RU2778168C1 - Method for matching signals detected by spaced hydroacoustic systems - Google Patents

Method for matching signals detected by spaced hydroacoustic systems Download PDF

Info

Publication number
RU2778168C1
RU2778168C1 RU2021130845A RU2021130845A RU2778168C1 RU 2778168 C1 RU2778168 C1 RU 2778168C1 RU 2021130845 A RU2021130845 A RU 2021130845A RU 2021130845 A RU2021130845 A RU 2021130845A RU 2778168 C1 RU2778168 C1 RU 2778168C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signals
systems
signal
source
delay
Prior art date
Application number
RU2021130845A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анна Александровна Волкова
Игорь Валерьевич Спирин
Original Assignee
Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" filed Critical Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Application granted granted Critical
Publication of RU2778168C1 publication Critical patent/RU2778168C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: hydroacoustics.
SUBSTANCE: method is based on receiving, detecting, and measuring the direction of hydroacoustic pulse signal separately by two spaced systems located on a common carrier. In the implementation of the method, a measured value of delay in the detection of two pulse signals and a predicted value of delay are formed for the hypothesis that the signal belongs to a single source. A mathematical measure of similarity between the measured value of delay and the predicted value of delay is formed, and the decision on matching the pulse signals is made if the similarity measure meets the resemblance criterion.
EFFECT: possibility of matching pulse signals if the hydroacoustic observation systems are spaced, and the direction to the signal does not provide information about a possible match, is provided; the observations systems therein may have non-overlapping working frequency ranges; additionally, the method provides a possibility of estimating the distance to the source of pulse signals if signals are detected in two systems, and the matching is successful.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для отождествления импульсных сигналов, обнаруженных разными гидроакустическими системами, находящимися на общем носителе, антенны которых разнесены в пространстве.The invention relates to the field of hydroacoustics and is intended to identify impulse signals detected by different hydroacoustic systems located on a common carrier, the antennas of which are separated in space.

Задача интеграции гидроакустических систем, включающая отождествление сигналов, обнаруженных несколькими системами, всегда ставилась разработчиками аппаратуры [Андреев М.Я., Охрименко С.Н., Клюшин В.В., Рубанов И.Л., Яковлев В.А. Интегрированная система подводного наблюдения для надводного корабля // Морской сборник. 2006. №8. С. 50-51]. Системы, работающие в разных диапазонах частот, имеющие различные приемные антенны и (или) способы обработки информации, оптимизированы под обнаружение различных частей единого гидроакустического сигнала. Следовательно, отождествление сигналов, обнаруженных этими системами, позволит получить наиболее полную информацию о сигнале, и, как следствие, более полно распознать источник сигнала.The task of integrating hydroacoustic systems, including the identification of signals detected by several systems, has always been posed by equipment developers [Andreev M.Ya., Okhrimenko S.N., Klyushin V.V., Rubanov I.L., Yakovlev V.A. Integrated system of underwater surveillance for a surface ship // Marine collection. 2006. No. 8. S. 50-51]. Systems operating in different frequency bands, having different receiving antennas and (or) information processing methods, are optimized for detecting different parts of a single hydroacoustic signal. Therefore, the identification of the signals detected by these systems will allow obtaining the most complete information about the signal, and, as a result, more fully recognize the source of the signal.

Известны способы отождествления [Нерославский Б.Л., Щеголева Н.Л. Об идентификации трассовых обнаружителей при многоканальном пеленговании // Гидроакустика. 2000. №2. С. 65-69, Жандаров A.M. Идентификация и фильтрация измерений состояния стохастических систем. М.: Наука. 1979], согласно которым на основании совокупности общих оценок параметров производится отождествление формуляров сигналов, обнаруженных в разных системах. Эти способы разработаны для случаев отождествления сигналов, обнаруженных в сходных системах, и обладающих большим набором общих параметров (три и более параметра). Теоретический анализ показывает высокую эффективность этих способов отождествления. Однако на практике, при интеграции сильно разнородных систем, перечень общих параметров в формулярах разных систем ограничен, и часто состоит из одного параметра - направления на сигнал. Это приводит к общему недостатку способов отождествления, который заключается в их низкой эффективности на практике.Known methods of identification [Neroslavsky B.L., Shchegoleva N.L. On the identification of track detectors in multichannel direction finding // Hydroacoustics. 2000. No. 2. P. 65-69, Zhandarov A.M. Identification and filtering of measurements of the state of stochastic systems. M.: Science. 1979], according to which, on the basis of a set of general estimates of parameters, the identification of signal forms found in different systems is made. These methods have been developed for cases of identifying signals found in similar systems and having a large set of common parameters (three or more parameters). Theoretical analysis shows the high efficiency of these methods of identification. However, in practice, when integrating highly heterogeneous systems, the list of common parameters in the forms of different systems is limited, and often consists of one parameter - the direction to the signal. This leads to a general disadvantage of identification methods, which is their low efficiency in practice.

