RU2585401C1 - Device for detecting objects in aqueous medium - Google Patents

Device for detecting objects in aqueous medium Download PDF

Info

Publication number
RU2585401C1
RU2585401C1 RU2015112541/28A RU2015112541A RU2585401C1 RU 2585401 C1 RU2585401 C1 RU 2585401C1 RU 2015112541/28 A RU2015112541/28 A RU 2015112541/28A RU 2015112541 A RU2015112541 A RU 2015112541A RU 2585401 C1 RU2585401 C1 RU 2585401C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
echo signal
block
output
signal
unit
Prior art date
Application number
RU2015112541/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Андреевич Захаренко
Юрий Николаевич Кликушин
Вадим Юрьевич Кобенко
Дмитрий Михайлович Агеев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
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 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Priority to RU2015112541/28A priority Critical patent/RU2585401C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2585401C1 publication Critical patent/RU2585401C1/en

Links

Images

Landscapes

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

Abstract

FIELD: electronics.
SUBSTANCE: invention represents an electronic device and relates to hydroacoustics and sonar. Device is intended for search and detection of artificial underwater objects, such as sunken ships, equipment, underwater vehicles, pipelines and other artificial underwater structures. Device comprises receiver (hydroacoustic antenna) (1), amplifier unit and band-pass filters (2), unit of analogue-to-digital converters (ADC) (3), matched filters (4), signal generator sending (5), power amplifier (6), measuring device (7), computer (8) and detector (9). Function of unit of matched filters is optimal for receiving reflected echo signal on background noise. Function of measurement device is a measurement parameter shape distribution and characteristic frequency echo signal at output of matched filter. Computer function is calculated ratio parameter shape and characteristic frequency echo signal. Function of detector is comparison of obtained number at output of computer with a threshold value and making a decision: detected unknown object location or not.
EFFECT: technical result is reduction of random errors and increased reliability of detecting an object in presence of noise and interference.
1 cl, 1 tbl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и гидролокации и предназначено для поиска и обнаружения искусственных подводных объектов, таких как затонувшие корабли, техника, подводные аппараты, трубопроводы и другие искусственные подводные сооружения.The invention relates to the field of sonar and sonar and is intended for the search and detection of artificial underwater objects, such as sunken ships, equipment, underwater vehicles, pipelines and other artificial underwater structures.

Из анализа уровня техники известен «Гидролокатор обнаружения и классификации подводных и надводных целей для надводных кораблей» [Патент РФ 20389, G01S 15/02, опубликовано 27.10.2001 г.], содержащий многоэлементную акустическую антенну, многоканальные тракты излучения и приема, подключенные к акустической антенне, цифровой вычислительный комплекс, содержащий задающий генератор, подключенный к тракту излучения, устройство цифровой обработки эхо-сигналов, подключенное к выходу приемного тракта, и пульт индикации и управления, отличающийся тем, что в состав устройства цифровой обработки сигналов дополнительно включены устройство формирования классификационного зондирующего сигнала, подключенное ко входу тракта излучения параллельно задающему генератору, и устройство цифровой обработки и классификации эхо-сигнала классификационного зондирующего сигнала, вход которого соединен с выходом устройства пространственно-временной обработки устройства цифровой обработки эхо-сигналов.From the analysis of the prior art, the known “Sonar detection and classification of underwater and surface targets for surface ships” [RF Patent 20389, G01S 15/02, published October 27, 2001], containing a multi-element acoustic antenna, multi-channel radiation and reception paths connected to the acoustic the antenna, a digital computer system containing a master oscillator connected to the radiation path, a device for digital processing of echo signals connected to the output of the receiving path, and a display and control panel, characterized in that the structure of the digital signal processing device additionally includes a device for generating a classification sounding signal connected to the input of the radiation path parallel to the master oscillator, and a device for digital processing and classification of the echo signal of the classification sounding signal, the input of which is connected to the output of the spatio-temporal processing device for digital processing of the echo signals.

Известен также «Способ обнаружения эхосигнала гидролокатора» [Патент РФ 2293358, G01S 15/04, опубликовано 10.02.2007 г.], который содержит излучение зондирующего сигнала, прием в смеси с шумовой помехой эхо-сигнала гидроакустической антенной, дискретизацию электрического сигнала на выходе гидроакустической антенны, набор дискретизированных отсчетов электрического сигнала длительностью Т, получение последовательно, через равные промежутки времени за все время обнаружения наборов дискретизированных отсчетов электрического сигнала и быстрое преобразование Фурье полученных наборов дискретизированных отсчетов, при этом по каждому набору дискретизированных отсчетов электрического сигнала определяют комплексный спектр, сдвиг наборов осуществляют на время 1/8Т<Т<1/2Т, запоминают каждый предыдущий и каждый последующий комплексный спектры, определяют взаимный спектр между каждым предыдущим и каждым последующим наборами, выбирают набор с максимальным энергетическим спектром, по которому принимают решение об обнаружении сигнала.There is also known “A method for detecting an echo signal of a sonar” [RF Patent 2293358, G01S 15/04, published 02.10.2007], which contains the radiation of a sounding signal, receiving an echo signal with a hydroacoustic antenna mixed with noise interference, sampling the electrical signal at the output of a sonar antennas, a set of sampled samples of an electrical signal of duration T, obtaining sequentially, at regular intervals over the entire time of detection of sets of sampled samples of an electrical signal, and quick conversion Fourier analysis of the obtained sets of discretized samples, in this case, for each set of discretized samples of the electrical signal, the complex spectrum is determined, the sets are shifted for a time of 1 / 8T <T <1/2 T, each previous and each subsequent complex spectrum is stored, and the mutual spectrum between each previous is determined and with each subsequent set, select the set with the maximum energy spectrum, which decide on the detection of the signal.

