RU2764386C1 - Method for passive determination of the coordinates of a noise-emitting marine object - Google Patents

Method for passive determination of the coordinates of a noise-emitting marine object Download PDF

Info

Publication number
RU2764386C1
RU2764386C1 RU2021109453A RU2021109453A RU2764386C1 RU 2764386 C1 RU2764386 C1 RU 2764386C1 RU 2021109453 A RU2021109453 A RU 2021109453A RU 2021109453 A RU2021109453 A RU 2021109453A RU 2764386 C1 RU2764386 C1 RU 2764386C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
abscissas
coordinates
signal
sea
rays
Prior art date
Application number
RU2021109453A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ирина Дмитриевна Зеленкова
Алла Сергеевна Корецкая
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 RU2021109453A priority Critical patent/RU2764386C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2764386C1 publication Critical patent/RU2764386C1/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
    • G01S3/00Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves

Abstract

FIELD: acoustics.
SUBSTANCE: area of application: invention relates to the field of hydroacoustic technology and can be used to solve the problems of passive determination of the coordinates of a noise-emitting marine object, namely, the distance and depth, during propagation of hydroacoustic signals in the sea. Substance: the technical result is achieved by refusing the attempt to measure the angles of arrival of rays and building ray trajectories, and solving the problem by examining the points of possible location of the noise-emitting marine object in the space "distance - depth" and taking the coordinates of the point wherein the highest value of the total coefficient of correlation between the array of abscissas of calculated correlation maxima (CM) formed therefor and the arrays of abscissas of the CM of the received signal, obtained by combining the abscissas of the CM found in sets of mutually correlation functions measured for each tier a static multi-tiered spread of directional characteristics in a vertical plane relative to two tiers of signal reception with a maximum signal/interference ratio, as coordinates of the noise-emitting marine object.
EFFECT: increase in the accuracy of determining the coordinates of a noise-emitting marine object.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустической техники и может быть использовано для решения задач пассивного определения координат шумящего в море объекта, а именно, дистанции и глубины при распространении гидроакустических сигналов в море.The invention relates to the field of hydroacoustic technology and can be used to solve the problems of passively determining the coordinates of an object noisy in the sea, namely, the distance and depth during the propagation of hydroacoustic signals in the sea.

Известны способы пассивного определения координат (дистанции и глубины) шумящего в море объекта, которые базируются на использовании измеренной корреляционной функции (КФ) принятого акустического сигнала. Информация о координатах источника сигнала в КФ заключена в расположении на оси абсцисс (времени) узкополосных корреляционных максимумов (КМ), обусловленных интерференцией коррелированных сигналов источника, пришедших на вход приемной гидроакустической антенны шумопеленгаторной станции (ШПС) по различным лучевым траекториям. Каждой паре лучей в КФ (при достаточном отношении сигнал/помеха (ОСП)) соответствует один КМ с шириной, равной обратной величине эффективной полосы частот сигнала на входе антенны, и положением на оси абсцисс, равным абсолютной величине разности времен распространения сигнала по интерферирующим лучам [Машошин А.И. Исследование условий применимости корреляционной функции широкополосного многолучевого сигнала для оценки координат источника. Акустический журнал, 2017, том 63, №3, с. 307-313].Known methods for passively determining the coordinates (distance and depth) of an object noisy in the sea, which are based on the use of the measured correlation function (CF) of the received acoustic signal. Information about the coordinates of the signal source in the CF is contained in the location on the abscissa (time) axis of narrow-band correlation maxima (CM) due to the interference of correlated source signals that came to the input of the receiving hydroacoustic antenna of the direction-finding station (NSS) along different ray trajectories. Each pair of rays in the CF (with a sufficient signal-to-noise ratio (SIR)) corresponds to one CM with a width equal to the reciprocal of the effective bandwidth of the signal at the antenna input, and a position on the abscissa axis equal to the absolute value of the difference in signal propagation times along the interfering beams [ Mashoshin A.I. Investigation of applicability conditions for the correlation function of a broadband multipath signal for estimating source coordinates. Acoustic journal, 2017, volume 63, no. 3, p. 307-313].

Эти способы можно разделить на две группы в зависимости от алгоритма вычисления КФ.These methods can be divided into two groups depending on the algorithm for calculating the CF.

Известны способы, в которых для определения координат шумящего в море объекта вычисляют автокорреляционную функцию (АКФ) сигнала на выходе одного пространственного канала (ПК) [Hassab I.C. Contact Localization and Motion Analysis in the Ocean Environment: a Perspective. - IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1983, vol. OE-8, №3, pp. 136-147; Quazi A.H., Lerro D.T. Passive localization using time-delay estimates with sensor positional errors. - JASA, 1985, vol. 78, №5. pp. 1664-1670; Worthmann B.M., Song H.C., Dowling D.R. High frequency source localization in a shallow ocean sound channel using frequency difference matched field processing. - Journal Acoust. Soc. Am., 2015, vol. 138, p. 3549; Машошин А.И., Мельканович B.C. Патент РФ №2690223 от 28.08.2018. Способ определения координат морской шумящей цели. МПК G01S 15/00].There are known methods in which to determine the coordinates of an object noisy in the sea, the autocorrelation function (ACF) of the signal at the output of one spatial channel (PC) is calculated [Hassab I.C. Contact Localization and Motion Analysis in the Ocean Environment: a Perspective. - IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1983, vol. OE-8, No. 3, pp. 136-147; Quazi A.H., Lerro D.T. Passive localization using time-delay estimates with sensor positional errors. - JASA, 1985, vol. 78, no. 5. pp. 1664-1670; Worthmann B.M., Song H.C., Dowling D.R. High frequency source localization in a shallow ocean sound channel using frequency difference matched field processing. - Journal Acoust. soc. Am., 2015, vol. 138, p. 3549; Mashoshin A.I., Melkanovich B.C. Patent of the Russian Federation No. 2690223 dated August 28, 2018. A method for determining the coordinates of a sea noisy target. IPC G01S 15/00].

