RU2739478C1 - Method for processing a pseudo-noise signal in sonar - Google Patents

Method for processing a pseudo-noise signal in sonar Download PDF

Info

Publication number
RU2739478C1
RU2739478C1 RU2020118242A RU2020118242A RU2739478C1 RU 2739478 C1 RU2739478 C1 RU 2739478C1 RU 2020118242 A RU2020118242 A RU 2020118242A RU 2020118242 A RU2020118242 A RU 2020118242A RU 2739478 C1 RU2739478 C1 RU 2739478C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
maximum
zone
correlation
readings
Prior art date
Application number
RU2020118242A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Григорьевич Тимошенков
Original Assignee
Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" filed Critical Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Priority to RU2020118242A priority Critical patent/RU2739478C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2739478C1 publication Critical patent/RU2739478C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: hydro acoustics.
SUBSTANCE: invention relates to hydroacoustics and can be used for constructing systems for automatic detection of echo signals received by a sonar on a background of noise and reverberation interference, and measurement of object parameters when using pseudo-noise signals. Disclosed method of processing a pseudo-noise signal in sonar comprises emitting a probing pseudo-noise signal, receiving echo mutually correlation processing, the determination of the maximum correlation response, determining speed and distance of located object, determine the mean value of the frequency emitted Fem probing signal, signal reception is carried out with a static fan of directional characteristics crossing at a level of not less than 0.7 of the maximum, a set of temporal realizations of the echo signal with duration T is carried out simultaneously on all characteristics of directivity, correlation coefficient between time implementations of successive adjacent spatial channels is determined, pairs of adjacent spatial channels are selected, between which correlation coefficient exceeds 0.5, selecting a pair of channels with a maximum correlation coefficient, determining a cross-correlation function between channels of the selected pair, determining a maximum of the cross-correlation function, determining the time position of the selected maximum and its amplitude, determining the area of positive readings of the maximum of the correlation function, determining the zone of negative readings before the beginning of the zone of positive readings and the zone of negative readings after the zone of positive readings, boundary readings having different polarity are determined, the period of the carrying autocorrelation function is measured and the carrier frequency of the received echo signal is determined, after which the radial velocity is determined.
EFFECT: proposed method allows to reduce processing time of a pseudo-noise signal and to increase its efficiency when used in sonar for detecting objects and measuring parameters.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем автоматического обнаружения эхосигналов, принятых гидролокатором на фоне шумовой и реверберационной помехи и измерения параметров объекта при использовании псевдошумовых сигналов.The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used to build systems for automatic detection of echo signals received by the sonar against the background of noise and reverberation interference and measurement of object parameters using pseudo-noise signals.

Известен способ обнаружения эхосигнала, рассмотренный в книге Л. Рабинер, Б. Гоулд «Теория и применение цифровой обработки сигналов», Мир, Москва, 1978 г. Способ содержит излучение зондирующего сигнала длительностью Т на известной частоте; прием эхосигнала; дискретизацию входного сигнала, набор входных дискретизированных отсчетов длительностью Т; определение энергетического спектра с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), сдвиг набора входного сигнала по времени, многократное повторение процедуры набора сдвинутых во времени входных дискретизированных отсчетов длительностью Т и определение энергетического спектра, выбор набора с максимальной энергией сигнала, принятие решение об обнаружении по набору с максимальной энергией сигнала.A known method for detecting an echo signal, considered in the book L. Rabiner, B. Gould "Theory and application of digital signal processing", Mir, Moscow, 1978 The method contains the emission of a probe signal with duration T at a known frequency; echo reception; sampling of the input signal, a set of input sampled samples of duration T; determination of the energy spectrum using the fast Fourier transform (FFT), shifting the input signal set in time, repeating the procedure for a set of time-shifted input sampled samples of duration T and determining the energy spectrum, selecting the set with the maximum signal energy, deciding on the detection by set with maximum signal energy.

Недостатком этого способа является то, что он использует тональный сигнал большой длительности и на выходе определяется спектр эхосигнала, по которому можно определить скорость сближения, но нельзя определить протяженность эхосигнала, что является одним из основных классификационных признаков.The disadvantage of this method is that it uses a long tone signal and at the output the spectrum of the echo signal is determined, which can be used to determine the approach speed, but it is impossible to determine the length of the echo signal, which is one of the main classification features.

Известны способы обнаружения и измерения параметров эхосигналов от объектов с использованием, так называемых, сложных сигналов, при обработке которых на выходе формируется корреляционная функция эхосигнала и излученного зондирующего сигнала. Эти способы нашли применение в радиолокации и гидроакустике (Р. Бенжамин Анализ радио и гидролокационных сигналов Воениздат М. 1969). Основные свойства этих сигналов определяются видом внутренней модуляции, которая определяет вид функции неопределенности. Для задач классификации в гидролокации наибольший интерес представляют псевдошумовые сигналы, которые имеют кнопочную функцию неопределенности, обеспечивающие хорошее разрешение по времени и по скорости. (В.А. Зарайский, A.M. Тюрин Теория гидролокации изд. ВМАОЛУ, Л. 1975 стр. 242). Как правило, обработка таких сигналов производится с использованием многоканальных корреляторов (там же стр. 255) или многоканальных согласованных фильтров (там же на стр. 333). Если гидролокатор неподвижен и объект локации неподвижен, то корреляции производится между излученным сигналом и принятым эхосигналом. Однако, такая ситуации практически никогда не встречается, и за счет собственного движения и движения цели происходит смещение спектра отраженного сигнала в соответствии с эффектом Доплера (там же стр. 200), в результате чего спектры не совпадают и не образуется свернутая корреляционная функция. Именно по этому, используется при приеме многоканальная обработка, где каждый канал соответствует определенной скорости цели.Known methods of detecting and measuring parameters of echo signals from objects using the so-called complex signals, the processing of which at the output is formed the correlation function of the echo signal and the emitted probe signal. These methods have found application in radar and hydroacoustics (R. Benjamin Analysis of radio and sonar signals Voenizdat M. 1969). The main properties of these signals are determined by the type of internal modulation, which determines the form of the uncertainty function. For classification problems in sonar, the most interesting are pseudo-noise signals, which have a push-button uncertainty function, which provide good resolution in time and speed. (V.A. Zaraisky, A.M. Tyurin Theory of sonar location published by VMAOLU, L. 1975 p. 242). As a rule, such signals are processed using multichannel correlators (ibid., P. 255) or multichannel matched filters (ibid., P. 333). If the sonar is stationary and the target is stationary, then a correlation is made between the emitted signal and the received echo signal. However, such a situation practically never occurs, and due to the own movement and the movement of the target, the spectrum of the reflected signal is shifted in accordance with the Doppler effect (ibid., P. 200), as a result of which the spectra do not coincide and a folded correlation function is not formed. For this reason, multichannel processing is used in reception, where each channel corresponds to a certain target speed.

