RU2559310C2

RU2559310C2 - Method of estimating distance to noisy object at sea

Info

Publication number: RU2559310C2
Application number: RU2013146761/28A
Authority: RU
Inventors: Ирина Дмитриевна Зеленкова; Максим Николаевич Никулин; Валерий Григорьевич Тимошенков
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-08-10
Also published as: RU2013146761A

Abstract

FIELD: physics, acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to hydroacoustics and can be used to determine distance to a noisy object. The method includes receiving a hydroacoustic noise signal using halves of a hydroacoustic antenna; measuring the cross spectrum between hydroacoustic noise signals received by the halves of the hydroacoustic antenna; measuring the autocorrelation function of said cross spectrum; determining presence of flexures of the autocorrelation function, and in the absence thereof, measuring ΔT_meas - the width of the primary maximum of the autocorrelation function at the level of 0.1; determining a calibration coefficient M=D_known./ΔT_d.known., where D_known. is the known distance of detecting a target with fixed noise emission with a known spectral decay, ΔT_d.known. is the width of the primary maximum of the autocorrelation function corresponding to the known distance; and determining distance to the target using the formula D=ΔT_meas*M.

EFFECT: high reliability of measuring distance in shipping interfering conditions.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке систем шумопеленгования для гидроакустических комплексов.The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used in the development of noise detection systems for sonar systems.

Известны пассивные методы определения дистанции по составу спектра принимаемого сигнала (Спицин Е.И., Проскурякова Т.В. Способ наименьших квадратов в спектральном методе определения дистанции при однолучевом приеме // Вопросы кораблестроения. Сер. Акустика. ЦНИИ «Румб» 1977 г. Вып. 8; Исак В.А. Измерение дистанции пассивными методами // Морской сборник 1987 г., №5, стр. 68-70; Демиденко В.А. Частотный метод оценки расстояния и его эффективность при работе ГАС в пассивном режиме // Гидроакустика, 1993 г. Вып 1. Стр. 3-16. Для оценки дистанции спектральные методы используют в качестве физической основы зависимость степени затухания интенсивности звука от частоты при распространении в водной среде.Known are passive methods for determining the distance from the composition of the spectrum of the received signal (Spitsin E.I., Proskuryakova T.V. The least squares method in the spectral method for determining the distance with single-beam reception // Shipbuilding Issues. Ser. Acoustics. Central Research Institute "Rumb" 1977 Issue .8; Isak V.A. Measurement of distance by passive methods // Marine collection of 1987, No. 5, p. 68-70; Demidenko V.A. Frequency method of distance estimation and its effectiveness when running HAS in passive mode // Hydroacoustics , 1993 Issue 1. Pages 3-16. Spectral method for distance estimation We use as a physical basis the dependence of the degree of attenuation of sound intensity on frequency when propagating in an aqueous medium.

Известен способ, в котором в качестве параметра для оценки дистанции, используют закон спада (наклон) спектра сигнала в точке приема (Демиденко В.А., Перельмутер Ю.С. Спектральный метод оценки дистанции // Гидроакустика 2006 г. Вып. 6. Стр. 51-59).There is a method in which as a parameter for estimating the distance, use the law of decline (slope) of the signal spectrum at the receiving point (Demidenko V.A., Perelmuter Yu.S. Spectral method for estimating the distance // Hydroacoustics 2006 Issue 6. Page . 51-59).

Этот способ предполагает сопровождение цели в режиме шумопеленгования, спектральный анализ сигнала в широкой полосе частот, измерение спада спектра сигнала в точке приема, определение дистанции до цели по результатам этого измерения, с учетом априорных знаний параметров формы спектра сигнала, излучаемого целью, и величины пространственного затухания в морской среде. Этот способ наиболее близок к предлагаемому изобретению и поэтому выбран в качестве прототипа.This method involves tracking the target in noise-detecting mode, spectral analysis of the signal in a wide frequency band, measuring the decline of the signal spectrum at the receiving point, determining the distance to the target from the results of this measurement, taking into account a priori knowledge of the parameters of the shape of the spectrum of the signal emitted by the target and the spatial attenuation in the marine environment. This method is closest to the proposed invention and is therefore selected as a prototype.

