RU2561010C1 - Способ адаптивной обработки сигнала шумоизлучения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в процессе проектирования гидроакустической аппаратуры специального назначения. Использование изобретения может повысить эффективность использования гидроакустической аппаратуры. Способ адаптивной обработки сигнала шумоизлучения содержит прием сигнала шумоизлучения объекта, формирование статического вертикального веера характеристик направленности, широкополосную частотную фильтрацию сигнала, измерение уровня помехи и выбор порога, обнаружение сигнала в каждом пространственном канале, измерение амплитуды сигнала в каналах, где обнаружен сигнал шумоизлучения объекта, и принятие решения об угле прихода сигнала по тому пространственному каналу, где сигнал максимален, фильтрация сигнала производится в нескольких частотных диапазонах, в этих же диапазонах формируется статический веер характеристик направленности, производится идентификация обнаруженных сигналов между характеристиками направленности всех частотных диапазонов, выбирают характеристику направленности, в которой обнаружен максимальный сигнал, измеряется угол между горизонтальным направлением движения и положением характеристики направленности с максимальной амплитудой принятого сигнала Q, измеряется скорость движения носителя V, повторяют измерения через фиксированный интервал времени Т и определяют необходимую величину изменения глубины погружения антенны приемной системы за время Т по формуле Н=VTtgQ, при этом направление изменения глубины погружения определяется по положению угла Q, если характеристика направленности, определяющая угол Q, направлена вверх, глубину нужно уменьшить, если характеристика направленности, определяющая угол Q, направлена вниз, то глубину нужно увеличить, и если характеристика направленности совпадает с направлением движения и Q=0°, то глубину менять не нужно. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при создании современных гидроакустических комплексов.

В современной гидроакустике большое распространение получила адаптивная обработка сигналов, которая означает способность системы изменять свои параметры в зависимости от изменения окружающей среды с целью поддержать свою эффективность по приему сигала к изменяющимся условиям работы. Существующие методы адаптации направлены на снижение дестабилизирующего влияния таких факторов, как пространственно-временная изменчивость гидрофизических характеристик океана. Структура звукового поля в условиях переменных гидрофизических характеристик океана существенно зависит от глубины положения источника шумоизлучения, глубины положения приемника сигналов шумоизлучения.

Как вид адаптивной обработки известен способ сопровождения по углу с помощью широкополосных пассивных систем, который изложен в работе B.C. Бурдик. «Анализ гидроакустических систем». Л.: Судостроение, 1988 г., стр 372. Приведена структурная схема широкополосного коррелятора с расщепленной апертурой для определения направления на источник шумоизлучения и выработки сигнала ошибки. Используются две половины антенны, на выходе каждой из которых стоит широкополосный коррелятор, преобразователь Гильберта, перемножитель, интегратор и схема выработки сигнала ошибки по направлению. Разность фаз на выходе системы обработки пропорциональна отклонению положения цели относительно оси характеристики направленности. Недостатком этой системы является необходимость большого отношения сигнал/помеха на входе. Кроме того, в условиях многолучевого приема имеет место интерференция между лучами, которая искажает оценку разности фаз.

Известен способ адаптивной обработки (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб.: Наука, 2004 г., стр. 265), который содержит прием сигнала шумоизлучения объекта одиночной характеристикой направленности, изменение положения характеристики направленности в вертикальной плоскости, определение положения характеристики направленности и поиск положения характеристики направленности, обеспечивающего максимальное отношение сигнал/помеха. Недостатком этого способа является необходимость ручного наведения характеристики направленности и работа только при малой скорости движения носителя станции шумопеленгования.