Наиболее близким по количеству общих признаков с предлагаемым изобретением является способ обработки сложного сигнала приведенный в книге (В.А. Зарайский, A.M. Тюрин «Теория гидролокации» изд. ВМАОЛУ, Л. 1975 стр. 255)The closest in terms of the number of common features with the proposed invention is the method of processing a complex signal given in the book (V.A. Zaraisky, A.M. Tyurin "Theory of sonar" ed. VMAOLU, L. 1975 p. 255)

Способ обработки сложного сигнала содержит следующие операции: излучение зондирующего сложного сигнала, формирования М-опорных сигналов, центральная частота которых сдвинута по частоте относительно излученного сигнала на величину K, прием эхосигнала, определение М корреляционных функций между эхосигналом и каждым из М-опорных сигналов, измерение амплитуды корреляционных функций, выбор корреляционной функции с максимальной амплитудой, определение временного положения максимума корреляционной функции для определения дистанции, определение номера опорного сигнала для определения скорости, отображение результата на индикаторе.The method for processing a complex signal contains the following operations: emission of a probing complex signal, generation of M-reference signals, the center frequency of which is shifted in frequency relative to the emitted signal by the value K, reception of an echo signal, determination of M correlation functions between the echo signal and each of the M-reference signals, measurement the amplitudes of the correlation functions, the choice of the correlation function with the maximum amplitude, the determination of the temporal position of the maximum of the correlation function to determine the distance, the determination of the reference signal number to determine the speed, the display of the result on the indicator.

Недостатком указанного способа обработки является то, что для получения потенциальных свойств псевдошумового сигнала необходима взаимно корреляционная обработка принятого сигнала с опорным сигналом, который должен являться точной копией принятого сигнала. Для этой цели используется банк опорных сигналов, каждый их которых сдвинут друг относительно друга на величину, равную половина интервала корреляции по частоте. Поэтому необходимо произвести взаимно корреляционную обработку входной набранной временной реализации со всеми опорными сигналами, имеющимися в банке копий, что требует большого числа времени для получения конечного результата.The disadvantage of this processing method is that to obtain the potential properties of the pseudo-noise signal, cross-correlation processing of the received signal with a reference signal is required, which must be an exact copy of the received signal. For this purpose, a bank of reference signals is used, each of which is shifted relative to each other by an amount equal to half of the frequency correlation interval. Therefore, it is necessary to carry out cross-correlation processing of the input dial-up time realization with all the reference signals available in the bank of copies, which requires a lot of time to obtain the final result.

Задачей изобретения является сокращение времени обработки псевдошумового сигнала в задачах гидролокации.The object of the invention is to reduce the processing time of a pseudo-noise signal in sonar tasks.