Способы этой группы применяются, когда звуковой сигнал принимают антенной, не развитой в вертикальной плоскости (горизонтальной линейной антенной). В этом случае в приемном тракте в вертикальной плоскости формируется единственный ПК с широкой характеристикой направленности с перестраиваемым углом приема в вертикальной плоскости.The methods of this group are used when the sound signal is received by an antenna that is not developed in the vertical plane (horizontal linear antenna). In this case, a single PC with a wide directivity characteristic with a tunable reception angle in the vertical plane is formed in the receiving path in the vertical plane.

Недостатком этих способов является низкая точность определения координат шумящего в море объекта. КМ в измеренной АКФ формируются за счет приема с одного пеленга сигналов от шумящего объекта, распространяющихся по отдельным, имеющим различную протяженность, лучевым траекториям в вертикальной плоскости. Принимаемый сигнал формируют лучи, приходящие под различными углами из-за вертикальной рефракции звука при распространении в водной среде.The disadvantage of these methods is the low accuracy of determining the coordinates of an object noisy in the sea. The CMs in the measured ACF are formed by receiving signals from a noisy object from one bearing, propagating along separate ray trajectories having different lengths in the vertical plane. The received signal is formed by beams arriving at different angles due to the vertical refraction of sound during propagation in the aquatic environment.

При приеме сигнала единственным ПК, характеристику направленности (ХН) ориентируют на группу лучей, которая обладает наибольшей интенсивностью. В этом случае вторая группа лучей принимается боковым полем ХН, в результате чего их интенсивность (уровень отклика) существенно снижается, и интенсивность КМ в АКФ, образуемого сочетанием этих лучей, будет ниже порога обнаружения, и этот КМ будет исключен из анализа.When a signal is received by a single PC, the directivity characteristic (XH) is oriented to the group of rays that has the highest intensity. In this case, the second group of rays is received by the lateral XN field, as a result of which their intensity (response level) is significantly reduced, and the intensity of the CM in the ACF formed by the combination of these rays will be below the detection threshold, and this CM will be excluded from the analysis.

При работе с ХН с высоким уровнем бокового поля снижается помехоустойчивость приема, так как через боковое поле в принимаемый сигнал к полезному сигналу добавляется помеха со всех направлений, охватываемых боковым полем.When working with XN with a high level of the side field, the noise immunity of reception decreases, since through the side field, interference from all directions covered by the side field is added to the received signal to the useful signal.

Таким образом, при использовании сигнала единственного ПК для вычисления АКФ теряется большое количество информации о принятом сигнале и снижается помехоустойчивость, что приводит к снижению точности оценки координат.Thus, when using the signal of a single PC to calculate the ACF, a large amount of information about the received signal is lost and the noise immunity decreases, which leads to a decrease in the accuracy of coordinate estimation.

Вторая группа способов для определения координат шумящего в море объекта использует взаимно корреляционную функцию (ВКФ) сигнала на выходе двух сформированных в приемном тракте ПК, одинаково ориентированных на источник сигнала в горизонтальном направлении. В вертикальном направлении ПК ориентированы на максимумы пространственного спектра принимаемого сигнала [Машошин А.И. Исследование условий применимости корреляционной функции широкополосного многолучевого сигнала для оценки координат источника. - Акустический журнал, 2017, том 63, №3, с. 307-313].The second group of methods for determining the coordinates of an object noisy in the sea uses the cross-correlation function (CCF) of the signal at the output of two PCs formed in the receiving path, equally oriented to the signal source in the horizontal direction. In the vertical direction, PCs are focused on the maxima of the spatial spectrum of the received signal [Mashoshin A.I. Investigation of applicability conditions for the correlation function of a broadband multipath signal for estimating source coordinates. - Acoustic magazine, 2017, volume 63, no. 3, p. 307-313].

Наиболее близким аналогом по количеству общих признаков и решаемым задачам к предлагаемому изобретению является способ пассивного определения координат шумящего в море объекта [Баронкин В.М., Галкин О.П., Гладилин А.В., Микрюков А.В., Попов О.Е. Патент РФ №2602732 от 25.06.2015. Способ пассивного определения координат шумящего в море объекта. МПК G01S 3/80], которое принято за прототип.The closest analogue in terms of the number of common features and tasks to be solved to the proposed invention is a method for passively determining the coordinates of an object noisy in the sea [Baronkin V.M., Galkin O.P., Gladilin A.V., Mikryukov A.V., Popov O. E. Patent of the Russian Federation No. 2602732 dated 06/25/2015. A method for passively determining the coordinates of an object noisy in the sea. IPC G01S 3/80], which is taken as a prototype.