Современные системы приема и обработки сигналов шумоизлучения работают в условиях повышенного судоходства, и поэтому на входе гидроакустической антенны могут присутствовать сигналы, принадлежащие нескольким источникам шумоизлучения, расположенным на различных дистанциях, но находящихся в одном и том же направлении. Поэтому принимаемый сигнал шумоизлучения будет содержать несколько составляющих от нескольких независимых источников, и на вход системы измерения спектров будет поступать общий спектр, по которому и будет производиться оценка дистанции. В этой ситуации границы спектра, определяющие закон спада спектра, не будут соответствовать эталонному спаду спектра, при этом неизвестно, что сказывается на изменение закона спада спектра, внешняя среда и собственное шумоизлучение при движении антенны, или наличие нескольких целей на одном направлении. Все это приводит к ошибочной и недостоверной оценке дистанции.Modern systems for receiving and processing noise signals operate in conditions of increased shipping, and therefore, signals belonging to several noise sources located at different distances but in the same direction may be present at the input of a sonar antenna. Therefore, the received noise signal will contain several components from several independent sources, and a common spectrum will be received at the input of the spectrum measuring system, from which the distance will be estimated. In this situation, the boundaries of the spectrum that determine the law of decay of the spectrum will not correspond to the reference decay of the spectrum, while it is not known what affects the change in the law of decay of the spectrum, the external environment and intrinsic noise emission when the antenna moves, or the presence of several targets in one direction. All this leads to an erroneous and inaccurate assessment of the distance.

Таким образом, недостатком способа прототипа, как и других приведенных выше способов, является недостоверность оценки дистанции в условиях мешающего судоходства и сложной помехо-сигнальной ситуации.Thus, the disadvantage of the prototype method, as well as the other methods described above, is the inaccuracy of the distance estimate in the conditions of interfering shipping and a difficult jamming situation.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности определения оценки дистанции до шумящего в море объекта.The technical result of the invention is to increase the reliability of determining the estimate of the distance to a noisy object in the sea.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный способ, содержащий прием гидроакустического шумового сигнала гидроакустической антенной, сопровождение цели в режиме шумопеленгования, спектральный анализ гидроакустического шумового сигнала в широкой полосе частот, определение дистанции до цели дополнительно ввены новые операции, а именно: прием гидроакустического шумового сигнала производят половинами гидроакустической антенны, измеряют взаимный спектр между гидроакустическими шумовыми сигналами, принятыми половинами гидроакустической антенны; измеряют автокорреляционную функцию этого взаимного спектра (АКФ); определяют число целей по наличию перегибов автокорреляционной функции и при отсутствии таковых измеряют ΔТ_изм - ширину основного максимума АКФ на уровне 0,1, определяют калибровочный коэффициент М=Д_изв./ΔТ_д.изв., где Д_изв. - известная дистанция обнаружения цели фиксированной шумности с известным спадом спектра, ΔТ_д.изв. - ширина основного максимума АКФ, соответствующая известной дистанции; и определяют дистанцию до цели по формуле Д=ΔТ_изм*М.The specified technical result is achieved by the fact that in the known method comprising receiving a hydroacoustic noise signal with a hydroacoustic antenna, tracking the target in the noise-detecting mode, spectral analysis of the hydroacoustic noise signal in a wide frequency band, determining the distance to the target, new operations are additionally introduced, namely: receiving hydroacoustic noise the signal is produced by halves of the hydroacoustic antenna; the mutual spectrum between the hydroacoustic noise signals received by the polo is measured ins sonar antenna; measure the autocorrelation function of this mutual spectrum (ACF); determine the number of targets by the presence of kinks in the autocorrelation function, and in the absence of those, measure ΔТ _ISM - the width of the main maximum of the ACF at a level of 0.1, determine the calibration coefficient M = D _reference. / ΔT _d.izv. where D _iz. - known target detection distance of fixed noise with a known spectrum decline, ΔT _d.izv. - the width of the main maximum of the ACF, corresponding to the known distance; and determine the distance to the goal by the formula D = ΔT _ISM * M.