Техническим результатом заявленного изобретения является сокращение времени обработки и повышение эффективности полученного результата обработки псевдошумового сигнала при использовании его в гидролокации для обнаружения объектов и измерении параметров.The technical result of the claimed invention is to reduce the processing time and increase the efficiency of the obtained result of processing a pseudo-noise signal when using it in sonar to detect objects and measure parameters.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный способ обработки псевдошумового сигнала в гидролокации, содержащий излучение зондирующего псеводошумового сигнала, прием эхосигнала, взаимно корреляционную обработку, определение максимального корреляционного отклика, определение скорости лоцируемого объекта и дистанции, введены новые признаки, а именно определяют среднее значение частоты излученного зондирующего сигнала Fизл, прием сигнала осуществляют статическим веером характеристик направленности, пересекающихся на уровне не менее 0,7 от максимума, набор временных реализаций эхосигнала длительностью Т производят одновременно по всем характеристикам направленности, производят определение коэффициента корреляции между временными реализациями последовательных соседних пространственных каналов, выбирают пары соседних пространственные каналов, между которыми коэффициент корреляции превышает 0,5, из них выбирают пару каналов с максимальным значение коэффициента корреляции, определяют взаимно корреляционную функцию между каналами выбранной пары, определяют максимум взаимно корреляционной функции, определяют временное положение выбранного максимума и его амплитуду, определяют зону положительных отсчетов максимума корреляционной функции, определяют зону отрицательных отсчетов до начала зоны положительных отсчетов и зону отрицательных отсчетов после зоны положительных отсчетов, определяют граничные отсчеты имеющие разную полярность, измеряют амплитуду A1 отсчета, имеющую отрицательную полярность, измеряют значение времени этого отсчета t1, измеряют амплитуду отсчета А2, имеющего положительную полярность, следующую за отрицательным отсчетом, измеряют значение времени принадлежащее этому отсчету t2, вычисляют временное положение нулевой амплитуды сигнала несущей автокорреляционной функции по формуле Т12 Д /(A12), где Д интервал дискретизации, измеряют амплитуду А3 отсчета, имеющую отрицательную полярность из зоны, следующей за положительной зоной, измеряют значение времени этого отсчета t3, измеряют амплитуду отсчета А4, имеющего положительную полярность предшествующее отрицательному отсчету, измеряют значение времени принадлежащее этому отсчету t4, вычисляют временное положение нулевой амплитуды сигнала несущей корреляционной функции по формуле Т23 Д /(А34), вычисляют полупериод несущей частоты корреляционной функции по формуле П12-T1, определяют несущую частоту сигнала по формуле Fнес=1/2П1, определяют скорость объекта по формуле Vрад=(Fнec-Fизл)/0,69Fиз, где 0,69 имеет размерность гц/уз. Кгц. (Fиз в Кгц, Fнec и Fизл в Гц, Vpaд в узл.)The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of processing a pseudo-noise signal in sonar, containing the emission of a probing pseudo-noise signal, receiving an echo signal, cross-correlation processing, determining the maximum correlation response, determining the speed of the target object and the distance, new features are introduced, namely, the average value the frequencies of the emitted probing signal F rad , the signal is received by a static fan of directional characteristics intersecting at a level of at least 0.7 of the maximum, a set of time realizations of an echo signal of duration T is performed simultaneously for all directivity characteristics, the correlation coefficient between time realizations of successive adjacent spatial channels , pairs of adjacent spatial channels are selected, between which the correlation coefficient exceeds 0.5, of which a pair of channels with the maximum value of the correlation coefficient is selected , determine the cross-correlation function between the channels of the selected pair, determine the maximum of the cross-correlation function, determine the time position of the selected maximum and its amplitude, determine the zone of positive readings of the maximum of the correlation function, determine the zone of negative readings before the beginning of the zone of positive readings and the zone of negative readings after the zone of positive readings , determine the boundary samples having different polarity, measure the amplitude A 1 of the sample having negative polarity, measure the time value of this sample t 1 , measure the amplitude of the A2 sample having a positive polarity following the negative sample, measure the time value belonging to this sample t 2 , calculate the time position of the zero amplitude of the signal of the carrier autocorrelation function according to the formula T 1 = A 2 D / (A 1 + A 2 ), where D is the sampling interval, the amplitude A 3 of the sample is measured, having a negative polarity from the zone following the positive zone, measure the time value of this count t 3 , measure the amplitude of the count A 4 having a positive polarity preceding the negative count, measure the time value belonging to this count t 4 , calculate the time position of the zero amplitude of the signal of the carrier correlation function according to the formula T 2 = A 3 D / (A 3 + A 4 ), calculate the half-period of the carrier frequency of the correlation function by the formula P 1 = T 2 -T 1 , determine the carrier frequency of the signal by the formula F nes = 1 / 2P 1 , determine the speed of the object by the formula V rad = (F nes -F rad ) / 0.69F from , where 0.69 has the dimension of Hz / knot. KHz. (F from in KHz, F notc and F emit in Hz, V rad in knot .)

Для повышения точности измерения несущей частоты можно увеличить частоту дискретизации входного сигнала, что уменьшит интервал между отсчетами и повысит точность определения несущей частоты.To improve the accuracy of the carrier measurement, you can increase the sampling rate of the input signal, which will decrease the interval between samples and increase the accuracy of determining the carrier frequency.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. В прототипе для определения эхосигнала используется взаимно корреляционная обработка принятого сигнала с набором банка опорных сигналов, что требует существенных затрат вычислительных средств. Существенно меньше времени нужно для вычисления коэффициента корреляции между двумя временными реализациями. Коэффициент корреляции определяется по стандартной процедуре. Если временные отсчеты первого пространственного канала Xi и временные отсчеты второго пространственного канала Yi, то коэффициент корреляции КК определяется по следующиму известному соотношению.The essence of the proposed technical solution is as follows. In the prototype, to determine the echo signal, cross-correlation processing of the received signal with a set of reference signal banks is used, which requires significant computing costs. Significantly less time is needed to calculate the correlation coefficient between two time-domain realizations. The correlation coefficient is determined according to the standard procedure. If the time samples of the first spatial channel X i and the time samples of the second spatial channel Y i , then the correlation coefficient QC is determined by the following known relationship.

Figure 00000001
Figure 00000001

где Xn - отсчеты первого пространственного канала массива Sl(n,1), Yn - отсчеты второго пространственного канала массива Sl(n,2),

Figure 00000002
Sx Sy - соответствующие средние квадратичные отклонения, Хср и Ycp - среднее по временным отсчетам.where X n are the samples of the first spatial channel of the Sl (n, 1) array, Y n are the samples of the second spatial channel of the Sl (n, 2) array,
Figure 00000002
S x S y - the corresponding standard deviations, X cf. and Y cp - the average over time readings.

Figure 00000003
Figure 00000003

После чего определяется максимальное значение коэффициента корреляции. Определение коэффициента корреляции не требует многоканальной взаимно корреляционной обработки и является стандартной процедурой всех вычислительных устройств. Практически все указанные процедуры могут быть реализованы на современных компьютерах и ноутбуках, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др.(А.Б. Сергиенко Цифровая обработка сигналов СПб. «БХВ - Петербург» 2011 г.).Then the maximum value of the correlation coefficient is determined. The determination of the correlation coefficient does not require multi-channel cross-correlation processing and is a standard procedure for all computing devices. Almost all of these procedures can be implemented on modern computers and laptops, in which the computing programs Matlab, Matsard and others are implemented (AB Sergienko Digital signal processing SPb. "BHV - Petersburg" 2011).