Способ по патенту №2602732 включает:The method according to patent No. 2602732 includes:

- прием гидроакустических сигналов пространственно развитой в вертикальной и горизонтальной плоскостях антенной;- reception of hydroacoustic signals by a spatially developed antenna in the vertical and horizontal planes;

- усиление, фильтрацию в полосе частот, оцифровку и пространственно-временную обработку принятых сигналов;- amplification, filtering in the frequency band, digitization and space-time processing of received signals;

- формирование статического многоярусного веера ХН в вертикальной плоскости;- formation of a static multi-tiered XH fan in a vertical plane;

- взаимно корреляционную обработку не менее одной пары лучей в вертикальной плоскости;- cross-correlation processing of at least one pair of beams in the vertical plane;

- выделение КМ, измерение углов прихода лучей, образующих эти КМ, измерение абсцисс КМ (разностей времен распространения лучей), а также отношения усредненных значений энергий для каждой пары лучей;- selection of CM, measurement of the angles of arrival of the rays forming these CM, measurement of the abscissa of the CM (differences in the propagation times of the rays), as well as the ratio of the average energy values for each pair of rays;

- измерение скорости звука в воде в зависимости от глубины и волнения поверхности моря;- measurement of the speed of sound in water depending on the depth and roughness of the sea surface;

- по измеренным данным и известным характеристикам дна расчет сигнала шумящего объекта;- according to the measured data and known characteristics of the bottom, the calculation of the signal of a noisy object;

- решение уравнения гидроакустики в пассивном режиме для шумящего в море объекта;- solution of the equation of hydroacoustics in the passive mode for an object noisy in the sea;

- расчет от точки расположения приемной антенны лучевых траекторий для измеренных углов прихода лучей в вертикальной плоскости для пар лучей с высокими значениями максимума взаимно корреляционной функции и нахождение дистанции и глубины точек пересечения траекторий;- calculation from the point of location of the receiving antenna of ray trajectories for the measured angles of arrival of rays in the vertical plane for pairs of rays with high values of the maximum of the cross-correlation function and finding the distance and depth of the points of intersection of the trajectories;

- в каждой точке пересечения траекторий для всех пар лучей расчет разности времен распространения и отношения энергий;- at each point of intersection of the trajectories for all pairs of rays, the calculation of the difference in propagation times and the ratio of energies;

- сравнение измеренных и рассчитанных разностей времен распространения и отношений усредненных значений энергий для всех пар лучей;- comparison of measured and calculated propagation time differences and ratios of averaged energy values for all pairs of beams;

- определение координат шумящего в море объекта по точке пересечения лучевых траекторий, для которой оказываются наиболее близкими измеренные и рассчитанные значения отношений энергий и разностей времен распространения для всех пар лучей.- determination of the coordinates of an object noisy in the sea at the intersection point of the ray trajectories, for which the measured and calculated values of the energy ratios and propagation time differences for all pairs of rays turn out to be the closest.

Прием гидроакустических сигналов антенной, развитой в вертикальной плоскости, позволяет сформировать статический многоярусный вертикальный веер ХН (ВВХН), в котором часть ПК будет сориентирована в сторону поверхности, а часть в сторону дна. ХН узкие и избирательны по углам приема, что обеспечивает высокую помехоустойчивость (много сигнала и мало помехи) и, следовательно, большую дальность обнаружения. Кроме того ориентация ПК в пространстве на углы приема в диапазоне от - 20° до + 20° относительно горизонта позволяет перекрыть практически весь сектор приема донных и поверхностных лучей практически во всех типах гидроакустических условий (ГАУ) и осуществить оптимальный прием, с точки зрения помехоустойчивости, каждой группы лучей.Reception of hydroacoustic signals by an antenna developed in a vertical plane makes it possible to form a static multi-tiered vertical fan KhN (VVKhN), in which part of the PC will be oriented towards the surface, and part towards the bottom. HNs are narrow and selective in terms of reception angles, which provides high noise immunity (a lot of signal and little interference) and, consequently, a large detection range. In addition, the orientation of the PC in space at reception angles in the range from - 20 ° to + 20 ° relative to the horizon allows you to block almost the entire sector for receiving bottom and surface rays in almost all types of hydroacoustic conditions (GAC) and to achieve optimal reception, in terms of noise immunity, each group of rays.

Но определение координат шумящего в море объекта способом-прототипом требует очень точного измерения углов прихода лучей (точность 5-10 минут), что может быть обеспечено при использовании вертикальной антенны высотой порядка 20 - 25 метров, что практически невозможно.But determining the coordinates of an object noisy in the sea by the prototype method requires a very accurate measurement of the angles of arrival of rays (an accuracy of 5-10 minutes), which can be achieved using a vertical antenna with a height of about 20 - 25 meters, which is practically impossible.

Погрешность измерения углов прихода лучей приводит к ошибкам в расчете лучевых траекторий и определении точек их пересечения, что приводит к ошибкам определения координат шумящего в море объекта. Кроме того, в случае приема трех и более лучей и измерении углов их прихода с некоторой погрешностью лучи будут пересекаться не в одной точке, а в некоторых компактных областях. Чем дальше область пересечения лучей от приемной антенны, тем больше площадь данной области [Бородин В.В. Потенциальная точность определения положения источника звука в волноводе // Вопросы судостроения. Сер. Акустика. 1983. Вып. 16. с. 88-103].An error in measuring the angles of arrival of rays leads to errors in the calculation of ray trajectories and in determining the points of their intersection, which leads to errors in determining the coordinates of an object noisy in the sea. In addition, in the case of receiving three or more rays and measuring the angles of their arrival with some error, the rays will intersect not at one point, but in some compact areas. The farther the region of intersection of the rays from the receiving antenna, the larger the area of this region [Borodin V.V. Potential accuracy of determining the position of a sound source in a waveguide. Voprosy sudostroeniya. Ser. Acoustics. 1983. Issue. 16. p. 88-103].