Все известные выше решения и другие известные существующие обнаружители эхо-сигнала в гидролокаторе сравнивают уровень совокупности шума и сигнала с уровнем шума, и при превышении заданного порога принимается решение, что искомый объект обнаружен [Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике - Л.: Судостроение, 1988. - стр. 34]. Для увеличения дальности обнаружения используется согласованный прием, позволяющий получить на выходе согласованного фильтра более высокое отношение сигнал-помеха (ОСП).All the solutions known above and other known existing echo-signal detectors in the sonar compare the level of the noise and signal totality with the noise level, and when the specified threshold is exceeded, the decision is made that the desired object has been detected [Evtutov A.P., Mitko V.B. Engineering calculations in hydroacoustics - L .: Shipbuilding, 1988. - p. 34]. To increase the detection range, a consistent technique is used, which allows to obtain a higher signal-to-noise ratio (SIR) at the output of the matched filter.

Недостатком такого подхода является тот факт, что существует теоретический предел ОСП, при котором возможно подобное детектирование с заданной вероятностью ложной тревоги. Это приводит к ограничению предельной дальности действия обнаружителя при заданной вероятности ложной тревоги.The disadvantage of this approach is the fact that there is a theoretical limit for the SIR at which such detection is possible with a given probability of false alarm. This leads to a limitation of the maximum range of the detector at a given probability of false alarm.

Наиболее близким к предлагаемому является «Устройство обнаружения подводных объектов по оценке меры случайности эхо-сигнала гидролокатора» [Патент РФ 83344, G01S 15/04, опубликовано 27.05.2009 г.], содержащее блок приемоизлучателей (гидроакустическую антенну), функцией которого является посылка локационного сигнала и прием эхо-сигнала, блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП), блок усилителей и полосовых фильтров, функцией которого является усиление сигнала на выходе гидроакустической антенны до уровней, необходимых для работы АЦП, блок согласованных фильтров, функцией которых является осуществление оптимального приема отраженного эхо-сигнала на фоне помех, генератор сигнала посылки, усилитель мощности, измеритель фрактальной размерности, выполненный с возможностью осуществлять оценку меры случайности амплитуд эхо-сигнала на выходе согласованного фильтра и выражать эту меру в виде числа (фрактальной размерности), детектор, функцией которого является сравнение полученного числа с порогом энергии сигнала и помехи и принятие решения: обнаружен искомый объект локации или нет.Closest to the proposed one is the "Underwater object detection device for assessing the measure of randomness of the sonar echo signal" [RF Patent 83344, G01S 15/04, published May 27, 2009], containing a receiver unit (sonar antenna), the function of which is to send a location signal and echo reception, block of analog-to-digital converters (ADC), block of amplifiers and bandpass filters, the function of which is to amplify the signal at the output of the hydroacoustic antenna to the levels necessary for the operation of the ADC, block filters, the function of which is to optimally receive the reflected echo signal against the background of interference, a sending signal generator, a power amplifier, a fractal dimension meter, configured to evaluate a measure of randomness of the amplitudes of the echo signal at the output of a matched filter and express this measure as a number (fractal dimension), a detector whose function is to compare the received number with the threshold of signal energy and interference and make a decision: the desired location object was detected or not .

Недостатком данного устройства является то, что измерение фрактальной размерности различных объектов (естественных и искусственных) является неоднозначно решаемой задачей, поскольку нет точного определения самого понятия фрактальной размерности [Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - Стр. 31; Федер Е. Фракталы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. - Стр. 19] и, как правило, отсутствует необходимое количество данных. Поэтому фрактальную размерность какого-либо образования измеряют косвенно - по наклону зависимости измеряемого значения от масштаба, что приводит к появлению случайной погрешности при неоднозначности аппроксимации и, как следствие, к размыванию границы порога и возникновению неоднозначности обнаружения.The disadvantage of this device is that measuring the fractal dimension of various objects (natural and artificial) is an ambiguously solved problem, since there is no exact definition of the very concept of fractal dimension [Mandelbrot B. Fractal geometry of nature. - M.: Institute for Computer Research, 2002. - Page 31; Feder E. Fractals: Per. from English - M.: Mir, 1991. - Page 19] and, as a rule, the required amount of data is missing. Therefore, the fractal dimension of any formation is measured indirectly - by the slope of the dependence of the measured value on the scale, which leads to the appearance of a random error when the approximation is ambiguous and, as a result, the threshold boundary is eroded and detection ambiguity arises.