Наличие максимального коэффициента корреляции между соседними пространственными каналами однозначно определяет временную реализацию с эхосигналом. Это исключает необходимость в проведении многоканальной взаимно корреляционной обработки. Теперь возникает вопрос в определении радиальной скорости и дистанции.The presence of the maximum correlation coefficient between adjacent spatial channels uniquely determines the temporal implementation with an echo signal. This eliminates the need for multi-channel cross-correlation processing. Now the question arises in determining the radial speed and distance.

Поскольку пространственные каналы пересекаются на уровне 0,7, то принимаемый эхосигнал в этих каналах имеет одинаковую длительность, одинаковую частоту и одинаковую структуру. Поэтому можно определить одну взаимно корреляционную функцию между соседними пространственными каналами. Сигналы в соседних пространственных каналах практически одинаковые и поэтому взаимно корреляционная функция практически является автокорреляционной функцией (АКФ) принятого эхосигнала, что позволит упростить рассмотрение.Since the spatial channels intersect at a level of 0.7, the received echo signal in these channels has the same duration, the same frequency and the same structure. Therefore, it is possible to define one cross-correlation function between adjacent spatial channels. The signals in adjacent spatial channels are practically the same, and therefore the cross-correlation function is practically the autocorrelation function (ACF) of the received echo signal, which will simplify the consideration.

Корреляционная функция является кратковременной функцией, длительность которой определяется шириной полосы спектра изученного зондирующего сигнала. Известно (Дж. Бендат, А. Пирсол Применения корреляционного и спектрального анализа. Пер. с англ. Москва, «Мир», 1983, с. 71), что параметры сигнала связаны соотношением: ширина основного максимума корреляционной функции принятого сигнала (первый ноль огибающей) обратно пропорциональна ширине спектра принятого сигнала ΔT=1/ΔF, а сама корреляционная функция, принятая соседними пространственными каналами X1 и Х2 определяется выражением:The correlation function is a short-term function, the duration of which is determined by the bandwidth of the spectrum of the studied probe signal. It is known (J. Bendat, A. Pirsol Applications of correlation and spectral analysis. Transl. From English. Moscow, "Mir", 1983, p. 71) that the signal parameters are related by the ratio: the width of the main maximum of the correlation function of the received signal (the first zero of the envelope ) is inversely proportional to the width of the spectrum of the received signal ΔT = 1 / ΔF, and the correlation function itself, adopted by the adjacent spatial channels X 1 and X 2, is determined by the expression:

Figure 00000004
где Wx1, x2 взаимные спектры. После несложных преобразований получим корреляционную функцию принятого сигнала
Figure 00000004
where W x1, x2 are mutual spectra. After simple transformations, we obtain the correlation function of the received signal

Figure 00000005
где ωв и, соответственно, fв - верхняя граничная частота спектра эхосигнала, ωн, и, соответственно, fн - нижняя граничная частота спектра эхосигнала. Эти частоты определяют полосу принятого эхосигнала. Аргумент функции
Figure 00000006
определяет среднюю несущую частоту fcp принятого эхосигнала объекта.
Figure 00000005
where ω in and, accordingly, f in is the upper boundary frequency of the echo signal spectrum, ω n , and, accordingly, f n is the lower boundary frequency of the echo signal spectrum. These frequencies determine the bandwidth of the received echo. Function argument
Figure 00000006
determines the average carrier frequency f cp of the received object echo.

Таким образом, корреляционная функция содержат две составляющие, одна из которых определяется полосой спектра сигнала

Figure 00000007
, а другая - средней частотой спектра сигнала
Figure 00000008
Составляющая, определяемая полосой сигнала, является огибающей функции В(τ), а составляющая, определяемая средней частотой, является несущей частотой функции. При движении цели ее частота изменяется в зависимости от скорости собственного движения и от скорости цели, что приведет к смещению спектра отраженного сигнала относительно спектра излученного сигнала Fизл.Thus, the correlation function contains two components, one of which is determined by the signal spectrum band
Figure 00000007
, and the other is the average frequency of the signal spectrum
Figure 00000008
The bandwidth component is the envelope of the function B (τ), and the center frequency component is the carrier frequency of the function. When the target moves, its frequency changes depending on the speed of its own movement and on the speed of the target, which will lead to a shift in the spectrum of the reflected signal relative to the spectrum of the emitted signal F rad .

Измерить само значение средней частоты корреляционной функции с помощью процедуры БПФ представляет значительные трудности, поскольку длительность корреляционной функции определяется полосой сигнала

Figure 00000009
Разрешающая способность процедуры БПФ определяется длительностью входной временной реализации процесса. Поскольку длительность корреляционной функции мала, то и спектральные отсчеты на выходе БПФ будут иметь плохое разрешение. Это не позволит измерить радиальную скорость. Поэтому предлагается измерить не саму несущую частоту корреляционной функции, а длительность полупериода
Figure 00000010
корреляционной функции принятого эхосигнала, который однозначно связан с несущей частотой принятого эхосигнала, и по нему рассчитывать радиальную скорость.It is very difficult to measure the value of the average frequency of the correlation function using the FFT procedure, since the duration of the correlation function is determined by the signal bandwidth
Figure 00000009
The resolution of the FFT procedure is determined by the duration of the input time implementation of the process. Since the duration of the correlation function is short, the spectral samples at the FFT output will also have poor resolution. This will prevent radial velocity measurements. Therefore, it is proposed to measure not the carrier frequency of the correlation function itself, but the duration of the half-period
Figure 00000010
the correlation function of the received echo signal, which is uniquely associated with the carrier frequency of the received echo signal, and from it calculate the radial velocity.