Таким образом недостатком способа-прототипа является низкая точность определения координат шумящего в море объекта, связанная с невозможностью обеспечить высокую точность измерения углов прихода лучей.Thus, the disadvantage of the prototype method is the low accuracy of determining the coordinates of an object noisy in the sea, associated with the inability to provide high accuracy in measuring the angles of arrival of the rays.

Задачей изобретения является - повышение эксплуатационных характеристик шумопеленгаторной станции.The objective of the invention is to improve the operational characteristics of the direction-finding station.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение точности определения координат шумящего в море объекта.The technical result of the proposed invention is to increase the accuracy of determining the coordinates of an object noisy in the sea.

Для достижения данного технического результата в способ пассивного определения координат шумящего в море объекта, включающий прием гидроакустических сигналов пространственно развитой в вертикальной и горизонтальной плоскостях антенной, усиление, фильтрацию в полосе частот, оцифровку и пространственно-временную обработку принятых сигналов, формирование статического многоярусного веера ХН в вертикальной плоскости, взаимно корреляционную обработку пар лучей в вертикальной плоскости, выделение КМ, измерение абсцисс КМ (разностей времен распространения лучей), измерение скорости звука в воде в зависимости от глубины и волнения поверхности моря, по измеренным данным и известным характеристикам дна расчет сигнала шумящего объекта, решение уравнения гидроакустики в пассивном режиме для шумящего в море объекта и определение его координат введены новые признаки, а именно: введено определение двух углов (ярусов) (УН1 и УН2) приема сигнала с максимальным отношением сигнал/помеха, измерение набора ВКФ сигнала каждого яруса вертикального веера ХН относительно УН1 (ВКФУН1i), где i=1, 2 … N, N - количество ярусов ВВХН, и относительно УН2 (ВКФУН2i) на интервале анализа, обнаружение в каждой из измеренных ВКФ КМ, измерение их абсцисс, объединение абсцисс КМ, обнаруженных во всех измеренных ВКФУН1i и ВКФУН2i на интервале анализа, соответственно в два массива абсцисс КМ принятого сигнала, определение области возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция-глубина», вычисление для каждой точки этой области с учетом текущих ГАУ лучевой структуры сигнала на входе антенны ШПС, вычисление для каждой точки этой области разностей времен распространения всех пар лучей вычисленной лучевой структуры (абсцисс КМ, которые должны быть порождены этими парами лучей) и их объединение в массив абсцисс расчетных КМ, вычисление для каждой точки области суммарного коэффициента корреляции между сформированным для нее массивом абсцисс расчетных КМ и массивами абсцисс КМ принятого сигнала, и принятие в качестве координат шумящего в море объекта координат той точки возможного его местоположения в пространстве «дистанция-глубина», для которой получено наибольшее значение суммарного коэффициента корреляции.To achieve this technical result, a method for passively determining the coordinates of an object noisy in the sea, including the reception of hydroacoustic signals by a spatially developed antenna in the vertical and horizontal planes, amplification, filtering in the frequency band, digitization and spatio-temporal processing of the received signals, the formation of a static multi-tiered XN fan in vertical plane, cross-correlation processing of pairs of rays in the vertical plane, CM extraction, measurement of CM abscissas (differences in ray propagation times), measurement of sound velocity in water depending on the depth and sea surface waves, according to the measured data and known characteristics of the bottom, calculation of the signal of a noisy object , the solution of the hydroacoustics equation in the passive mode for an object noisy in the sea and the determination of its coordinates, new features are introduced, namely: the definition of two angles (tiers) (UN1 and UN2) of signal reception with a maximum signal-to-noise ratio, measurement of the set VKF of the signal of each tier of the vertical fan XN relative to UN1 (VKFUN1 i ), where i=1, 2 ... N, N - the number of tiers of VVKhN, and relative to UN2 (VKFUN2 i ) in the analysis interval, detection in each of the measured VKF KM, measuring them abscissa, combining the CM abscissas detected in all measured VKFUN1 i and VKFUN2 i in the analysis interval, respectively, into two arrays of abscissas of the CM of the received signal, determining the area of the possible location of an object noisy in the sea in the “distance-depth” space, calculating for each point of this area taking into account the current GAC of the beam structure of the signal at the input of the NLS antenna, calculating for each point of this region the differences in the propagation times of all pairs of rays of the calculated beam structure (the QM abscissas that should be generated by these pairs of rays) and combining them into an array of calculated QM abscissas, calculating for each point of the region of the total correlation coefficient between the array of abscissas of the calculated CMs formed for it and the arrays of abscissas of the CMs at of the received signal, and taking as the coordinates of the object noisy in the sea the coordinates of that point of its possible location in the “distance-depth” space, for which the highest value of the total correlation coefficient was obtained.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что абсциссы КМ могут быть измерены с высокой точностью, за счет высокой разрешающей способности вычисления ВКФ, в отличие от углов прихода лучей, точность определения которых ограничена вертикальными размерами антенн [Бородин В.В. Потенциальная точность определения положения источника звука в волноводе // Вопросы судостроения. Сер. Акустика. 1983. Вып. 16. с. 88-103]. Кроме того, значения абсцисс расчетных КМ в различных точках возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция-глубина» существенно различаются, поэтому сопоставление значений абсцисс КМ, рассчитанных для каждой точки, с абсциссами КМ принятого сигнала путем вычисления коэффициента корреляции обеспечивает высокую точность определения координат шумящего в море объекта.The achievement of this technical result is ensured by the fact that the abscissas of the KM can be measured with high accuracy, due to the high resolution of the calculation of the CCF, in contrast to the angles of arrival of the rays, the accuracy of which is limited by the vertical dimensions of the antennas [Borodin V.V. Potential accuracy of determining the position of a sound source in a waveguide. Voprosy sudostroeniya. Ser. Acoustics. 1983. Issue. 16. p. 88-103]. In addition, the values of the abscissas of the calculated CMs at different points of the possible location of an object noisy in the sea in the "distance-depth" space differ significantly, therefore, comparing the abscissas of the CMs calculated for each point with the abscissas of the CMs of the received signal by calculating the correlation coefficient ensures high accuracy in determining coordinates of an object noisy in the sea.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где приведена блок-схема обработки сигналов в соответствии с предлагаемым способом.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1, which shows a block diagram of signal processing in accordance with the proposed method.