Техническим результатом применения предлагаемого устройства является уменьшение случайной погрешности и, следовательно, увеличение достоверности обнаружения объекта в присутствии шумов и помех.The technical result of the application of the proposed device is to reduce random error and, therefore, to increase the reliability of detection of an object in the presence of noise and interference.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве обнаружения подводных объектов, содержащем блок приемоизлучателей, блок усилителей и полосовых фильтров, блок аналого-цифровых преобразователей, блок согласованных фильтров, соединенный с измерительным устройством, генератор сигнала посылки, усилитель мощности и детектор, согласно заявляемому изобретению, измерительное устройство выполнено с возможностью измерения параметра формы распределения и характеристической частоты эхо-сигнала на выходе согласованного фильтра и соединено с вычислителем отношения параметра формы распределения и характеристической частоты эхо-сигнала, при этом выход вычислителя соединен со входом детектора.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for detecting underwater objects containing a receiver unit, a unit of amplifiers and bandpass filters, a unit of analog-to-digital converters, a unit of matched filters connected to a measuring device, a send signal generator, a power amplifier and a detector, according to the claimed invention , the measuring device is configured to measure the distribution shape parameter and the characteristic frequency of the echo signal at the output of the matched filter pa and is connected with the calculator relationship shape parameter distribution and characteristic frequency of the echo signal, the output of the calculator is connected to the input of the detector.

Измерительное устройство содержит блок ранжирования эхо-сигнала по возрастанию, блок вычисления объема выборки эхо-сигнала, первый и второй блоки вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала, блок, задающий масштабирующий коэффициент, первый и второй блоки умножения и блок деления, причем измерительное устройство выполнено с возможностью параллельной подачи эхо-сигнала на вход блока вычисления объема выборки эхо-сигнала, вход первого блока вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала и вход блока ранжирования эхо-сигнала по возрастанию, к выходу которого подключен второй блок вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала, ко входам первого блока умножения подключены выход блока, задающего масштабирующий коэффициент, и выход второго блока вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала, выход блока вычисления объема выборки эхо-сигнала и выход первого блока умножения связаны с соответствующими входами второго блока умножения, на выходе которого формируется значение параметра формы распределения эхо-сигнала, при этом выход первого блока вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала и выход первого блока умножения связаны с соответствующими входами блока деления, на выходе которого формируется значение характеристической частоты эхо-сигнала. Сущность технического решения поясняется чертежами, гдеThe measuring device comprises an ascending echo ranking unit, an echo sample size calculation unit, first and second echo signal ratio-to-average echo signal average ratio calculation units, a block specifying a scaling factor, a first and second multiplication unit, and a division unit, wherein the measuring device is configured to supply an echo signal in parallel to an input of an echo signal sample size calculation unit, an input of a first ratio calculation unit the erected value of the rectified rectified echo signal to the average rectified increment value and the echo signal ranking block input in ascending order, the second unit for calculating the ratio of the erected signal average rectified value to the average rectified echo increment value, the output is connected to the inputs of the first multiplication unit a block specifying the scaling factor and the output of the second block for calculating the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value of the increment of the echo-s drove, the output of the block for calculating the sample size of the echo signal and the output of the first block of multiplication are connected with the corresponding inputs of the second block of multiplication, at the output of which the value of the shape parameter of the distribution of the echo signal is generated, while the output of the first block of calculating the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value increments of the echo signal and the output of the first multiplication block are connected with the corresponding inputs of the division block, at the output of which the value of the characteristic frequency of the echo signal is generated la. The essence of the technical solution is illustrated by drawings, where

- на Фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого устройства обнаружения подводных объектов;- in FIG. 1 shows a block diagram of an apparatus for detecting underwater objects;

- на Фиг. 2 представлена блок-схема измерительного устройства;- in FIG. 2 is a block diagram of a measuring device;

- на Фиг. 3 и Фиг. 4 представлены характерные формы эхо-сигналов и их характеристики на входе измерительного устройства для случая, когда объект не обнаружен (фиг. 3) и обнаружен (фиг. 4).- in FIG. 3 and FIG. 4 shows the characteristic forms of the echo signals and their characteristics at the input of the measuring device for the case when the object is not detected (Fig. 3) and detected (Fig. 4).

Устройство обнаружения объектов в водной среде содержит блок приемоизлучателей (гидроакустическую антенну) 1, блок усилителей и полосовых фильтров 2, блок аналого-цифровых преобразователей 3, блок согласованных фильтров 4, генератор сигнала посылки 5, усилитель мощности 6, измерительное устройство 7, вычислитель 8 и детектор 9.The device for detecting objects in the aquatic environment contains a receiver unit (hydroacoustic antenna) 1, a unit of amplifiers and bandpass filters 2, an analog-to-digital converter unit 3, a matched filter unit 4, a signal generator 5, a power amplifier 6, a measuring device 7, a calculator 8, and detector 9.