Результатом определения корреляционной функции на выходе системы обработки является последовательность временных отсчетов (фиг. 1). По расположению этих отсчетов и по измерению амплитуд этих отсчетов определяется полупериод несущей частоты корреляционной функции принятого эхосигнала. Корреляционная функция является апериодической функцией, которая имеет глобальный максимум, относительно которого располагаются положительный полупериод несущей частоты. Определяют максимальную амплитуду в зоне положительных отсчетов полупериода несущей частоты. После этого можно определить временное положение точек перехода от положительного значения к отрицательному значению, что соответствует временному положению полупериода. Для этого определяют зону отрицательных отсчетов до начала зоны положительных отсчетов и зону отрицательных отсчетов после зоны положительных отсчетов. В этих пределах должны находиться границы полупериода. Для нахождения этих границ (фиг. 1) определяют амплитуды A1 и А2, соответствующие отсчетам t1 и t2, и А3 и А4, соответствующие отсчетам t3 и t4, что позволяет определить временное положение переходов корреляционной функции через ноль T1 и Т2 и полупериод корреляционной функции П, по которому определяют Fнес. В конечном итоге Vрад, определяемая по формуле Vрад=(Fнес-Fизл)/0,69Fиз, где 0,69 - коэффициент, учитывающий эффект Доплера; 0,69 имеет размерность гц/уз, Кгц. (Fиз в Кгц, Fнес и Fизл в Гц, Vрад в узл.) (Дж. Уоррен Хортон. «Основы гидролокации». Судпромгиз. 1961 г. стр. 452).The result of determining the correlation function at the output of the processing system is a sequence of time samples (Fig. 1). By the location of these samples and by measuring the amplitudes of these samples, the half-period of the carrier frequency of the correlation function of the received echo signal is determined. The correlation function is an aperiodic function that has a global maximum, relative to which the positive half-cycle of the carrier frequency is located. Determine the maximum amplitude in the zone of positive samples of the carrier frequency half-period. After that, you can determine the temporary position of the transition points from a positive value to a negative value, which corresponds to the temporary position of the half-period. For this, the zone of negative readings is determined before the beginning of the zone of positive readings and the zone of negative readings after the zone of positive readings. The boundaries of the half-period should be within these limits. To find these boundaries (Fig. 1) determine the amplitudes A 1 and A 2 , corresponding to the readings t 1 and t 2 , and A 3 and A 4 , corresponding to the readings t 3 and t 4 , which makes it possible to determine the time position of the transitions of the correlation function through zero T 1 and T 2 and the half-period of the correlation function P, which determines F carried . Ultimately, V rad , determined by the formula V rad = (F nes -F rad ) / 0.69F from , where 0.69 is a coefficient that takes into account the Doppler effect; 0.69 has a dimension of Hz / knot, KHz. (F from in KHz, F carried and F erad in Hz, V rad in knot.) (J. Warren Horton. "Basics of sonar". Sudpromgiz. 1961, p. 452).

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, при этом на фиг. 1 представлена последовательность измерений полупериода несущей автокорреляционной функции, на фиг. 2 блок схема устройства реализующего способ,The essence of the invention is illustrated in FIG. 1 and FIG. 2, with FIG. 1 shows a sequence of measurements of the half-period of the carrier autocorrelation function, FIG. 2 block diagram of a device implementing the method,

Антенна 1 (фиг. 2) со статическим веером характеристик направленности последовательно соединена с приемником 2 эхосигналов и спецпроцессором 3, в который входят последовательно соединенные блок 4 определения коэффициентов корреляции, блок 5 выбора пространственных каналов с наибольшим коэффициентом корреляции, блок 6 определения корреляционной функции между выделенными каналами, блок 7 измерения зоны положительных отсчетов, блок 9 измерения несущей частоты корреляционной функции, блок 10 определения скорости и дистанции. В состав устройства (фиг. 2) также входят блок 11 управления и отображения, вход которого соединен с блоком 10, первый выход через блок 12 генератор ПШС соединен с антенной 1, а второй выход с блоком 10. Второй выход блока 6 через блок 8 соединен со вторым входом блока 9, а третий выход блока 6 соединен со вторым входом блока 10.Antenna 1 (Fig. 2) with a static fan of directivity characteristics is connected in series with a receiver 2 of echo signals and a special processor 3, which includes a series-connected unit 4 for determining the correlation coefficients, a unit 5 for selecting spatial channels with the highest correlation coefficient, a unit 6 for determining the correlation function between the selected channels, block 7 for measuring the zone of positive samples, block 9 for measuring the carrier frequency of the correlation function, block 10 for determining the speed and distance. The device (Fig. 2) also includes a control and display unit 11, the input of which is connected to unit 10, the first output through unit 12, the PShS generator is connected to antenna 1, and the second output to unit 10. The second output of unit 6 is connected to unit 8 with the second input of block 9, and the third output of block 6 is connected to the second input of block 10.

Принципы цифрового преобразования и обработки достаточно подробно приведены в работе («Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма М. Мир 1980 г. стр. 389-436.). 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 корреляционную обработку и процедуры ее анализа. Вопросы реализации спецпроцессоров достаточно подробно рассмотрены в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт-Петербург «Наука»2004 г. стр. 281.Principles of digital transformation and processing are given in sufficient detail in the work ("Application of digital signal processing" p / p Oppenheim M. Mir 1980, pp. 389-436.). At present, almost all hydroacoustic equipment is performed on special processors that convert the acoustic signal into digital form and digitally generate directional characteristics, multichannel processing and signal detection, as well as correlation processing and procedures for its analysis. The implementation of special processors is discussed in sufficient detail in the book by Yu.A. Koryakin, S.A. Smirnov, G.V. Yakovlev "Ship sonar equipment" St. Petersburg "Science" 2004 p. 281.