Поясним сущность предлагаемого способа. Известно, что ширина основного максимума АКФ взаимного спектра принятого сигнала ΔТ (первый ноль АКФ) обратно пропорциональна ширине спектра принятого сигнала ΔF: т.е. ΔТ=1/ΔF (Дж. Бендат, А. Пирсол. Применения корреляционного и спектрального анализа. Пер. с англ., Москва, «Мир», 1983, стр. 71).Let us explain the essence of the proposed method. It is known that the width of the main ACF maximum of the reciprocal spectrum of the received signal ΔТ (the first zero of the ACF) is inversely proportional to the spectral width of the received signal ΔF: i.e. ΔТ = 1 / ΔF (J. Bendat, A. Pirsol. Applications of correlation and spectral analysis. Transl. From English, Moscow, Mir, 1983, p. 71).

Поэтому в качестве параметра оценки ширины спектра принятого сигнала (ΔF_изм) предлагается использовать значение ширины огибающей основного максимума автокорреляционной функции взаимного спектра принятого сигнала.Therefore, it is proposed to use the value of the envelope width of the main maximum of the autocorrelation function of the reciprocal spectrum of the received signal as a parameter for estimating the width of the spectrum of the received signal (ΔF _ISM ).

Использование ΔТ_изм в качестве оценочного параметра ширины спектра принятого сигнала для дальнейшей оценки дистанции позволяет исключить основные недостатки спектральных методов, не способных учесть искажения, вносимые в сигнал цели в точке приема:Using ΔТ _ISM as an estimated parameter of the spectrum width of the received signal for further distance estimation allows us to eliminate the main disadvantages of spectral methods that are not able to take into account the distortions introduced into the target signal at the receiving point:

- многолучевостью при распространении сигнала цели;- multipath in the propagation of the target signal;

- вкладом шумов моря в спектр принимаемого сигнала цели;- the contribution of sea noise to the spectrum of the received target signal;

- влиянием шумоизлучения дальнего судоходства;- the effect of noise emissions from long-distance shipping;

- наличием нескольких целей на направлении приема.- the presence of several targets in the direction of reception.

Наличие многолучевости в принятом сигнале (наличие задержек между лучами) в АКФ проявится присутствием дополнительных максимумов, не влияющих на форму основного максимума (лучи будут разделены во времени), в то время как при спектральном методе оценки дистанции, они будут неразличимы и будут наблюдаться в одном спектре оказывая взаимное искажающее влияние.The presence of multipath in the received signal (the presence of delays between the rays) in the ACF will be manifested by the presence of additional maxima that do not affect the shape of the main maximum (the rays will be separated in time), while with the spectral method of estimating the distance, they will be indistinguishable and will be observed in one having a mutual distorting effect.

Спектры шумов моря в точке приема так же будут различимы от шумов цели, так как они имеют существенно более широкую полосу частот, чем сигнал от цели, прошедший большое расстояние. Аналогично спектр шумов мешающих целей (шумы дальнего судоходства) носит узкополосный характер, связанный с дистанцией до них. (Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - Судостроение. Л. 1988, стр.99). Следовательно, ширины максимумов АКФ дальнего судоходства и шумов моря будут существенно уже, чем ширина максимума цели, и ее искажение не будет влиять на оценку ширины максимума огибающей автокорреляционной функции ΔТ_изм сигнала шумоизлучения, обнаруженного объекта.The noise spectra of the sea at the receiving point will also be distinguishable from the target noise, since they have a significantly wider frequency band than the signal from the target that has traveled a large distance. Similarly, the noise spectrum of interfering targets (long-distance shipping noise) is narrow-band in nature, associated with the distance to them. (Evtyutov A.P., Mitko V.B. Engineering calculations in hydroacoustics. - Shipbuilding. L. 1988, p. 99). Consequently, the widths of the maximums of the ACF of long-distance shipping and the noise of the sea will be significantly narrower than the width of the maximum of the target, and its distortion will not affect the estimate of the width of the maximum envelope of the autocorrelation function ΔТ _{ism of} the noise signal detected by the object.