Устройство обнаружения объектов в водной среде может быть выполнено в виде отдельной печатной платы с внешней приемо-передающей антенной, в виде нескольких плат либо в составе гидролокационного комплекса.The device for detecting objects in the aquatic environment can be made in the form of a separate printed circuit board with an external transceiver antenna, in the form of several boards or as part of a sonar complex.

Гидроакустическая антенна 1 расположена отдельно от остальных блоков устройства для обеспечения непосредственного контакта с водной средой. В качестве антенны может выступать любая гидроакустическая антенна как пьезоакустическая, так и индукционная, антенная решетка или единый приемоизлучающий элемент.The hydroacoustic antenna 1 is located separately from the remaining units of the device to ensure direct contact with the aquatic environment. Any hydroacoustic antenna can act as an antenna, either a piezoacoustic or an induction antenna, an antenna array or a single transceiving element.

Блок усилителей и полосовых фильтров 2 и усилитель мощности 6 являются аналоговыми и должны располагаться как можно ближе к антенне для уменьшения электрических шумов в устройстве обнаружения объектов в водной среде.The block of amplifiers and bandpass filters 2 and the power amplifier 6 are analog and should be located as close as possible to the antenna to reduce electrical noise in the device for detecting objects in the aquatic environment.

Усилитель и полосовой фильтр 2 могут быть реализованы на операционных усилителях, состоять из одного или более каскадов, и основное требование к данному блоку состоит в получении на входе блока аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 3 эхо-сигнала в заданной полосе частот и с заданным коэффициентом усиления.The amplifier and bandpass filter 2 can be implemented on operational amplifiers, consist of one or more stages, and the main requirement for this unit is to receive at the input of the block of analog-to-digital converters (ADCs) 3 echo signals in a given frequency band and with a given coefficient gain.

Блок аналого-цифровых преобразователей 3 является интерфейсным между аналоговой и цифровой частями платы, и конструктивно располагается на цифровой части. Блок АЦП использует стандартные микросхемы аналогово-цифрового преобразования с требуемой разрядностью, частотой дискретизации и интерфейсом.The block of analog-to-digital converters 3 is an interface between the analog and digital parts of the board, and is structurally located on the digital part. The ADC unit uses standard analog-to-digital conversion chips with the required bit depth, sampling rate and interface.

Блоки генератора 5, согласованного фильтра 4, измерительного устройства 7, вычислителя 8 и детектора 9 относятся к цифровой части платы и могут быть выполнены в виде процессора или микроконтроллера.The blocks of the generator 5, the matched filter 4, the measuring device 7, the calculator 8 and the detector 9 belong to the digital part of the board and can be made in the form of a processor or microcontroller.

Согласованный фильтр 4 рассчитывается для обнаружения сигнала заранее известной формы, сгенерированной блоком генератора, выходной сигнал фильтра при этом не совпадает по форме ни со входным, ни с сигналом, для обнаружения которого фильтр предназначен. Сигнал, с которым фильтр согласован, однако, при наличии его во входном сигнале с шумом, позволяет получить максимальную амплитуду выходного сигнала фильтра, то есть данный фильтр максимизирует отношение сигнал/помеха для известного сигнала.The matched filter 4 is calculated to detect a signal of a previously known shape generated by the generator unit, while the output signal of the filter does not coincide in shape with either the input or the signal for which the filter is intended to be detected. The signal with which the filter is matched, however, if it is present in the input signal with noise, allows you to get the maximum amplitude of the filter output signal, that is, this filter maximizes the signal-to-noise ratio for a known signal.

Генератор 5 является цифровым, расположенным внутри процессора, и выполняет функцию генерации в заданные моменты времени зондирующего сигнала. Для надежной работы детектора такими сигналами могут быть как простые короткие сигналы, так и сложные сигналы большой длительности.The generator 5 is digital, located inside the processor, and performs the function of generating a probe signal at predetermined times. For reliable operation of the detector, such signals can be either simple short signals or complex signals of long duration.

Усилитель мощности 6 необходим для обеспечения максимальной дистанции обнаружения путем обеспечения максимальной энергии сигнала посылки.A power amplifier 6 is needed to provide the maximum detection distance by providing maximum signal energy.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства является использование в нем измерительного устройства, измеряющего два параметра - параметр формы распределения эхо-сигнала и его характеристическую частоту, а также вычислителя отношения результатов этих измерений.The fundamental difference of the proposed device is the use in it of a measuring device that measures two parameters - the parameter of the shape of the distribution of the echo signal and its characteristic frequency, as well as a calculator of the ratio of the results of these measurements.