При реализации способа (фиг. 1) обработка ведется на первоначальном этапе двумя параллельными ветвями.When implementing the method (Fig. 1), processing is carried out at the initial stage in two parallel branches.

Первая ветвь включает в себя последовательно выполняемые операции: обнаружение широкополосного сигнала шумящего в море объекта на выходе приемного тракта ШПС статическим многоярусным (N - количество ярусов) веером ХН, сформированным в вертикальной плоскости (ВВХН) (блок 1.1); определение двух углов (ярусов) приема сигнала с максимальным отношением сигнал/помеха (УН1 и УН2) (блок 1.2); измерение набора ВКФ сигнала каждого яруса ВВХН относительно УН1 (ВКФУН1i) и относительно УН2 (ВКФУН2i) на интервале анализа (общее количество измеренных ВКФ равно N*2) (блок 1.3); обнаружение в каждой из измеренных ВКФ КМ, измерение их абсцисс (блок 1.4); объединение абсцисс КМ, обнаруженных во всех измеренных ВКФУН1i и ВКФУН2i на интервале анализа, соответственно в два массива абсцисс КМ принятого сигнала (блок 1.5).The first branch includes sequentially performed operations: detection of a broadband signal of an object noisy in the sea at the output of the NLS receiving path by a static multi-tiered (N is the number of tiers) fan XH, formed in a vertical plane (VVHN) (block 1.1); determination of two angles (tiers) of signal reception with a maximum signal-to-noise ratio (SN1 and SN2) (block 1.2); measurement of a set of VKFs of the signal of each tier of VVKhN relative to UN1 (VKFUN1 i ) and relative to UN2 (VKFUN2 i ) in the analysis interval (the total number of measured VKFs is N * 2) (block 1.3); detection in each of the measured VKF KM, measurement of their abscissa (block 1.4); combining the abscissas of the QM detected in all measured VKFUN1 i and VKFUN2 i in the analysis interval, respectively, into two arrays of the abscissas of the KM of the received signal (block 1.5).

Выполнение перечисленных операций обеспечивает формирование двух массивов абсцисс КМ принятого сигнала, используемых для сопоставления с аналогичными массивами, полученными на основе расчетных данных, формируемых блоками второй ветви.Performing the above operations ensures the formation of two arrays of abscissas of the KM of the received signal, used for comparison with similar arrays obtained on the basis of the calculated data generated by the blocks of the second branch.

Вторая ветвь включает в себя операции: измерение скорости звука в воде в зависимости от глубины и волнения поверхности моря (блок 2.1); по измеренным данным и известным характеристикам дна расчет сигнала шумящего объекта, решение уравнения гидроакустики для шумящего в море объекта (блок 2.2); определение области возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция-глубина» (блок 2.3); вычисление для каждой точки этой области с учетом текущих ГАУ лучевой структуры сигнала на входе антенны ШПС (блок 2.4); вычисление для каждой точки этой области разностей времен распространения всех пар лучей вычисленной лучевой структуры (абсцисс КМ, которые должны быть порождены этими парами лучей) и их объединение в массив абсцисс расчетных КМ (блок 2.5).The second branch includes operations: measuring the speed of sound in water depending on the depth and roughness of the sea surface (block 2.1); according to the measured data and known characteristics of the bottom, calculation of the signal of a noisy object, solution of the hydroacoustics equation for an object noisy in the sea (block 2.2); determination of the area of possible location of an object making noise in the sea in the “distance-depth” space (block 2.3); calculation for each point of this area, taking into account the current GAC of the beam structure of the signal at the input of the NLS antenna (block 2.4); calculation for each point of this region of the differences in the propagation times of all pairs of rays of the calculated ray structure (abscissas of the CM that should be generated by these pairs of rays) and their combination into an array of abscissas of the calculated CMs (block 2.5).

Операции второй ветви могут быть выполнены однократно для текущего состояния гидроакустических условий, определяющего лучевую структуру сигналов. Выполнение операций второй ветви обеспечивает формирование для каждой точки возможного местоположения объекта массива абсцисс расчетных КМ, которые используются для сопоставления с массивами абсцисс КМ принятого сигнала, сформированными первой ветвью.Operations of the second branch can be performed once for the current state of hydroacoustic conditions, which determines the beam structure of the signals. The execution of operations of the second branch ensures the formation for each point of the possible location of the object of the array of abscissas of the calculated CM, which are used to compare with the arrays of abscissas of the CM of the received signal, generated by the first branch.