Наличие одной или нескольких целей в направлении приема приводит к искажению ширины и формы огибающей основного максимума АКФ (см. патент РФ №2110810). В этом техническом решении используется известное соотношение, которое основано на том, что сумма спектров формирует сумму автокорреляционных функций. Это приводит к искажению основного максимума огибающей автокорреляционной функции, которое соответствует огибающей автокорреляционной функции одиночного спектра. Поэтому оценку дистанции следует проводить только в случае, если таких искажений не наблюдается - отсутствуют другие цели в направлении приема.The presence of one or more targets in the receiving direction leads to a distortion of the width and shape of the envelope of the main maximum of the ACF (see RF patent No. 2110810). This technical solution uses the well-known relation, which is based on the fact that the sum of the spectra forms the sum of the autocorrelation functions. This leads to a distortion of the main maximum of the envelope of the autocorrelation function, which corresponds to the envelope of the autocorrelation function of a single spectrum. Therefore, the distance assessment should be carried out only if such distortions are not observed - there are no other targets in the direction of reception.

Во всех современных гидроакустических комплексах (ГАК) существуют системы прогнозирования дистанции обнаружения цели заданной шумности с известным законом спада спектра (В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк. Дальность действия гидроакустических средств, Судостроение. Л. 1981 г.; «Справочник по гидроакустике», Л., Судостроение, 1982 г., с. 102, 103; А.П. Евтютов, В.Б. Митько. Инженерные расчеты в гидроакустике, Л., «Судостроение», 1988 г., с. 219-223; 229-234). Задавшись для цели значениями приведенного уровня шумности, законом спада спектра в источнике и глубиной погружения, а также измерив зависимость скорости звука в воде от глубины, волнение на поверхности моря, рассчитывают по глубине приемной антенны акустическое поле сигнала цели по дистанции с учетом аномалии распространения сигнала.In all modern sonar complexes (SAC), there are systems for predicting the target detection distance of a given noise level with the well-known decay law (V.N. Matvienko, Yu.F. Tarasyuk. Range of sonar, Shipbuilding. L. 1981; "Handbook of hydroacoustics ", L., Shipbuilding, 1982, pp. 102, 103; A.P. Evtyutov, VB Mitko. Engineering calculations in hydroacoustics, L.," Shipbuilding ", 1988, S. 219- 223; 229-234). Given the values of the reduced noise level, the law of the decay of the spectrum in the source and the depth of immersion for the purpose, as well as measuring the dependence of the speed of sound in water on depth, sea waves, the acoustic field of the target signal from the distance is calculated from the depth of the receiving antenna taking into account the signal propagation anomaly.

Зная технические характеристики приемного тракта ГАК, определяют дистанцию обнаружения Д_изв. цели. Для данной дистанции рассчитывают ширину спектра обнаруженного сигнала заданной цели и соответствующую ей ширину основного максимума АКФ ΔТ_д.изв.. По результатам расчета можно определить калибровочный коэффициент (М), позволяющий по величине измеренной ширины основного максимума АКФ взаимного спектра на уровне 0,1 (ΔТ _изм) оценить дистанцию (Д):Knowing the technical characteristics of the receiving path HAC, determine the detection distance D _izv. goals. For a given distance, the spectrum width of the detected signal of a given target and the corresponding width of the main ACF maximum ΔT _d.s. . Based on the calculation results, it is possible to determine the calibration coefficient (M), which allows us to estimate the distance (D) from the measured width of the main maximum of the ACF of the mutual spectrum at the level of 0.1 (ΔТ _meas ):