Измерительное устройство 7 предназначено для измерения двух параметров эхо-сигнала - параметра формы распределения и характеристической частоты. Эти параметры были впервые использованы в работе [Горшенков А.А, Кликушин Ю.Н. Представление моделей сигналов в системе идентификационных параметров [Электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. - 2010. - №9. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru], для количественной оценки множества отсчетов, из которых состоит любой квантованный и дискретизированный сигнал.The measuring device 7 is designed to measure two parameters of the echo signal - the parameter of the distribution shape and the characteristic frequency. These parameters were first used in the work [Gorshenkov A.A., Klikushin Yu.N. Representation of signal models in the system of identification parameters [Electronic resource] // Journal of Radio Electronics. - 2010. - No. 9. - Access mode: http://jre.cplire.ru], for the quantitative assessment of the set of samples of which any quantized and discretized signal consists.

Физический смысл параметра формы А состоит в том, что он численно характеризует форму распределения эхо-сигнала.The physical meaning of the parameter of form A is that it numerically characterizes the shape of the distribution of the echo signal.

Физический смысл параметра F, названного характеристической частотой, состоит в том, что он определяет количество локальных одноименных экстремумов эхо-сигнала за единицу времени. Характеристическая частота для периодических сигналов численно равна их собственной частоте.The physical meaning of the parameter F, called the characteristic frequency, consists in the fact that it determines the number of local eponymous extrema of the same name per unit time. The characteristic frequency for periodic signals is numerically equal to their natural frequency.

Эмпирическим путем авторы работы [Горшенков А.А, Кликушин Ю.Н. Представление моделей сигналов в системе идентификационных параметров [Электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. - 2010. - №9. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru] установили, что параметр формы и характеристическая частота на логическом уровне совместно задают вид распределения случайных сигналов в соответствии с данными таблицы 1.Empirically, the authors of the work [Gorshenkov A.A., Klikushin Yu.N. Representation of signal models in the system of identification parameters [Electronic resource] // Journal of Radio Electronics. - 2010. - No. 9. - Access mode: http://jre.cplire.ru] established that the shape parameter and the characteristic frequency at the logical level together determine the distribution of random signals in accordance with the data in table 1.

Таблица 1 называется идентификационной шкалой распределений (ИШ) и связывает параметр формы и характеристическую частоту на выходе измерительного устройства с именами случайных сигналов с двумодальным (2МОД), арксинусным (АРКС), равномерным (РАВН), трапецеидальным (ТРАП), треугольным (СИМП), нормальным (НОРМ), двусторонним экспоненциальным (ЛАПЛ) и Коши (КОШИ) законами распределения. Усреднения проводились по количеству реализаций L=100, объем выборки N=10000, время наблюдения сигнала tн=1 с.Table 1 is called the identification distribution scale (IS) and relates the shape parameter and characteristic frequency at the output of the measuring device with the names of random signals with two-mode (2MOD), arcsine (ARKS), uniform (RAVN), trapezoidal (TRAP), triangular (SIMP), normal (NORM), two-sided exponential (LAPL) and Cauchy (KOSHI) distribution laws. Averaging was carried out over the number of implementations L = 100, sample size N = 10000, signal observation time t n = 1 s.

Figure 00000001
Figure 00000001

Фундаментальный характер идентификационной шкалы (Таблица 1) состоит в том, что она охватывает полный диапазон всех возможных форм распределений.The fundamental nature of the identification scale (Table 1) is that it covers the full range of all possible forms of distributions.

Блок-схема измерительного устройства 7 содержит блок ранжирования эхо-сигнала по возрастанию 10, блок вычисления объема выборки эхо-сигнала 11; первый и второй блоки вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала, соответственно K1 и K2; блок, задающий масштабирующий коэффициент - «m»; первый и второй блоки умножения «X1» и «X2»; блок деления «/».The block diagram of the measuring device 7 includes a block for ranking the echo signal in ascending order 10, a block for calculating the sample size of the echo signal 11; the first and second blocks of calculating the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value of the increment of the echo signal, respectively, K 1 and K 2 ; a block defining a scaling factor - “m”; the first and second blocks of multiplication "X 1 " and "X 2 "; division block "/".

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Генератор сигнала посылки 5 посылает импульсный сигнал через усилитель мощности 6 и блок приемоизлучателей 1 (гидроакустическую антенну) в морскую среду. Копия сигнала посылки попадает на блок согласованных фильтров 4, чтобы обеспечить максимальное отношение сигнал-помеха (ОСП) на выходе фильтра. Отраженный от объекта локации эхо-сигнал попадает на гидроакустическую антенну 1, проходит через блок усилителей и полосовых фильтров 2 для уменьшения уровня помех, попадает на блок АЦП 3 и затем - на блок согласованных фильтров 4.The signal generator of the package 5 sends a pulse signal through the power amplifier 6 and the receiver unit 1 (sonar antenna) to the marine environment. A copy of the signal sends to the block matched filters 4 to ensure maximum signal to noise ratio (SIR) at the output of the filter. The echo signal reflected from the location object enters the sonar antenna 1, passes through the block of amplifiers and band-pass filters 2 to reduce the level of interference, goes to the ADC block 3 and then to the block of matched filters 4.