Известен способ [Волкова А.А., Никулин М.Н. Патент РФ №2684440. Способ отождествления объектов, обнаруженных несколькими системами. Опубликовано 09.04.2019. МПК G01S 3/80], в котором для отождествления используется один параметр -направление на сигнал. В соответствии с этим способом принимают сигналы раздельно двумя системами, находящимися на общем носителе, измеряют направления на сигналы раздельно в каждой системе, формируют значения разности между направлениями на сигналы, и принимают решение об отождествлении сигналов в случае, если разность направлений меньше пороговой. Ограничением на применение способа является условие измерения направлений на сигналы из единой точки пространства. Поэтому, способ не может быть применен для пространственно-разнесенных систем, когда направления на сигнал измеряются из разных точек пространства, и даже теоретически не могут совпадать.There is a method [Volkova A.A., Nikulin M.N. RF patent No. 2684440. A way to identify objects detected by multiple systems. Published on 09.04.2019. IPC G01S 3/80], in which one parameter is used for identification - the direction to the signal. In accordance with this method, signals are received separately by two systems located on a common carrier, the directions to the signals are measured separately in each system, the values of the difference between the directions to the signals are formed, and a decision is made to identify the signals if the direction difference is less than the threshold. A limitation on the application of the method is the condition for measuring directions to signals from a single point in space. Therefore, the method cannot be applied to spatially separated systems, when directions to the signal are measured from different points in space, and even theoretically cannot coincide.

Наиболее близким аналогом по используемым операциям к предлагаемому изобретению является способ [Волкова А.А., Никулин М.Н. Патент РФ №2730103. Способ отождествления объектов, обнаруженных пространственно-разнесенными системами. Опубликовано 17.08.2020. МПК G01S 3/80], оптимизированный для случая, когда направления на сигнал измеряются из разных точек пространства.The closest analogue to the used operations to the present invention is the method [Volkova A.A., Nikulin M.N. Patent of the Russian Federation No. 2730103. Method for identifying objects detected by spatially separated systems. Published on 17.08.2020. IPC G01S 3/80], optimized for the case when directions to the signal are measured from different points in space.

Указанный способ содержит следующие основные операции: принимают сигналы раздельно двумя системами, находящимися на общем носителе, формируют в обеих системах идентичные массивы измерений каждого сигнала, осуществляя пространственную селекцию и частотно-временную обработку с применением одинакового частотного диапазона, единой частоты дискретизации и одинаковой длины выборки, формируют пары сигналов как каждый сигнал одной системы с каждым сигналом другой системы, вычисляют взаимно-корреляционную функцию между массивами измерений для каждой пары сигналов, находят максимальное значение взаимно-корреляционной функции для каждой пары, принимают решение об отождествлении для пар сигналов, для которых выполняется условие: максимальное значение взаимно-корреляционной функции более порога.This method contains the following main operations: signals are received separately by two systems located on a common carrier, identical arrays of measurements of each signal are formed in both systems, performing spatial selection and time-frequency processing using the same frequency range, a single sampling rate and the same sample length, form pairs of signals as each signal of one system with each signal of another system, calculate the cross-correlation function between the arrays of measurements for each pair of signals, find the maximum value of the cross-correlation function for each pair, make a decision on identification for pairs of signals for which the condition is met : the maximum value of the cross-correlation function is greater than the threshold.