Известен способ адаптивной обработки с использованием разностно-дальномерного метода определения пространственного положения объекта шумоизлучения (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб.: Наука, 2004 г., стр. 81), по которому определяются временные задержки между сигналами при многолучевом распространении в вертикальной плоскости, рассчитывается структура поля по измеренной скорости звука и определяется положение объекта шумоизлучения по измеренным временным задержкам, принятым в вертикальной плоскости сигнала. Эта система может формировать вертикальный веер статических характеристик направленности и принимать сигнал шумоизлучения в вертикальной плоскости. Этот способ является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения и может быть принят в качестве прототипа.

Способ содержит прием сигнала шумоизлучения объекта, формирование статического веера вертикальных характеристик направленности, широкополосную фильтрацию сигнала, измерение уровня помехи и выбор порога, обнаружение сигнала в каждом пространственном канале, измерение амплитуды сигнала в каналах, где обнаружен сигнал шумоизлучения объекта, и принятие решения о наличии сигнала по тому пространственному каналу, где сигнал максимален. Недостатком такой системы является необходимость получения разрезов скорости звука по трассе, отсутствие которых практически снижает достоверность полученной оценки положения объекта шумоизлучения.

Задачей изобретения является определение положения сигнала шумоизлучения и адаптациия системы приема сигнала к движению приемника в существующих гидрологических условиях работы.

Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является автоматическое обеспечение возможности приема максимального сигнала шумоизлучения от объекта, расположенного в дальней зоне, при движении носителя антенны в условиях многолучевого распространения.

Для достижения указанного технического результата в способ адаптивной обработки сигнала шумоизлучения, содержащий прием сигнала шумоизлучения объекта, формирование статического вертикального веера характеристик направленности приемной антенны, широкополосную частотную фильтрацию сигнала, измерение уровня помехи и выбор порога, обнаружение сигнала в каждом пространственном канале, измерение амплитуды сигнала в каналах, где обнаружен сигнал шумоизлучения объекта, и принятие решения об угле прихода сигнала по тому пространственному каналу, где сигнал максимален, введены новые признаки, а именно: фильтрацию сигнала производят в нескольких частотных диапазонах, статический вертикальный веер характеристик направленности приемной антенны формируют в этих же диапазонах, производят идентификацию обнаруженных сигналов между характеристиками направленности во всех частотных диапазонах, выбирают характеристику направленности, в которой обнаружен максимальный сигнал, измеряют угол Q между горизонтальным направлением движения носителя приемной антенны и положением характеристики направленности с максимальной амплитудой принятого сигнала, измеряют скорость движения носителя V, повторяют измерения через фиксированный интервал времени Т и определяют необходимую величину изменения глубины Н погружения приемной антенны по формуле Н=VTtgQ, при этом направление изменения глубины погружения определяют по положению угла Q, если характеристика направленности, определяющая угол Q, направлена вверх, глубину Н уменьшают, если характеристика направленности, определяющая угол Q, направлена вниз, то глубину Н увеличивают, и если характеристика направленности совпадает с направлением движения и Q=0°, то глубину Н оставляют без изменения. Поясним достижение положительного результата.