Измерительное устройство 7 измеряет параметр формы А распределения и характеристическую частоту F эхо-сигнала на выходе блока согласованных фильтров 4. Вычислитель 8 вычисляет отношение параметра формы и характеристической частоты. Детектор сравнивает полученное число на выходе вычислителя с порогом и выдает сигнал об обнаружении искомого объекта локации.The measuring device 7 measures the shape parameter A of the distribution and the characteristic frequency F of the echo signal at the output of the matched filter block 4. Calculator 8 calculates the ratio of the shape parameter and the characteristic frequency. The detector compares the received number at the output of the calculator with a threshold and gives a signal about the detection of the desired location object.

Работа измерительного устройства заключается в следующем. The operation of the measuring device is as follows.

Эхо-сигнал, поступающий с выхода блока согласованных фильтров 4 в измерительное устройство 7 поступает параллельно на вход блока вычисления объема выборки эхо-сигнала 11, вход первого блока вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала K1 и вход блока ранжирования эхо-сигнала по возрастанию 10.The echo signal coming from the output of the matched filter block 4 to the measuring device 7 is fed in parallel to the input of the block for calculating the sample size of the echo signal 11, the input of the first block calculating the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value of the increment of the echo signal K 1 and the input of the block echo ranking in ascending order 10.

В блоке 11 вычисления объема выборки эхо-сигнала, представленного в виде реализации выборочных значений, определяется объем выборки N, который поступает на вход блока умножения «X2».In block 11, the calculation of the sample size of the echo signal, presented in the form of the implementation of sample values, determines the sample size N, which is input to the multiplication unit "X 2 ".

В блоке «K1» осуществляется вычисление отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала, значение которого поступает на вход блока деления «/».In the block “K 1 ”, the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value of the increment of the echo signal, the value of which is input to the division block “/”, is calculated.

В блоке 10 эхо-сигнал ранжируется по возрастанию и поступает на вход второго блока вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала K2, которое затем перемножается на масштабирующий коэффициент m в блоке «X1» и поступает на другой вход блока умножения «Х2» и параллельно - на вход блока деления «/».In block 10, the echo signal is ranked in increasing order and is input to the second block for calculating the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value of the increment of the echo signal K 2 , which is then multiplied by a scaling factor m in block “X 1 ” and fed to another input multiplication unit "X 2 " and in parallel - to the input of the division unit "/".

Блок «m» задает значение масштабирующего коэффициента для согласования значения характеристической частоты F периодических сигналов с их собственной частотой. Экспериментальным путем было найдено значение масштабирующего коэффициента m=2.Block "m" sets the value of the scaling factor to match the value of the characteristic frequency F of the periodic signals with their natural frequency. The value of the scaling coefficient m = 2 was found experimentally.

Отношение средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала в блоках «K1» и «K2» определяется аналогичным образом. Рассмотрим работу этих блоков на примере блока «K1».The ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value of the increment of the echo signal in the blocks "K 1 " and "K 2 " is determined in a similar way. Consider the operation of these blocks on the example of the block "K 1 ".

Пусть на входе блока «K1» имеется дискретный эхо-сигнал X в виде ряда наблюдений {x1, x2, …, xN} объема N. Определяется средневыпрямленное значение эхо-сигнала

Figure 00000002
и средневыпрямленное значение приращения эхо-сигнала
Figure 00000003
по формулам:Let there be a discrete echo signal X at the input of block “K 1 ” in the form of a series of observations {x 1 , x 2 , ..., x N } of volume N. The average rectified value of the echo signal is determined
Figure 00000002
and mean rectified echo increment
Figure 00000003
according to the formulas:

Figure 00000004
Figure 00000004

Затем, вычисляется параметр K:Then, the parameter K is calculated:

Figure 00000005
Figure 00000005

Параметр формы A распределения эхо-сигнала вычисляется путем перемножения объема наблюдений N на mK2 в блоке «Х2», а характеристическая частота эхо-сигнала F находится путем деления K1 на mK2 в блоке «/».The shape parameter A of the echo distribution is calculated by multiplying the observation volume N by mK 2 in the block “X 2 ”, and the characteristic frequency of the echo signal F is found by dividing K 1 by mK 2 in the block “/”.

Вычислитель 8 реализует операцию отношения параметра формы А распределения и характеристической частоты F эхо-сигнала:The calculator 8 implements the operation of the ratio of the parameter of the form A distribution and the characteristic frequency F of the echo signal:

Figure 00000006
Figure 00000006

Детектор 9 реализует сравнение входных данных с пороговым значением:The detector 9 implements a comparison of the input data with a threshold value:

Figure 00000007
Figure 00000007

Где z=0 - объект не обнаружен, z=1 - объект обнаружен, y - входные данные, y0 - пороговое значение обнаружения устанавливается на стадии предварительной калибровки.Where z = 0 - the object is not detected, z = 1 - the object is detected, y - input data, y 0 - the detection threshold value is set at the preliminary calibration stage.