М=Д_изв./ΔТ_д.изв; Д=М*ΔТ_изм M = D _Izv. / ΔT _d.izv ; D = M * ΔT _ISM

Точность измерения дистанции будет определяться точностью измерения (а) ширины основного максимума АКФ на уровне 0,1 (ΔТ_изм), которая определяется выражением $σ = \frac{Δ T_{и з м}}{2,8 \sqrt{q}},$

где q - отношение сигнал/помеха в широкой полосе частот. (Примеры и задачи по статистической радиотехнике под ред. В.И. Тихонова, М., Сов. радио, 1970 г., стр. 538).The accuracy of the distance measurement will be determined by the measurement accuracy (a) of the width of the main maximum of the ACF at the level of 0.1 (ΔТ _ISM ), which is determined by the expression

σ = \frac{Δ T_{and s m}}{2,8 \sqrt{q}},

where q is the signal-to-noise ratio in a wide frequency band. (Examples and tasks in statistical radio engineering under the editorship of V.I. Tikhonov, M., Sov. Radio, 1970, p. 538).

При минимальной ширине основного максимума АКФ на уровне 0,1, равной 0,2 мс (ΔТ изм=0,2 мс), что соответствует полосе принимаемого сигнала 5 кГц и при отношении сигнал/помеха q=3 (устойчивое обнаружение - А.П. Евтютов, В.Б. Митько. Инженерные расчеты в гидроакустике, Л., «Судостроение», 1988 г.) точность измерения ΔТ составит 0,04 мс, что менее или равно разрешению по времени в используемых устройствах вычисления АКФ, и, практически, не окажет влияния на точность оценки дистанции.With the minimum width of the main maximum of the ACF at the level of 0.1 equal to 0.2 ms (ΔТ ISM = 0.2 ms), which corresponds to the received signal bandwidth of 5 kHz and with the signal-to-noise ratio q = 3 (stable detection - A.P Evtyutov, VB Mitko. Engineering calculations in hydroacoustics, L., Sudostroenie, 1988) the measurement accuracy ΔТ will be 0.04 ms, which is less than or equal to the time resolution in the used devices for calculating ACF, and, practically , will not affect the accuracy of distance estimation.

Калибровку также можно провести с использованием реальной ситуации в процессе первичного обнаружения. Цель, имеющую известную шумность и известный закон спада спектра обнаруживают, измеряют ширину основного максимума АКФ взаимного спектра на уровне 0,1, определяют дистанцию до цели штурманскими приборами и по формуле определяют калибровочный коэффициент (М). Полученный коэффициент используют для оценки дистанции последующих обнаруживаемых целей.Calibration can also be performed using the actual situation during the initial detection process. A target having a known noise level and a known law of spectrum decay is detected, the width of the main maximum of the ACF of the mutual spectrum is measured at a level of 0.1, the distance to the target is determined by navigational instruments, and the calibration coefficient (M) is determined by the formula. The resulting coefficient is used to estimate the distance of subsequent detected targets.

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способ. Антенна 1 через блок 2 предварительной обработки и формирования характеристик направленности, через блок 3 БПФ и измерение взаимного спектра, блок 4 вычисления автокорреляционной функции, блок 5 определения числа целей автокорреляционной функции соединен с первым входом блока 7 определения дистанции. Второй выход блока 5 через первый вход индикатора 6 соединен со вторым входом блока 7, выход блока 7 соединен со вторым входом индикатора 6. Блок 9 исходных данных через блок 8 расчета Д_макс соединен с третьим входом блока 7 определения дистанции.The drawing shows a block diagram of a device that implements the proposed method. Antenna 1 through block 2 pre-processing and formation of directivity characteristics, through block 3 FFT and measuring the mutual spectrum, block 4 calculating the autocorrelation function, block 5 for determining the number of targets of the autocorrelation function is connected to the first input of block 7 for determining the distance. The second output of block 5 through the first input of indicator 6 is connected to the second input of block 7, the output of block 7 is connected to the second input of indicator 6. Block 9 of the initial data through block 8 of calculation D _{max is} connected to the third input of block 7 for determining the distance.