Способ основан на вычислении и анализе взаимно-корреляционной функции между массивами измерений пары сигналов, которые предварительно приведены к единому диапазону частот. Однако, если системы работают в принципиально различных, непересекающихся диапазонах частот, то приведение к единому диапазону невозможно, и, следовательно, корреляция между сигналами не может быть обнаружена. Тогда, если необходимо обнаружить широкополосные сигналы, в том числе, импульсные, в системах, работающих в непересекающихся диапазонах частот, то этот способ не может быть применен. К импульсным сигналам относятся, например, сигналы гидролокаторов рыболовных траулеров. Другим примером импульсных сигналов являются удары технических устройств, работающих под водой. Таким образом, недостаток способа по патенту РФ №2730103, заключается в невозможности использования при обнаружении импульсных сигналов в системах, работающих в непересекающихся диапазонах частот.The method is based on the calculation and analysis of the cross-correlation function between the measurement arrays of a pair of signals, which are previously reduced to a single frequency range. However, if the systems operate in fundamentally different, non-overlapping frequency ranges, then reduction to a single range is impossible, and, therefore, the correlation between the signals cannot be detected. Then, if it is necessary to detect broadband signals, including pulsed ones, in systems operating in non-overlapping frequency ranges, then this method cannot be applied. Impulse signals include, for example, the sonar signals of fishing trawlers. Another example of impulse signals is the impact of technical devices operating under water. Thus, the disadvantage of the method according to the patent of the Russian Federation No. 2730103 lies in the impossibility of using when detecting pulsed signals in systems operating in non-overlapping frequency bands.

Задачей заявляемого способа является обеспечение возможности отождествления импульсных сигналов, обнаруженных в пространственно-разнесенных системах, частотные диапазоны которых не пересекаются.The objective of the proposed method is to provide the possibility of identifying pulse signals detected in spatially separated systems, the frequency ranges of which do not intersect.

Для решения поставленной задачи в способ отождествления сигналов, обнаруженных гидроакустическими пространственно-разнесенными системами, в которомTo solve the problem in the method of identifying signals detected by hydroacoustic space-diversified systems, in which

принимают сигналы раздельно двумя системами, находящимися на общем носителе,receive signals separately by two systems located on a common carrier,

осуществляют в каждой системе пространственную селекцию с измерением направления на сигналы раздельно в каждой системе θ1,i и 02,j, где первый индекс определяет номер системы, а второй индекс - номер сигнала, принятого системой,carry out spatial selection in each system with the measurement of the direction to the signals separately in each system θ 1,i and 0 2,j , where the first index determines the number of the system, and the second index - the number of the signal received by the system,

осуществляют в каждой системе частотно-временную обработку сигналов, включающую процедуры полосовой фильтрации, детектирования и интегрирования,carry out frequency-time signal processing in each system, including band-pass filtering, detection and integration procedures,

формируют пары сигналов ij как каждый сигнал одной системы с каждым сигналом другой системы,pairs of signals ij are formed as each signal of one system with each signal of the other system,

принимают решение об отождествлении для пары сигналов, соответствующей критерию отождествления,make an identification decision for a pair of signals corresponding to the identification criterion,

введены новые признаки, а именно:new signs have been introduced, namely:

предварительно измеряют горизонтальное расстояние L между фазовыми центрами антенн двух систем и скорость звука в воде С,preliminarily measure the horizontal distance L between the phase centers of the antennas of the two systems and the speed of sound in water C,

настраивают обе системы на прием импульсных сигналов, для чего при интегрировании в каждой системе выбирают время накопления, оптимальное для обнаружения сигналов заданной длительности,configure both systems to receive pulse signals, for which, when integrating in each system, choose the accumulation time that is optimal for detecting signals of a given duration,

фиксируют время обнаружения импульсных сигналов раздельно в каждой системе Т1,i и T2j,fix the detection time of pulse signals separately in each system T 1,i and T 2j ,

формируют измеренное значение задержки обнаружения для каждой пары сигналов как Δij·=T1,i - T2,j,form the measured value of the detection delay for each pair of signals as Δ ij ·=T 1,i - T 2,j ,

для гипотезы о едином источнике каждой пары сигналов формируют прогнозное значение дальности до источника от антенны первой системы

Figure 00000001
прогнозное значение дальности до источника от антенны второй систем
Figure 00000002
Figure 00000003
и прогнозное значение задержки
Figure 00000004
for the hypothesis of a single source of each pair of signals, a predictive value of the distance to the source from the antenna of the first system is formed
Figure 00000001
predicted value of the distance to the source from the antenna of the second systems
Figure 00000002
Figure 00000003
and predicted delay value
Figure 00000004

формируют математическую меру сходства между измеренным значением задержки Δij; и прогнозным значением задержки

Figure 00000005
для каждой пары ij,form a mathematical measure of similarity between the measured value of the delay Δ ij; and predicted delay value
Figure 00000005
for each pair ij,

а в качестве критерия отождествления принимают меру сходства, удовлетворяющую критерию похожести, и для пар ij импульсных сигналов, удовлетворяющих критерию похожести, принимают дальности R1,ij и R2,ij в качестве измеренных.and as an identification criterion, a similarity measure that satisfies the similarity criterion is taken, and for pairs ij of pulse signals that satisfy the similarity criterion, the distances R 1,ij and R 2,ij are taken as measured.