На фиг. 3 и фиг. 4 представлены примеры эхо-сигналов, действующих на входе измерительного устройства объема выборки N=30 для случая, когда объект не обнаружен (фиг. 3) и обнаружен (фиг. 4), а также приведены соответствующие им значения параметра формы A, характеристической частоты F и их отношения A/F.In FIG. 3 and FIG. Figure 4 shows examples of echo signals acting at the input of the measuring device of the sample size N = 30 for the case when the object was not detected (Fig. 3) and detected (Fig. 4), and also shows the corresponding values of the shape parameter A, characteristic frequency F and their A / F ratios.

Использование двух параметров, характеризующих один объект, дает уменьшение случайной погрешности в

Figure 00000008
раз [Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - Стр. 141], что, как следствие, приводит к увеличению достоверности обнаружения объекта в присутствии шумов и помех.The use of two parameters characterizing a single object gives a decrease in random error in
Figure 00000008
times [Novitsky P.V., Zograf I.A. Error estimation of measurement results. - 2nd ed., Revised. and add. - L .: Energoatomizdat, 1991. - Page 141], which, as a result, leads to an increase in the reliability of object detection in the presence of noise and interference.

Claims (2)

1. Устройство обнаружения подводных объектов, содержащее блок приемоизлучателей, блок усилителей и полосовых фильтров, блок аналого-цифровых преобразователей, блок согласованных фильтров, соединенный с измерительным устройством, генератор сигнала посылки, усилитель мощности и детектор, отличающееся тем, что измерительное устройство выполнено с возможностью измерения параметра формы распределения и характеристической частоты эхо-сигнала на выходе согласованного фильтра и соединено с вычислителем отношения параметра формы распределения и характеристической частоты эхо-сигнала, при этом выход вычислителя соединен со входом детектора.1. A device for detecting underwater objects, comprising a receiver-emitter unit, an amplifier and band-pass filter unit, an analog-to-digital converter unit, a matched filter unit connected to the measuring device, a sending signal generator, a power amplifier and a detector, characterized in that the measuring device is configured to measuring the shape of the distribution parameter and the characteristic frequency of the echo signal at the output of the matched filter and connected to the calculator of the relationship of the shape distribution parameter the frequency and characteristic frequency of the echo signal, while the output of the calculator is connected to the input of the detector. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительное устройство содержит блок ранжирования эхо-сигнала по возрастанию, блок вычисления объема выборки эхо-сигнала, первый и второй блоки вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала, блок, задающий масштабирующий коэффициент, первый и второй блоки умножения и блок деления, причем измерительное устройство выполнено с возможностью параллельной подачи эхо-сигнала на вход блока вычисления объема выборки эхо-сигнала, вход первого блока вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала и вход блока ранжирования эхо-сигнала по возрастанию, к выходу которого подключен второй блок вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала, ко входам первого блока умножения подключены выход блока, задающего масштабирующий коэффициент, и выход второго блока вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала, выход блока вычисления объема выборки эхо-сигнала и выход первого блока умножения связаны с соответствующими входами второго блока умножения, на выходе которого формируется значение параметра формы распределения эхо-сигнала, при этом выход первого блока вычисления отношения средневыпрямленного значения эхо-сигнала к средневыпрямленному значению приращения эхо-сигнала и выход первого блока умножения связаны с соответствующими входами блока деления, на выходе которого формируется значение характеристической частоты эхо-сигнала. 2. The device according to p. 1, characterized in that the measuring device comprises a block for ranking the echo signal in increasing order, a block for calculating the sample size of the echo signal, the first and second blocks for calculating the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value of the increment of the echo signal, a block specifying a scaling factor, the first and second multiplication blocks, and a division block, wherein the measuring device is configured to supply an echo signal in parallel to the input of the echo signal sample size calculation unit, the input of the first unit for calculating the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value of the increment of the echo signal and the input of the block for ranking the echo signal in increasing order, the output of which is connected to the second unit for calculating the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average rectified value of the increment of the echo signal, to the inputs the first block of multiplication connected to the output of the block that sets the scaling factor, and the output of the second block to calculate the ratio of the average rectified value of the echo signal to the average the rectified value of the increment of the echo signal, the output of the block for calculating the sample size of the echo signal and the output of the first block of multiplication are connected with the corresponding inputs of the second block of multiplication, at the output of which the value of the shape parameter of the distribution of the echo signal is generated, while the output of the first block of calculating the ratio of the average rectified echo value -signal to the average rectified value of the increment of the echo signal and the output of the first multiplication block are connected with the corresponding inputs of the division block, at the output of which the value the characteristic frequency of the echo signal.
RU2015112541/28A 2015-04-06 2015-04-06 Device for detecting objects in aqueous medium RU2585401C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015112541/28A RU2585401C1 (en) 2015-04-06 2015-04-06 Device for detecting objects in aqueous medium

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015112541/28A RU2585401C1 (en) 2015-04-06 2015-04-06 Device for detecting objects in aqueous medium