Предложенный способ целесообразно проиллюстрировать на примере работы реализующего его устройства, приведенного на чертеже.It is advisable to illustrate the proposed method by the example of the operation of the device implementing it, shown in the drawing.

Шумовой сигнал принимается половинами антенны 1, передается в блок 2, в котором происходит спектральный анализ шумового процесса с выходов двух половин ПК антенны и определение взаимного спектра между шумовыми сигналами с двух ее половин, после чего в блоке 4 вычисляется автокорреляционная функция исходного шумового процесса. Полученная автокорреляционная функция поступает на блок 5 определения числа целей. Определение числа целей может происходить автоматически, как рассмотрено в патенте РФ №2110810, а можно определить по виду автокорреляционной функции визуально оператором по числу точек перегиба огибающей автокорреляционной функции. Эти данные поступают в блок 7 определения дистанции, куда поступает через блок 5 и сама автокорреляционная функция. В блоке 7 происходит измерение ширины автокорреляционной функции и при наличии одной цели в спектре шумоизлучения, производится определение дистанции по формуле Д=М*ΔТ_изм. В блоке 8 расчета Д_изв. производится определение коэффициента М, для чего из блока 9 поступают исходные данные для расчета. Такими данными является глубина погружения антенны, измеренная зависимость скорости звука от глубины и предполагаемый вид спада спектра источника шумоизлучения. По этим данным рассчитывается коэффициент М. Определенная по ширине автокорреляционной функции дистанция передается на индикатор 6 для представления оператору.The noise signal is received by the halves of the antenna 1, transmitted to block 2, in which the spectral analysis of the noise process from the outputs of the two halves of the PC antenna occurs and the mutual spectrum between the noise signals from its two halves is determined, after which the autocorrelation function of the initial noise process is calculated in block 4. The resulting autocorrelation function is sent to block 5 for determining the number of targets. The determination of the number of targets can occur automatically, as described in the patent of the Russian Federation No. 2110810, and can be determined by the type of autocorrelation function visually by the operator by the number of inflection points of the envelope of the autocorrelation function. These data enter block 7 determining the distance, where it goes through block 5 and the autocorrelation function itself. In block 7, the width of the autocorrelation function is measured, and if there is one target in the noise spectrum, the distance is determined by the formula D = M * ΔT _meas . In block 8 calculation D _Izv. the coefficient M is determined, for which the source data for calculation are received from block 9. Such data are the antenna immersion depth, the measured dependence of the speed of sound on depth, and the expected form of the decay of the spectrum of the noise source. According to these data, the coefficient M is calculated. The distance determined by the width of the autocorrelation function is transmitted to indicator 6 for presentation to the operator.

Таким образом, используя огибающую автокорреляционной функции, можно определить дистанцию до источника шумоизлучения по ее ширине и повысить достоверность измерения в условиях сложной помехо-сигнальной ситуации, определив наличие одной цели.Thus, using the envelope of the autocorrelation function, it is possible to determine the distance to the noise source from its width and increase the reliability of the measurement in a complex noise-signal situation by determining the presence of one target.

Claims

A method for estimating the distance to an object that is noisy in the sea, in which a hydroacoustic noise signal is received, perform target tracking, spectral analysis of the signal in a wide frequency band, determine the distance to the target, characterized in that the hydroacoustic noise signal is received by halves of the hydroacoustic antenna, and measure the mutual spectrum between sonar noise signals received by the halves of the sonar antenna; measure the autocorrelation function of this mutual spectrum (ACF); determine the number of targets by the presence of kinks in the autocorrelation function, and in the absence of those, measure ΔТ _ISM - the width of the main maximum of the ACF at a level of 0.1, determine the calibration coefficient M = D _reference. / ΔT _d.izv. where D _iz. - known target detection distance of fixed noise with a known spectrum decline, ΔT _d.izv. - the width of the main maximum of the ACF, corresponding to the known distance; and determine the distance to the goal by the formula D = ΔT _ISM * M.