Реализацию предложенного способа целесообразно продемонстрировать на примере работы устройства (фиг. 2).It is expedient to demonstrate the implementation of the proposed method using the example of the device operation (Fig. 2).

С блока 11 управления и отображения подается сигнал на генератор 12 ПШС, который формирует зондирующий псевдошумовой сигнал и излучает его приемо-излучающей антенной 1. Одновременно в блок 10 определение дистанции и скорости передается среднее значение излученной частоты в герцах Fизл. Отраженный эхосигнал от объекта принимается статическими характеристиками антенны 1 и передается на приемник 2 эхосигналов, где производится преобразование аналогового сигнала, принятого антенной 1, в цифровой вид, после чего последовательными временными порциями временные реализации пространственных каналов передаются в спецпроцессор 3. В блоке 4 спецпроцессора 3 происходит определение коэффициента корреляции (КК) между последовательными временными реализациями соседних пространственных каналов. В блоке 5 производится определение пространственных каналов, у которых КК превысил пороговое значение 0,5, и выбор среди них пространственных каналов с максимальным значением коэффициента корреляции. Поскольку пространственные каналы пересекаются на уровне 0,7, то амплитудные значение эхосигналов будут отличаться незначительно друг от друга, а их структура будет идентична. Поэтому их взаимно корреляционная функция будет практически автокорреляционной функцией АКФ принятого эхосигнала. Полученная корреляционная функция передается в блок 6 измерения зоны положительных отсчетов, где выбираются максимальные положительные отсчеты, определяются крайние положительные отсчеты, измеряются их временное положение и амплитуда и передаются в блок 9 измерения несущей частоты. Одновременно эта же корреляционная функция передается в блок 8 определения зоны отрицательных отсчетов, где определяются амплитудные значения и временные положения крайних отрицательных отсчетов соседних с зоной положительных отсчетов и передаются на второй вход блока 9 измерения несущей частоты корреляционной функции. Процедура измерения положительного полупериода несущей частоты автокорреляционной функции представлена на фиг. 2. По измеренным значениям A1, t1, А2, t2, A3, t3, A4, t4 производится вычисление временных положений T1 и Т2 и определение положительного полупериода несущей корреляционной функции. Полученное значение полупериода используется для вычисления несущей частоты Fнес в герцах. Это значение передается в блок 10 для вычисления радиальной скорости по формуле Vрад=(Fнес-Fизл)/0,69Fиз, где 0,69 имеет размерность гц/уз. кгц. (Fиз в Кгц, Fнес и Fизл в Гц, Vрад в узл.) (Дж. Уоррен Хортон Основы гидролокации Судпромгиз Л. 1961 г. стр. 452), а дистанция определяется по временному положению максимума. Обычно частота дискретизации в блоке 2 приемнике эхосигналов выбирается в 2 раза выше, чем верхняя частота принимаемого сигнала с учетом скорости перемещения цели. Для повышения точности измерения несущей частоты можно увеличить частоту дискретизации в блоке 2, что уменьшит интервал между отсчетами в зоне положительных отсчетов и в зоне отрицательных отсчетов и повысит точность определения несущей частоты. При этом сама ширина зоны положительных отсчетов и зоны отрицательных отсчетов не изменится.From the control unit 11 and the display signal is supplied to the generator 12 ECP which generates a probe signal and pseudonoise emits its transceiver radiating antenna 1. Simultaneously, the control unit 10 determining the distance and speed transmitted average value of radiation frequency in Hz F rad. The reflected echo signal from the object is received by the static characteristics of the antenna 1 and is transmitted to the receiver 2 of echo signals, where the analog signal received by the antenna 1 is converted into digital form, after which the temporal realizations of the spatial channels are transmitted in successive time portions to the special processor 3. In block 4 of the special processor 3 determining the correlation coefficient (CC) between successive temporal realizations of adjacent spatial channels. In block 5, spatial channels are determined for which the CC has exceeded the threshold value of 0.5, and the spatial channels with the maximum value of the correlation coefficient are selected among them. Since the spatial channels intersect at a level of 0.7, the amplitude values of the echo signals will differ slightly from each other, and their structure will be identical. Therefore, their cross-correlation function will be practically the autocorrelation function of the ACF of the received echo signal. The obtained correlation function is transmitted to the unit 6 for measuring the zone of positive samples, where the maximum positive samples are selected, the extreme positive samples are determined, their temporal position and amplitude are measured, and transmitted to the unit 9 for measuring the carrier frequency. At the same time, the same correlation function is transmitted to the block 8 for determining the zone of negative samples, where the amplitude values and time positions of the extreme negative samples adjacent to the zone of positive samples are determined and transmitted to the second input of the block 9 for measuring the carrier frequency of the correlation function. The procedure for measuring the positive half-period of the carrier frequency of the autocorrelation function is shown in FIG. 2. Based on the measured values A 1 , t 1 , A 2 , t 2 , A 3 , t 3 , A4, t 4 , the time positions T 1 and T 2 are calculated and the positive half-period of the bearing correlation function is determined. The resulting half-cycle value is used to calculate the carrier frequency F carried in hertz. This value is passed to block 10 to calculate the radial velocity of the formula V rad = (F rad carried -F) / 0,69F of which has a dimension of 0.69 Hz / kt. kHz. (F out in kHz, F and F rad carried in Hz, V rad in kt.) (J. Warren Horton Fundamentals sonar Sudpromgiz L. 1961, pp. 452), and the distance is determined by the temporal position of the maximum. Typically, the sampling frequency in block 2 of the echo receiver is selected 2 times higher than the upper frequency of the received signal, taking into account the speed of the target. To improve the accuracy of measuring the carrier frequency, you can increase the sampling frequency in block 2, which will reduce the interval between samples in the zone of positive samples and in the zone of negative samples and increase the accuracy of determining the carrier frequency. In this case, the very width of the zone of positive readings and the zone of negative readings will not change.