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2585401C1 true RU2585401C1 (en) 2016-05-27

Family

ID=56096088

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015112541/28A RU2585401C1 (en) 2015-04-06 2015-04-06 Device for detecting objects in aqueous medium

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2585401C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107332896A (en) * 2017-06-23 2017-11-07 邢艺凡 A kind of flaw detector control system and method under water
RU2645016C1 (en) * 2016-12-02 2018-02-15 Акционерное общество "Тетис Комплексные Системы" (АО "Тетис КС") Method for detecting underwater objects (options) and device for its implementation
RU2758586C1 (en) * 2020-12-25 2021-11-01 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Automatic detection and classification system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2109304C1 (en) * 1997-01-15 1998-04-20 Московский государственный университет леса Method of detection of sea surface anomalies
US6868041B2 (en) * 2002-05-01 2005-03-15 Quester Tangent Corporation Compensation of sonar image data primarily for seabed classification
RU83344U1 (en) * 2008-12-17 2009-05-27 Николай Николаевич Семенов UNDERWATER OBJECT DETECTION DEVICE FOR EVALUATING A MEASUREMENT RANDOM OF A HYDROLOCATOR ECHO SIGNAL
RU2444760C1 (en) * 2010-09-13 2012-03-10 Василий Алексеевич Воронин Method for removing lower surface of ice cover
RU133504U1 (en) * 2013-03-19 2013-10-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" DEVICE FOR HYDROACOUSTIC VISUALIZATION OF UNDERWATER SPACE UNDER CONDITIONS OF LIMITED VISIBILITY

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2109304C1 (en) * 1997-01-15 1998-04-20 Московский государственный университет леса Method of detection of sea surface anomalies
US6868041B2 (en) * 2002-05-01 2005-03-15 Quester Tangent Corporation Compensation of sonar image data primarily for seabed classification
RU83344U1 (en) * 2008-12-17 2009-05-27 Николай Николаевич Семенов UNDERWATER OBJECT DETECTION DEVICE FOR EVALUATING A MEASUREMENT RANDOM OF A HYDROLOCATOR ECHO SIGNAL
RU2444760C1 (en) * 2010-09-13 2012-03-10 Василий Алексеевич Воронин Method for removing lower surface of ice cover
RU133504U1 (en) * 2013-03-19 2013-10-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" DEVICE FOR HYDROACOUSTIC VISUALIZATION OF UNDERWATER SPACE UNDER CONDITIONS OF LIMITED VISIBILITY

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2645016C1 (en) * 2016-12-02 2018-02-15 Акционерное общество "Тетис Комплексные Системы" (АО "Тетис КС") Method for detecting underwater objects (options) and device for its implementation
CN107332896A (en) * 2017-06-23 2017-11-07 邢艺凡 A kind of flaw detector control system and method under water
RU2758586C1 (en) * 2020-12-25 2021-11-01 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Automatic detection and classification system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2461020C1 (en) Method for automatic classification
RU2548400C1 (en) Method for combined estimation of distance to noisy object in sea and noisiness thereof
RU2585401C1 (en) Device for detecting objects in aqueous medium
CN109991590B (en) System and method for testing low-frequency emission characteristic of transducer in pressure tank in limited space
RU2537472C1 (en) Hydroacoustic system for detecting submerged moving sound source and measuring coordinates thereof in shallow sea
US8437222B2 (en) System and method of range estimation
RU2541699C1 (en) Hydroacoustic method of distance measurement with help of explosive source
RU2451300C1 (en) Hydroacoustic navigation system
RU2465618C1 (en) Automatic classification system of short-range hydrolocator
RU75062U1 (en) DOPPLER LOCATION SYSTEM
RU2559159C1 (en) Ice thickness measuring method
CN110440896B (en) Ultrasonic measurement system and measurement method
RU2624826C1 (en) Method of classification of objects adapted to hydroacoustic conditions
RU2592741C1 (en) Hydroacoustic station for detection and location of gas leaks
RU2545068C1 (en) Measurement method of changes of heading angle of movement of source of sounding signals
RU2612201C1 (en) Method of determining distance using sonar
CN105676225B (en) Ranging system and method in opaque troubled liquor
RU83344U1 (en) UNDERWATER OBJECT DETECTION DEVICE FOR EVALUATING A MEASUREMENT RANDOM OF A HYDROLOCATOR ECHO SIGNAL
RU2733938C1 (en) Hydroacoustic information displaying method
RU2559310C2 (en) Method of estimating distance to noisy object at sea
RU2300781C1 (en) Device for hydrometeorological observations of sea range water area
RU2593622C1 (en) Method of measuring radial velocity of object at its noise emission
JPH0228116B2 (en)
CN115825964A (en) Underwater target detection method and system based on microwave water surface vibration sensing
RU192949U1 (en) Antenna unit for a mobile complex for determining the level and volume of bottom sediments in oil tanks

Legal Events

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

Effective date: 20170407

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20190603