Известно, что в зависимости от распределения скорости звука по глубине изменяется распространение сигнала шумоизлучения (B.C. Бурдик. «Анализ гидроакустических систем». Л.: Судостроение, 1988 г., стр. 103-133). Если рассматривать типовой гидроакустический канал, где в верхнем слое имеется отрицательный градиент зависимости скорости звука от глубины, а в нижнем - положительный, то при нем в верхнем слое все лучи изгибаются вниз, в нижнем - вверх. При распространении в канале имеется такая пара лучей с предельными углами, при которых сигнал шумоизлучения отражается от поверхности и от дна. При приеме направление распространения основной энергии оказывается расположенным внутри сектора, ограниченного этими лучами, а максимальный сигнал будет приходиться на луч с минимальным углом прихода, т.е. ближе к горизонту. В пространстве направление движения основной энергии изменяется циклически. Подобная картина распространения известна как зональная структура поля, в которой наблюдаются зоны освещенности и зоны тени. Если носитель с приемной антенной движется на фиксированной глубине с фиксированной скоростью, то он будет принимать сигнал шумоизлучения в зоне освещенности и терять сигнал в зоне тени, где находится область с нулевой акустической интенсивностью. В глубоком море в зоне тени интенсивность сигнала может уменьшаться от -10 до -60 дБ. Ширина зоны освещенности бывает существенно меньше зоны тени, что может привести к полной потере обнаруженного объекта шумоизлучения. Положение может быть улучшено, если следовать по направлению распространения сигнала с максимальной акустической интенсивностью, то есть по направлению траектории распространения акустической энергии сигнала шумоизлучения. Это можно сделать, изменяя глубину погружения приемника сигналов шумоизлучения. Для этого необходимо определить направление прихода максимального сигнала шумоизлучения относительно направления собственного движения, используя статический веер характеристик направленности в вертикальной плоскости. Положение характеристики направленности, в которой обнаружен максимальный сигнал, относительно направления собственного движения будет определять направление траектории распространения интенсивности акустической энергии шумоизлучения. Таким образом, если принимается сигнал верхними характеристиками направленности, то для поддержания контакта необходимо уменьшить глубину собственного положения приемника сигнала шумоизлучения. Если принимается сигнал нижними характеристиками направленности, то для поддержания контакта необходимо увеличить глубину собственного положения приемника сигнала. Для определения величины изменения глубины погружения воспользуемся следующими оценками. Пусть скорость движения приемника сигналов шумоизлучения составляет 5 м/с, положение характеристики направленности с максимальным сигналом 10°. Тогда за время, равное 10 с, глубина погружения приемника сигналов шумоизлучения должна измениться на 8,7 м для того, чтобы снова принимать максимальный сигнал шумоизлучения. Если максимальный сигнал приходит под нулевым углом, то приемник сигнала движется без изменения глубины.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способ. Устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные антенну 1, систему 2 формирования характеристик направленности (СФХН) в вертикальной плоскости, многоканальное приемное устройство 3 в частотных диапазонах, блок 4 быстрого преобразования Фурье (БПФ) и многоканальный обнаружитель, блок 5 измерения угла наклона характеристики направленности (ХН), блок 8 корректировки глубины погружения и блок 7 исполнения команды. Второй выход блока 4 соединен со входом индикатора 6, выход которого соединен с блоком 5, а второй вход блока 8 соединен с выходом блока 9 измерения собственной скорости. СФХН в вертикальной плоскости является известным устройством, которое реализовано в разностно-дальномерном методе определения пространственного положения объекта шумоизлучения (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб.: Наука, 2004 г., стр.81), по которому определяются временные задержки между сигналами при многолучевом распространении сигнала шумоизлучения в вертикальной плоскости. В зависимости от частотного диапазона принимаемого сигнала шумоизлучения ширина характеристики направленности может изменяться. При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа и частотной фильтрации применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса по всем пространственным каналам вертикального статического веера характеристик направленности ("Применение цифровой обработки сигналов". Под ред. Оппенгейма. М.: Мир, 1980 г., стр. 296). Там же на стр. 389-436 рассмотрены принципы цифрового преобразования и обработки. Блок 5 измерения угла наклона характеристики направленности представляет собой известное устройство сравнения. Блок 7 является известным устройством, которое функционирует на любом подводном носителе и обеспечивает его погружение и всплытие. В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную обработку и обнаружение сигнала, а также измерение спектров сигнала шумоизлучения, автокорреляционную обработку и процедуры анализа спектров. Вопросы реализации спецпроцессоров достаточно подробно рассмотрены в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. «Корабельная гидроакустическая техника» СПб.: Наука, 2004 г., стр. 281.