Таким образом, можно существенно сократить объем вычислительных операций с использованием последовательного определения коэффициента корреляции между временными реализациями соседних пространственных каналов, что позволяет найти временную реализацию с эхосигналом от цели, определить корреляционную функцию принятого эхосигнала и определить среднюю частоту принятого эхосигнала, после чего измерить скорость и дистанцию.Thus, it is possible to significantly reduce the amount of computational operations using sequential determination of the correlation coefficient between temporal realizations of adjacent spatial channels, which allows finding a temporal implementation with an echo signal from a target, determining the correlation function of the received echo signal, and determining the average frequency of the received echo signal, and then measuring the speed and distance ...

Claims (1)

Способ обработки псевдошумового сигнала в гидролокации, содержащий излучение зондирующего псеводошумового сигнала, прием эхо-сигнала, взаимно корреляционную обработку, определение максимального корреляционного отклика, определение скорости лоцируемого объекта и дистанции, отличающийся тем, что определяют среднее значение частоты излученного зондирующего сигнала Fизл, прием сигнала осуществляют статическим веером характеристик направленности, пересекающихся на уровне не менее 0,7 от максимума, набор временных реализаций эхо-сигнала длительностью Т производят одновременно по всем характеристикам направленности, производят определение коэффициента корреляции между временными реализациями последовательных соседних пространственных каналов, выбирают пары соседних пространственные каналов, между которыми коэффициент корреляции превышает 0,5, из них выбирают пару каналов с максимальным значением коэффициента корреляции, определяют взаимно корреляционную функцию между каналами выбранной пары, определяют максимум взаимно корреляционной функции, определяют временное положение выбранного максимума и его амплитуду, определяют зону положительных отсчетов максимума корреляционной функции, определяют зону отрицательных отсчетов до начала зоны положительных отсчетов и зону отрицательных отсчетов после зоны положительных отсчетов, определяют граничные отсчеты, имеющие разную полярность, измеряют амплитуду A1 отсчета, имеющего отрицательную полярность, измеряют значение времени этого отсчета t1, измеряют амплитуду отсчета А2, имеющего положительную полярность, следующую за отрицательным отсчетом, измеряют значение времени, принадлежащее этому отсчету t2, вычисляют временное положение нулевой амплитуды сигнала несущей корреляционной функции по формуле T12Д/(A12), где Д - интервал дискретизации, измеряют амплитуду А3 отсчета, имеющего отрицательную полярность из зоны, следующей за положительной зоной, измеряют значение времени этого отсчета t3, измеряют амплитуду отсчета А4, имеющего положительную полярность, предшествующую отрицательному отсчету, измеряют значение времени, принадлежащее этому отсчету t4, вычисляют временное положение нулевой амплитуды сигнала несущей корреляционной функции по формуле Т23Д/(A34), вычисляют полупериод несущей частоты корреляционной функции по формуле П12-T1, определяют несущую частоту сигнала по формуле Fнec=1/2П1, определяют скорость объекта по формуле Vрад=(Fнec-Fизл)/0,69Fиз, где 0,69 имеет размерность Гц/уз. кГц (Fиз в кГц, Fнec и Fизл в Гц, Vpaд в уз.).A method for processing a pseudo-noise signal in sonar, containing the emission of a probing pseudo-noise signal, reception of an echo signal, cross-correlation processing, determination of the maximum correlation response, determination of the speed of the positioned object and the distance, characterized in that the average value of the frequency of the emitted probe signal F rad , signal reception a static fan of directivity characteristics intersecting at a level of at least 0.7 of the maximum is carried out, a set of temporal realizations of an echo signal of duration T is carried out simultaneously for all directivity characteristics, a correlation coefficient is determined between temporal realizations of successive adjacent spatial channels, pairs of adjacent spatial channels are selected, between which the correlation coefficient exceeds 0.5, of which a pair of channels with the maximum value of the correlation coefficient is selected, the cross-correlation function between the channels of the selected pair is determined , determine the maximum of the cross-correlation function, determine the time position of the selected maximum and its amplitude, determine the zone of positive readings of the maximum of the correlation function, determine the zone of negative readings before the beginning of the zone of positive readings and the zone of negative readings after the zone of positive readings, determine the boundary readings having different polarity, measure the amplitude A 1 reference frame having a negative polarity, measured time value of the reference t 1, measuring the amplitude of the reference frame A 2 having a positive polarity following the negative count, measured time value belonging to this count t 2, calculate the time position of the zero amplitude carrier signal correlation function according to the formula T 1 = A 2 D / (A 1 + A 2 ), where D is the sampling interval, measure the amplitude A 3 of the sample having negative polarity from the zone following the positive zone, measure the time value of this sample t 3 , measure amplitudes at the count A 4 having a positive polarity preceding the negative count, measure the time value belonging to this count t 4 , calculate the time position of the zero amplitude of the signal of the carrier correlation function according to the formula T 2 = A 3 D / (A 3 + A 4 ), calculate half cycle of the carrier frequency correlation function from the formula P 1 = T 2 -T 1, the carrier frequency signal is determined by the formula F nec = 1 / 2n 1, velocity of the object is determined by the formula V rad = (F nec -F rad) / 0,69F of where 0.69 is Hz / kt. kHz (F from in kHz, F nec and F emit in Hz, V rad in knots).
RU2020118242A 2020-05-25 2020-05-25 Method for processing a pseudo-noise signal in sonar RU2739478C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020118242A RU2739478C1 (en) 2020-05-25 2020-05-25 Method for processing a pseudo-noise signal in sonar