Техническим результатом изобретения является возможность отождествления импульсных сигналов в том случае, когда гидроакустические системы наблюдения разнесены в пространстве, и направление на сигнал не дает информации о возможном отождествлении. При этом, системы наблюдения могут иметь непересекающиеся диапазоны рабочих частот. Дополнительно, способ позволяет оценить дальность до источника импульсных сигналов, в том случае, если сигналы обнаружены в двух системах, и отождествление успешно.The technical result of the invention is the possibility of identifying pulse signals in the case when hydroacoustic surveillance systems are separated in space, and the direction to the signal does not provide information about a possible identification. At the same time, surveillance systems can have non-overlapping operating frequency ranges. Additionally, the method makes it possible to estimate the distance to the source of impulse signals, if the signals are detected in two systems, and the identification is successful.

Покажем возможность достижения указанного технического результата предложенным способом.We will show the possibility of achieving the specified technical result by the proposed method.

Определим условия, при которых сигнал одного источника будет обнаружен двумя гидроакустическим системами, работающими в непересекающихся диапазонах частот. Сигнал такого источника должен быть достаточно широкополосным, чтобы проявляться в обеих системах. К широкополосным сигналам относятся, в том числе, импульсные сигналы, для которых известно [Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: Гос. изд-во физ-мат лит-ры. 1962], что чем шире диапазон частот, тем короче длительность импульса. Обнаружение, распознавание и, в том числе, отождествление, импульсных сигналов может представлять интерес для гидроакустических систем различного назначения. При этом, импульсный сигнал характеризуется ярко выраженным передним фронтом, что дает возможность однозначно определить момент его приема. Указанное свойство импульсных сигналов может быть использовано для их отождествления.Let us determine the conditions under which a signal from one source will be detected by two hydroacoustic systems operating in non-overlapping frequency ranges. The signal from such a source must be broadband enough to appear in both systems. Broadband signals include, among other things, pulsed signals, for which it is known [Kharkevich A.A. Spectra and analysis. M.: State. Publishing House of Physics and Mathematics Literature. 1962] that the wider the frequency range, the shorter the pulse duration. Detection, recognition and, in particular, identification of impulse signals may be of interest for hydroacoustic systems for various purposes. At the same time, the pulse signal is characterized by a pronounced leading edge, which makes it possible to unambiguously determine the moment of its reception. This property of impulse signals can be used to identify them.

Традиционная система гидроакустического шумопеленгования применима для обнаружения, в том числе, импульсных сигналов. Для настройки любой системы шумопеленгования на обнаружение импульсных сигналов достаточно при интегрировании, входящем с состав типовой частотно-временной обработки, выбрать время накопления, оптимальное для обнаружения сигналов заданной длительности, что и предусмотрено в процедурах заявленного способа. Кроме того, в предлагаемом способе введены операции фиксации времени обнаружения сигналов в каждой из систем. Это дает возможность измерить дополнительный параметр, а именно значение задержки обнаружения двух импульсных сигналов. Измеренное значение задержки используется далее для отождествления следующим образом.The traditional hydroacoustic noise direction finding system is applicable for detecting, among other things, impulse signals. To configure any noise direction finding system for detecting pulsed signals, it is sufficient, when integrating, which is part of a typical time-frequency processing, to select the accumulation time that is optimal for detecting signals of a given duration, which is provided for in the procedures of the claimed method. In addition, in the proposed method, the operations of fixing the time of detection of signals in each of the systems are introduced. This makes it possible to measure an additional parameter, namely the value of the detection delay of two pulse signals. The measured delay value is used further for identification as follows.

Известен триангуляционный метод определения дальности до источника сигнала [Гампер Л.Е. О точности методов пассивной гидролокации с разнесенными бортовыми антеннами // Гидроакустика. Вып. 9. СПб.: Наука. 2009. С. 34-42], основанный на приеме сигнала системой из двух разнесенных в пространстве антенн. Для реализации этого метода, основанного на геометрическом решении треугольника, образованного точками Антенна 1-Антенна 2-Источник (фиг. 1), необходимо и достаточно знать любые из трех параметров треугольника. В одном из вариантов метода известными параметрами выступают расстояние между антеннами, направление на источник, относительно первой антенны, и направление на источник, относительно второй антенны.Known triangulation method for determining the distance to the signal source [Gamper L.E. On the accuracy of passive sonar methods with spaced onboard antennas // Hydroacoustics. Issue. 9. St. Petersburg: Science. 2009. S. 34-42], based on the reception of a signal by a system of two antennas spaced apart in space. To implement this method, which is based on the geometric solution of the triangle formed by the points Antenna 1-Antenna 2-Source (Fig. 1), it is necessary and sufficient to know any of the three parameters of the triangle. In one version of the method, the known parameters are the distance between the antennas, the direction to the source, relative to the first antenna, and the direction to the source, relative to the second antenna.