Антенна 1, расположенная на подвижном носителе, принимает сигнал шумоизлучения объекта и совместно с блоком 2 системы формирования характеристик направленности в вертикальной плоскости СФХН производит пространственную фильтрацию принимаемого сигнала в вертикальной плоскости. С выхода каждой характеристики направленности сигналы передаются в блок 3 многоканального приемного устройства в принятых частотных диапазонах. Далее сигнал поступает в блок 4 БПФ и многоканальный обнаружитель, где производится спектральная обработка принятых сигналов в каждом пространственном канале, определяется наличие максимального сигнала из совокупности сигналов, выработанных многоканальным обнаружителем. Выбранный максимальный сигнал определяет характеристику направленности из вертикального статического веера, положение которой строго фиксировано в вертикальной плоскости, и передает в блок 5 измерения угла наклона ХН. Выбранное значение пространственной характеристики передается в блок 8 корректировки глубины погружения, на второй вход которого из блока 9 измерителя собственной скорости предается оценка скорости движения носителя. Измерение максимального сигнала и определение угла наклона характеристики направленности производится по мере движения носителя. Через определенный интервал времени определяется изменение характеристики направленности и величина требуемого значения изменения глубины погружения носителя приемника сигнала шумоизлучения. Таким образом, вырабатывается команда на изменение пространственного положения приемника, которая передается в блок 7 исполнения команды. Ошибка измерения собственной скорости в блоке 9 составляет порядка 0,03 узла или 0,015 м/с и обеспечивается современными измерительными приборами (ЛАГами), установленными на плавающих носителях гидроакустических средств, которые проходят метрологическую аттестацию. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб.: Наука, 2004 г., с 334). Измерение собственной скорости носителя производится постоянно и на любой глубине.

Параллельно с автоматической выработкой параметров корректировки глубины погружения эта процедура может быть проведена оператором по виду информации, выводимой на индикатор. С выхода блока 4 массив данных многоканального обнаружителя поступает на индикатор 6, где отображается в координатах пространственная характеристика и амплитуда обнаруженного сигнала. Оператор оценивает распределение амплитуд максимумов в пространстве и во времени и определяет пространственные каналы, имеющие максимальную амплитуду. После чего эти данные передаются в блок 5 измерения угла наклона ХН и далее на корректировку глубины погружения в блок 8.

Таким образом, используя измерение пространственного положения максимального значения сигнала шумоизлучения, можно обеспечить автоматическое адаптивное сопровождения объекта шумоизлучения в условиях многолучевого распространения в сложной гидрофизической ситуации при зональной структуре акустического поля.

Claims (1)

1. Способ адаптивной обработки сигнала шумоизлучения, содержащий прием сигнала шумоизлучения объекта, формирование статического вертикального веера характеристик направленности приемной антенны, широкополосную частотную фильтрацию сигнала, измерение уровня помехи и выбор порога, обнаружение сигнала в каждом пространственном канале, измерение амплитуды сигнала в каналах, где обнаружен сигнал шумоизлучения объекта, и принятие решения об угле прихода сигнала по тому пространственному каналу, где сигнал максимален, отличающийся тем, что фильтрацию сигнала производят в нескольких частотных диапазонах, статический вертикальный веер характеристик направленности приемной антенны формируют в этих же диапазонах, производят идентификацию обнаруженных сигналов между характеристиками направленности во всех частотных диапазонах, выбирают характеристику направленности, в которой обнаружен максимальный сигнал, измеряют угол Q между горизонтальным направлением движения носителя приемной антенны и положением характеристики направленности с максимальной амплитудой принятого сигнала, измеряют скорость движения носителя V, повторяют измерения через фиксированный интервал времени Т и определяют необходимую величину изменения глубины Н погружения приемной антенны по формуле Н=VTtgQ, при этом направление изменения глубины погружения определяют по положению угла Q, если характеристика направленности, определяющая угол Q, направлена вверх, глубину Н уменьшают, если характеристика направленности, определяющая угол Q, направлена вниз, то глубину Н увеличивают, и если характеристика направленности совпадает с направлением движения и Q=0°, то глубину Н оставляют без изменения.