Сопоставление выполняется последовательно расположенными блоками 3 и 4, выполняющими операции вычисления для каждой точки области суммарного коэффициента корреляции между сформированным для нее массивом абсцисс расчетных КМ и массивами абсцисс КМ принятого сигнала (блок 3) и, наконец, операцию определения координат шумящего в море объекта путем выбора координат той точки его возможного местоположения в пространстве «дистанция - глубина», для которой получено наибольшее значение суммарного коэффициента корреляции (блок 4).The comparison is performed by sequentially located blocks 3 and 4, performing operations for calculating for each point of the region the total correlation coefficient between the array of abscissas of the calculated CMs generated for it and the arrays of abscissas of the CMs of the received signal (block 3) and, finally, the operation of determining the coordinates of an object noisy in the sea by choosing coordinates of that point of its possible location in the “distance - depth” space, for which the highest value of the total correlation coefficient was obtained (block 4).

Точность определения координат шумящего в море объекта зависит от точности измерения параметров принятого сигнала. Способ-прототип не позволяет обеспечить высокую точность определения координат, так как использует углы прихода лучей, точность измерения которых составляет несколько градусов. Ошибки измерения углов прихода лучей приводят к ошибкам расчета лучевых траекторий. В результате, в случае приема двух лучей, точка их пересечения смещается на несколько десятков или даже сотен метров относительно фактического положения источника сигнала. А в случае приема трех и более лучей - лучевые траектории всех лучей не пересекаются в одной точке и можно выделить только некоторые области взаимного сближения траекторий лучей, что не позволяет использовать способ-прототип для определения координат шумящего в море объекта.The accuracy of determining the coordinates of an object noisy in the sea depends on the accuracy of measuring the parameters of the received signal. The prototype method does not allow for high accuracy in determining the coordinates, as it uses the angles of arrival of the rays, the measurement accuracy of which is several degrees. Errors in measuring the angles of arrival of rays lead to errors in the calculation of ray trajectories. As a result, in the case of receiving two beams, the point of their intersection is shifted by several tens or even hundreds of meters relative to the actual position of the signal source. And in the case of receiving three or more rays, the ray trajectories of all rays do not intersect at one point and only some areas of mutual approach of the ray trajectories can be distinguished, which does not allow using the prototype method to determine the coordinates of an object noisy in the sea.

Предложенный способ, в отличие от способа-прототипа, не использует углы прихода лучей и не осуществляет построение лучевых траекторий. Вместо этого в предложенном способе выполняется перебор точек возможного местоположения источника сигнала в пространстве «дистанция-глубина» и сопоставление сформированного для каждой точки массива абсцисс расчетных КМ с массивами абсцисс КМ принятого сигнала. За счет высокой разрешающей способности вычисления ВКФ абсциссы КМ принятого сигнала могут быть измерены с высокой точностью, до десятых долей мс. Абсциссы расчетных КМ в различных точках в пространстве «дистанция-глубина» существенно различаются, поэтому реализация сопоставления абсцисс расчетных КМ с абсциссами КМ принятого сигнала путем вычисления коэффициента корреляции обеспечивает высокую точность предложенного способа определения координат шумящего в море объекта.The proposed method, unlike the prototype method, does not use the angles of arrival of the rays and does not build ray trajectories. Instead, the proposed method enumerates the points of the possible location of the signal source in the "distance-depth" space and compares the array of calculated CM abscissas formed for each point with the arrays of abscissas of the CM of the received signal. Due to the high resolution of the calculation of the CCF, the abscissas of the KM of the received signal can be measured with high accuracy, up to tenths of a millisecond. The abscissas of the calculated CMs at different points in the “distance-depth” space differ significantly, therefore, the implementation of comparing the abscissas of the calculated CMs with the abscissas of the CMs of the received signal by calculating the correlation coefficient ensures the high accuracy of the proposed method for determining the coordinates of an object noisy in the sea.

Предложенный способ может быть реализован посредством известной в гидроакустике аппаратуры, например гидроакустическая антенна ШПС известна из [Литвиненко С.Л. Патент РФ №2515133 от 13.11.2012. Сферическая гидроакустическая антенна. МПК G01S 15/00], а формирование статического многоярусного веера характеристик направленности в вертикальной плоскости может быть выполнено согласно [Баскин В.В., Гришман Г.Д., Казаков М.Н., Криницкий A.M., Леоненок Б.И., Смарышев М.Д. Патент РФ №2293449 от 03.05.2005. Способ формирования частотно независимой характеристики направленности рабочим сектором многоэлементной гидроакустической приемной круговой антенны. МПК H04R 1/44, G01S 15/02].The proposed method can be implemented using equipment known in hydroacoustics, for example, the hydroacoustic antenna of the PSS is known from [Litvinenko S.L. Patent of the Russian Federation No. 2515133 dated 11/13/2012. Spherical hydroacoustic antenna. IPC G01S 15/00], and the formation of a static multi-tiered fan of directivity characteristics in the vertical plane can be performed according to [Baskin V.V., Grishman G.D., Kazakov M.N., Krinitsky AM, Leonenok B.I., Smaryshev M.D. Patent of the Russian Federation No. 2293449 dated 03.05.2005. A method for forming a frequency-independent directivity characteristic by the working sector of a multi-element hydroacoustic receiving circular antenna. IPC H04R 1/44, G01S 15/02].

При объединении абсцисс КМ, обнаруженных в наборах измеренных ВКФ, учитывается точность измерения абсциссы КМ. При обнаружении в разных ВКФ КМ с близкими значениями абсцисс (десятые доли мс) в массив абсцисс КМ принятого сигнала заносится только одно значение.When combining the abscissas of the CM found in the sets of measured VCFs, the accuracy of measuring the abscissa of the CM is taken into account. When CMs with similar abscissa values (tenths of a millisecond) are detected in different VKFs, only one value is entered in the array of abscissas of the CM of the received signal.