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020118242A RU2739478C1 (en) 2020-05-25 2020-05-25 Method for processing a pseudo-noise signal in sonar

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2739478C1 true RU2739478C1 (en) 2020-12-24

Family

ID=74063072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020118242A RU2739478C1 (en) 2020-05-25 2020-05-25 Method for processing a pseudo-noise signal in sonar

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2739478C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2785403C1 (en) * 2021-09-13 2022-12-07 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Active sonar apparatus with object classification

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2293356C2 (en) * 2001-09-19 2007-02-10 Государственное унитарное дочернее предприятие "Конструкторское бюро информатики, гидроакустики и связи" Mode of processing of underwater acoustic signals with complex modulation law
RU2298203C2 (en) * 2005-05-03 2007-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Mode of detection of noisy objects in the sea
CN101504459B (en) * 2009-03-12 2012-05-23 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 Novel method for measuring underwater acoustic array member phase-and-amplitude consistency
CN202929209U (en) * 2012-10-26 2013-05-08 厦门大学 Multi-beam underwater acoustic deep water cage fish school monitoring system
RU2593622C1 (en) * 2015-03-18 2016-08-10 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of measuring radial velocity of object at its noise emission
RU2602759C1 (en) * 2015-09-07 2016-11-20 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of object in aqueous medium automatic detection and classification
RU2634787C1 (en) * 2016-10-28 2017-11-03 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of detecting local object against background of distributed interference
RU2650835C1 (en) * 2017-03-28 2018-04-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of the target parameters determining by the sonar
RU2674552C1 (en) * 2017-12-07 2018-12-11 Акционерное общество "Концерн" "Океанприбор" Sonar method of object detection and measurement of parameters thereof
RU2711420C1 (en) * 2018-10-30 2020-01-17 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for processing signals with hyperbolic frequency modulation

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2293356C2 (en) * 2001-09-19 2007-02-10 Государственное унитарное дочернее предприятие "Конструкторское бюро информатики, гидроакустики и связи" Mode of processing of underwater acoustic signals with complex modulation law
RU2298203C2 (en) * 2005-05-03 2007-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Mode of detection of noisy objects in the sea
CN101504459B (en) * 2009-03-12 2012-05-23 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 Novel method for measuring underwater acoustic array member phase-and-amplitude consistency
CN202929209U (en) * 2012-10-26 2013-05-08 厦门大学 Multi-beam underwater acoustic deep water cage fish school monitoring system
RU2593622C1 (en) * 2015-03-18 2016-08-10 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of measuring radial velocity of object at its noise emission
RU2602759C1 (en) * 2015-09-07 2016-11-20 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of object in aqueous medium automatic detection and classification
RU2634787C1 (en) * 2016-10-28 2017-11-03 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of detecting local object against background of distributed interference
RU2650835C1 (en) * 2017-03-28 2018-04-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of the target parameters determining by the sonar
RU2674552C1 (en) * 2017-12-07 2018-12-11 Акционерное общество "Концерн" "Океанприбор" Sonar method of object detection and measurement of parameters thereof
RU2711420C1 (en) * 2018-10-30 2020-01-17 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for processing signals with hyperbolic frequency modulation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2785403C1 (en) * 2021-09-13 2022-12-07 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Active sonar apparatus with object classification

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101852854B (en) Underwater multi-beam sounding system and method
KR100195576B1 (en) Apparatus for measuring the velocity of moving body
CN109991590B (en) System and method for testing low-frequency emission characteristic of transducer in pressure tank in limited space
JP6179940B2 (en) Doppler imaging signal transmitter, Doppler imaging signal receiver, Doppler imaging system and method
RU2692841C1 (en) Hydro acoustic method for determining purpose parameters when using an explosive signal with a wireless communication system
RU2465618C1 (en) Automatic classification system of short-range hydrolocator
KR101534027B1 (en) Sonar system and method for precisly performing target detection under circumstance without being known of target speed
RU2739478C1 (en) Method for processing a pseudo-noise signal in sonar
RU2593622C1 (en) Method of measuring radial velocity of object at its noise emission
RU2612201C1 (en) Method of determining distance using sonar
RU2660219C1 (en) Method of classifying sonar echo
RU2545068C1 (en) Measurement method of changes of heading angle of movement of source of sounding signals
RU2697937C1 (en) Sonar method of detecting an object and measuring its parameters
RU2674552C1 (en) Sonar method of object detection and measurement of parameters thereof
RU2627977C1 (en) Method of object detection and measurement of its parameters
Gong et al. Passive underwater event and object detection based on time difference of arrival
RU2719214C1 (en) Active sonar
KR101524550B1 (en) Method and Apparatus for a fast Linear Frequency Modulation target detection compensating Doppler effect according to the target speed
Marszal et al. Application of maximum length sequence in silent sonar
RU2515419C1 (en) Method of measuring change in course angle of probing signal source
LIU et al. Combined method of conventional and coherent Doppler sonar to avoid velocity ambiguity
US7164622B2 (en) Acoustic propagation delay measurements using transmission of known broad bandwidth waveforms
RU2625716C1 (en) Method of measuring sound on route
RU2571432C1 (en) Method of measuring distance using sonar
RU2770564C1 (en) Hydroacoustic complex for detecting a moving underwater sound source and measuring its coordinates