В нашем случае задача отождествления изначально не решена, то есть неизвестно, образуется ли треугольник Антенна 1-Антенна 2-Источник. Поэтому, триангуляционный метод [ГамперЛ.Е. О точности методов…] не может быть применен. Однако, для импульсных сигналов, как было показано ранее, дополнительно к трем параметрам, необходимым для триангуляционной задачи, может быть измерен четвертый параметр - задержка по времени между приемом сигнала на одну антенну относительно другой антенны. Это позволяет решить обратную задачу, а именно проверить, образуется ли треугольник Антенна 1-Антенна 2-Источник. Если треугольник образуется, это будет означать, что сигналы, принятые на обе антенны, принадлежат одному источнику.In our case, the problem of identification was not initially solved, that is, it is not known whether the Antenna 1-Antenna 2-Source triangle is formed. Therefore, the triangulation method [Gamper L.E. About the accuracy of the methods…] cannot be applied. However, for pulsed signals, as shown earlier, in addition to the three parameters required for the triangulation problem, a fourth parameter can be measured - the time delay between signal reception at one antenna relative to another antenna. This allows us to solve the inverse problem, namely, to check whether the Antenna 1-Antenna 2-Source triangle is formed. If a triangle is formed, this will mean that the signals received on both antennas belong to the same source.

Выдвигаем гипотезу, что треугольник образуется. Используя параметры расстояние между антеннами, направление на источник, относительно первой антенны, и направление на источник, относительно второй антенны, гипотетически решаем триангуляционную задачу, то есть определяем прогнозные значения дальности до источника от обеих антенн. Далее, зная скорость звука в воде, определяем прогнозные значения времен хода сигнала от источника до обеих антенн, и разность между временами хода, то есть прогнозную задержку сигнала, принятого одной антенной, относительно другой. Сравниваем прогнозное значение задержки, полученное при гипотезе, что треугольник образуется, с четвертым параметром - измеренной задержкой. Если результаты сравнения совпадут, значит, гипотеза верна, треугольник образуется, и сигналы, принятые на две антенны, принадлежат одному источнику. В этом случае, триангуляционная задача становится решенной не гипотетически, и мы получаем значение дальности до источника от обеих антенн.We hypothesize that a triangle is formed. Using the parameters the distance between the antennas, the direction to the source, relative to the first antenna, and the direction to the source, relative to the second antenna, we hypothetically solve the triangulation problem, that is, we determine the predicted values of the distance to the source from both antennas. Further, knowing the speed of sound in water, we determine the predicted values of the signal travel times from the source to both antennas, and the difference between the travel times, that is, the predicted delay of the signal received by one antenna relative to the other. We compare the predicted value of the delay, obtained under the hypothesis that a triangle is formed, with the fourth parameter - the measured delay. If the results of the comparison match, then the hypothesis is correct, a triangle is formed, and the signals received by the two antennas belong to the same source. In this case, the triangulation problem becomes solved not hypothetically, and we get the value of the distance to the source from both antennas.

Новые операции способа позволяют проверить указанную гипотезу для импульсных сигналов, и, следовательно, решить задачу отождествления в том случае, когда гидроакустические системы наблюдения разнесены в пространстве.New operations of the method make it possible to test the indicated hypothesis for impulse signals, and, consequently, to solve the problem of identification in the case when hydroacoustic observation systems are separated in space.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2.The essence of the invention is illustrated by figures 1 and 2.