Определение области возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция-глубина» выполняется с использованием значений ОСП, рассчитанных для всех возможных положений объекта путем решения уравнения гидроакустики. Возможность обнаружения объекта в конкретной точке в текущих ГАУ определяется путем сопоставления значения ОСП, рассчитанного для этой точки, с пороговым значением ОСП.The determination of the area of possible location of an object noisy in the sea in the “distance-depth” space is performed using the values of the OSP calculated for all possible positions of the object by solving the hydroacoustics equation. The possibility of detecting an object at a particular point in the current GAC is determined by comparing the value of the OSP calculated for this point with the threshold value of the OSP.

Вычисление лучевой структуры сигнала на входе антенны ШПС может быть выполнено согласно [Авилов К.В., Добряков Н.А., Попов О.Е. Комплекс программных средств для вычисления звуковых полей в морской среде, неоднородной по глубине и трассе распространения //Акустика океана. Доклады X школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, 2004. С. 27].The calculation of the beam structure of the signal at the input of the NLS antenna can be performed according to [Avilov K.V., Dobryakov N.A., Popov O.E. A software package for calculating sound fields in a marine environment that is inhomogeneous in depth and propagation path //Acoustics of the ocean. Reports of the X school-seminar acad. L.M. Brekhovsky. M.: GEOS, 2004. S. 27].

Вычисление коэффициента корреляции может быть выполнено по формуле, приведенной в [Деза Е.И., Деза М.М. Энциклопедический словарь расстояний. Пер. с англ. М.: Наука, 2008].The calculation of the correlation coefficient can be performed according to the formula given in [Deza E.I., Deza M.M. Encyclopedic dictionary of distances. Per. from English. M.: Nauka, 2008].

Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной.All of the above allows us to consider the problem of the invention solved.

Claims (1)

Способ пассивного определения координат шумящего в море объекта, включающий прием гидроакустических сигналов пространственно развитой в вертикальной и горизонтальной плоскостях антенной, усиление, фильтрацию в полосе частот, оцифровку и пространственно-временную обработку принятых сигналов, формирование статического многоярусного веера характеристик направленности в вертикальной плоскости (ВВХН), взаимно корреляционную обработку пар лучей в вертикальной плоскости, выделение корреляционных максимумов (КМ), измерение разностей времен распространения лучей в виде абсцисс КМ, измерение скорости звука в воде в зависимости от глубины и волнения поверхности моря, по измеренным данным и известным характеристикам дна расчет сигнала шумящего объекта, решение уравнения гидроакустики в пассивном режиме для шумящего в море объекта и определение его координат, отличающийся тем, что определяют два угла приема сигнала с максимальным отношением сигнал/помеха (УН1 и УН2), измеряют набор взаимно корреляционных функций (ВКФ) сигнала каждого яруса вертикального веера ХН относительно УН1 (ВКФУН1i), где i=1, 2 … N, N - количество ярусов ВВХН, и относительно УН2 (ВКФУН2i) на интервале анализа, выполняют обнаружение в каждой из измеренных ВКФ КМ, измеряют значения их абсцисс, объединяют абсциссы КМ, обнаруженные во всех измеренных ВКФУН1i и ВКФУН2i на интервале анализа, соответственно в два массива абсцисс КМ принятого сигнала, определяют область возможного местоположения шумящего в море объекта в пространстве «дистанция - глубина», вычисляют для каждой точки этой области с учетом текущих гидроакустических условий лучевую структуру сигнала на входе антенны, вычисляют для каждой точки этой области разности времен распространения всех пар лучей вычисленной лучевой структуры в виде абсцисс КМ, которые обусловлены этими парами лучей, и объединяют их в массив абсцисс расчетных КМ, вычисляют для каждой точки области суммарный коэффициент корреляции между сформированным для нее массивом абсцисс расчетных КМ и массивами абсцисс КМ принятого сигнала, а координаты шумящего в море объекта определяют путем выбора координат той точки его возможного местоположения в пространстве «дистанция - глубина», для которой получено наибольшее значение суммарного коэффициента корреляции.A method for passively determining the coordinates of an object making noise in the sea, including the reception of hydroacoustic signals by a spatially developed antenna in the vertical and horizontal planes, amplification, filtering in the frequency band, digitization and space-time processing of the received signals, formation of a static multi-tiered fan in the vertical plane (VVKhN) , cross-correlation processing of pairs of beams in the vertical plane, selection of correlation maxima (CM), measurement of the differences in the propagation times of rays in the form of CM abscissas, measurement of the speed of sound in water depending on the depth and waves of the sea surface, according to the measured data and known characteristics of the bottom, signal calculation of a noisy object, solving the equation of hydroacoustics in the passive mode for an object noisy in the sea and determining its coordinates, which differs in that two angles of signal reception with a maximum signal-to-noise ratio (SV1 and SV2) are determined, a set of cross-correlations is measured ionic functions (VKF) of the signal of each tier of the vertical fan XN relative to UN1 (VKFUN1 i ), where i=1, 2 ... N, N is the number of tiers of VVKhN, and relative to UN2 (VKFUN2 i ) in the analysis interval, detection is performed in each of the measured VKF KM, measure the values of their abscissas, combine the abscissas of the KM detected in all measured VKFUN1 i and VKFUN2 i in the analysis interval, respectively, into two arrays of abscissas of the KM of the received signal, determine the area of the possible location of an object noisy in the sea in the space "distance - depth", for each point of this area, taking into account the current hydroacoustic conditions, the ray structure of the signal at the antenna input is calculated, for each point of this area, the propagation time differences of all pairs of rays of the calculated ray structure are calculated in the form of KM abscissas, which are due to these pairs of rays, and combine them into an array of abscissas calculated KM, calculate for each point of the area the total correlation coefficient between the array absts formed for it iss of calculated KM and arrays of abscissas of KM of the received signal, and the coordinates of an object noisy in the sea are determined by choosing the coordinates of that point of its possible location in the “distance - depth” space, for which the highest value of the total correlation coefficient was obtained.
RU2021109453A 2021-04-05 2021-04-05 Method for passive determination of the coordinates of a noise-emitting marine object RU2764386C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021109453A RU2764386C1 (en) 2021-04-05 2021-04-05 Method for passive determination of the coordinates of a noise-emitting marine object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021109453A RU2764386C1 (en) 2021-04-05 2021-04-05 Method for passive determination of the coordinates of a noise-emitting marine object

