of moving vehicle
RU2549207C2 (en) * 2013-06-03 2015-04-20 Айтпек Безембаевич Смагулов Device for detecting hydroacoustic noise signals based on quadrature receiver
RU2555192C1 (en) * 2014-03-12 2015-07-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method of underwater situation coverage
RU2555194C1 (en) * 2014-03-31 2015-07-10 ОАО "Концерн "Океанприбор" Processing of hydroacoustic signal from noise-emitting object
RU2561010C1 (en) * 2014-06-02 2015-08-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method for adaptive processing of noise emission signal
RU2572792C1 (en) * 2014-10-29 2016-01-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method of integrating noisy sea object detection systems
RU2590933C1 (en) * 2015-04-27 2016-07-10 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Device for obtaining information on noisy object in sea
RU2602732C1 (en) * 2015-06-25 2016-11-20 Акционерное общество "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева" Method for passive determination of coordinates of noisy object in the sea
RU2689968C1 (en) * 2018-03-29 2019-05-29 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of classification of marine objects in a typical sound locating station
CN110501728A (en) * 2018-05-16 2019-11-26 清华大学 The frequency discrimination method and frequency discrimination device of signal when locating base station is jumped
CN110501728B (en) * 2018-05-16 2022-03-29 清华大学 Frequency discrimination method and device for time hopping signal of positioning base station
RU2694782C1 (en) * 2018-06-22 2019-07-16 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of detecting noisy objects in sea
RU2700797C1 (en) * 2019-02-27 2019-09-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Method to detect noisy objects in shallow sea
RU2726291C1 (en) * 2019-10-14 2020-07-10 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for detection and classification of hydro acoustic signals of marine object noise emission

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2339050C1 (en) Method of sea noisy objects detection
RU2298203C2 (en) Mode of detection of noisy objects in the sea
EP2263097B1 (en) Autonomous sonar system and method
Bilik Spatial compressive sensing for direction-of-arrival estimation of multiple sources using dynamic sensor arrays
US8669901B2 (en) Method for determining azimuth and elevation angles of arrival of coherent sources
Bereketli et al. Experimental results for direction of arrival estimation with a single acoustic vector sensor in shallow water
CN109765521A (en) A kind of Beam Domain imaging method based on Subarray partition
Lo Adaptive array processing for wide-band active sonars
RU2515179C1 (en) Method of determining direction of hydroacoustic transponder in multibeam navigation signal propagation conditions
Ellis et al. A normal mode reverberation and target echo model to interpret towed array data in the target and reverberation experiments
CN107229044B (en) A kind of strong and weak object detection method based on proper subspace azimuth stabilization
US8116169B2 (en) Active sonar system and active sonar method using noise reduction techniques and advanced signal processing techniques
Blomberg et al. Adaptive sonar imaging using aperture coherence
RU2723145C1 (en) Method and device for detecting noisy objects in the sea with onboard antenna
RU2694782C1 (en) Method of detecting noisy objects in sea
KR102159631B1 (en) Method for processing the signal for an adaptive beamformer using sub-band steering covariance matrix
CN108088547A (en) A kind of weak target passive detection method based on small-bore two-dimensional vector hydrophone battle array
US6525994B2 (en) Tracking system and method of operation thereof
US7228236B2 (en) Subarray matching beamformer apparatus and method
KR101934035B1 (en) Method and program for measuring ocean current information, and ocean radar system using the same
de Moustier OS-CFAR detection of targets in the water column and on the seafloor with a multibeam echosounder
CN109861770B (en) Broadband signal detection method based on beam forming output power combination
CN108919189B (en) Array signal processing method for frequency and orientation joint estimation
Bardhan et al. Experimental observation of direction-of-arrival (DOA) estimation algorithms in a tank environment for sonar application
Rypkema et al. Memory-efficient approximate three-dimensional beamforming

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180522