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2764386C1 true RU2764386C1 (en) 2022-01-17

Family

ID=80040420

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021109453A RU2764386C1 (en) 2021-04-05 2021-04-05 Method for passive determination of the coordinates of a noise-emitting marine object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2764386C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2797161C1 (en) * 2022-09-27 2023-05-31 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Methods for determining coordinates of a sea target emitting noise

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5805525A (en) * 1996-12-11 1998-09-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method and apparatus for hydroacoustic detection and characterization of submersed aquatic vegetation
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
RU2602732C1 (en) * 2015-06-25 2016-11-20 Акционерное общество "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева" Method for passive determination of coordinates of noisy object in the sea
RU2690223C1 (en) * 2018-08-28 2019-05-31 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of determining coordinates of a marine noisy target
RU2724962C1 (en) * 2019-11-27 2020-06-29 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of determining coordinates of a marine noisy target
RU2739000C1 (en) * 2020-06-15 2020-12-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic system for detecting a moving underwater sound source, measurement of bearing on sound source and horizon of sound source in shallow sea

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5805525A (en) * 1996-12-11 1998-09-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method and apparatus for hydroacoustic detection and characterization of submersed aquatic vegetation
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
RU2602732C1 (en) * 2015-06-25 2016-11-20 Акционерное общество "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева" Method for passive determination of coordinates of noisy object in the sea
RU2690223C1 (en) * 2018-08-28 2019-05-31 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of determining coordinates of a marine noisy target
RU2724962C1 (en) * 2019-11-27 2020-06-29 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of determining coordinates of a marine noisy target
RU2739000C1 (en) * 2020-06-15 2020-12-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic system for detecting a moving underwater sound source, measurement of bearing on sound source and horizon of sound source in shallow sea

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2797161C1 (en) * 2022-09-27 2023-05-31 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Methods for determining coordinates of a sea target emitting noise
RU2797780C1 (en) * 2022-10-04 2023-06-08 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for passive determination of coordinates of a noise-generating object in the sea
RU2810698C1 (en) * 2023-05-15 2023-12-28 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for passively determining spatial position of detected underwater object noisy in sea using positional stationary hydroacoustic complex
RU2812119C1 (en) * 2023-05-16 2024-01-23 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Methods for determining coordinates of sea target emitting noise

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2263097B1 (en) Autonomous sonar system and method
EP2030041B1 (en) Methods and systems for passive range and depth localization
RU2602732C1 (en) Method for passive determination of coordinates of noisy object in the sea
US8125850B2 (en) Method for identifying gas leaks using a stationary seabed placed steered beamformed acoustic antenna with active narrow beam transmitter interrogation capability
RU2343502C2 (en) Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium
RU2704029C1 (en) Time method for determining range to a radio-frequency scanning source without bearing measurement
RU2515179C1 (en) Method of determining direction of hydroacoustic transponder in multibeam navigation signal propagation conditions
RU2724962C1 (en) Method of determining coordinates of a marine noisy target
RU2653956C1 (en) Method of determination of present position data in the bistatic mode of hydrospace detection
CN113534161A (en) Beam mirror image focusing method for remotely positioning underwater sound source
RU2764386C1 (en) Method for passive determination of the coordinates of a noise-emitting marine object
RU2208811C2 (en) Procedure to obtain information on noisy objects in sea
US8730765B2 (en) Method and device for measuring a profile of the ground
RU2703804C1 (en) Method of classifying marine objects with passive hydroacoustic means
CN111381212A (en) Virtual ultrashort baseline positioning method based on subarray division
RU2797780C1 (en) Method for passive determination of coordinates of a noise-generating object in the sea
EA035249B1 (en) Detection system and method to check the position of a pipeline in a bed of a body of water
RU2645297C1 (en) Method for determining location of a quasi-continuous broadband source of radio-emission by mobile complex of radio-technical supervision
Kim et al. Passive ranging sonar based on multi-beam towed array
RU2782843C1 (en) Method for determining the coordinates of a noise-emitting sea target
RU2740169C1 (en) Method of determining coordinates of a marine noisy target
RU2788341C1 (en) Method for localization in the space of a noise-producing object in the sea
RU2660292C1 (en) Method for determining object immersion depth
RU2812119C1 (en) Methods for determining coordinates of sea target emitting noise
RU2797161C1 (en) Methods for determining coordinates of a sea target emitting noise