На фиг. 1 приведена схема взаимного расположения антенн двух систем и источника излучения в пространстве, поясняющая алгоритм работы способа. На фиг. 1 обозначено: А1 - антенна системы 1, А2 - антенна системы 2, S - предполагаемое положение источника сигнала, L - расстояние между фазовыми центрами антенн двух систем, θ1,i - направление на сигнал, измеренное в системе 1, θ2,j - направление на сигнал, измеренное в системе 2, R1,ij - дальность до источника излучения от антенны системы 1, R2,ij - дальность до источника излучения от антенны системы 2.In FIG. 1 shows a diagram of the mutual arrangement of the antennas of the two systems and the radiation source in space, explaining the algorithm of the method. In FIG. 1 is marked: A 1 - antenna of system 1, A 2 - antenna of system 2, S - estimated position of the signal source, L - distance between the phase centers of the antennas of two systems, θ 1,i - direction to the signal measured in system 1, θ 2 ,j is the direction to the signal measured in system 2, R 1,ij is the distance to the radiation source from the system 1 antenna, R 2,ij is the distance to the radiation source from the system 2 antenna.

На фиг. 2 приведена блок-схема алгоритма реализации предлагаемого способа отождествления сигналов, обнаруженных пространственно-разнесенными системами. На фиг. 2 первый выход блока 1 (система 1) соединен с первым входом блока 3 (измерение Δ), второй выход блока 1 соединен с первым входом блока 4 (гипотеза

Figure 00000006
). Первый выход блока 2 (система 2) соединен со вторым входом блока 3 (измерение Δ), второй выход блока 2 соединен со вторым входом блока 4 (гипотеза
Figure 00000006
).·Выходы блоков 3 и 4 соединены с первым и вторым входами блока 5 (решение). Выход блока 6 (память) соединен с третьим входом блока 4.In FIG. Figure 2 shows a block diagram of the algorithm for implementing the proposed method for identifying signals detected by space-diversified systems. In FIG. 2 the first output of block 1 (system 1) is connected to the first input of block 3 (measurement Δ), the second output of block 1 is connected to the first input of block 4 (hypothesis
Figure 00000006
). The first output of block 2 (system 2) is connected to the second input of block 3 (measurement Δ), the second output of block 2 is connected to the second input of block 4 (hypothesis
Figure 00000006
). · The outputs of blocks 3 and 4 are connected to the first and second inputs of block 5 (solution). The output of block 6 (memory) is connected to the third input of block 4.

В интегрированном гидроакустическом комплексе, состоящем из двух систем, антенны которых разнесены в пространстве, предлагаемый способ реализуется следующим образом. Если в комплексе более двух систем, разнесенных в пространстве, способ может быть реализован для каждой пары систем. До начала работы измеряют горизонтальное расстояние между фазовыми центрами антенн двух систем L и скорость звука в воде С. Расстояние L может быть измерено непосредственно в месте установки антенн или получено из габаритных чертежей носителя гидроакустического комплекса. Для измерения скорости звука в воде С используют известные косвенные или прямые методы [Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. СПб.: Наука. 2003]. Измеренные значения L и С сохраняют в блоке 6 (память). Настраивают частотно-временную обработку сигналов в системе 1 и системе 2 таким образом, чтобы она была оптимизирована под обнаружение импульсных сигналов. Для этого выбирают время интегрирования, согласованное с предполагаемой длительностью импульсов. Например, для гидролокаторов рыболовных траулеров длительность импульсов известна из технического описания. Для возможности обнаружения импульсов различной длительности может быть предусмотрена параллельная обработка сигналов с несколькими временами накопления.In an integrated hydroacoustic complex, consisting of two systems, the antennas of which are separated in space, the proposed method is implemented as follows. If there are more than two spaced systems in the complex, the method can be implemented for each pair of systems. Before starting work, the horizontal distance between the phase centers of the antennas of the two systems L and the speed of sound in water C are measured. The distance L can be measured directly at the antenna installation site or obtained from the dimensional drawings of the hydroacoustic complex carrier. To measure the speed of sound in water C, known indirect or direct methods are used [Komlyakov V.A. Shipborne instruments for measuring the speed of sound and modeling acoustic fields in the ocean. SPb.: Nauka. 2003]. The measured values of L and C are stored in block 6 (memory). Adjust the time-frequency signal processing in system 1 and system 2 so that it is optimized for the detection of pulsed signals. To do this, choose the integration time, consistent with the expected duration of the pulses. For example, for sonar fishing trawlers, the pulse duration is known from the data sheet. To be able to detect pulses of different durations, parallel processing of signals with several accumulation times can be provided.

В динамике работы система 1 и система 2 независимо друг от друга обнаруживают импульсные сигналы, фиксируют время обнаружения сигналов T1,i, T2,j и измеряют направления на них θ1,i, θ2,j раздельно в каждой системе. Операции обнаружения, обработки, измерения направления и времени обнаружения являются стандартными для систем шумопеленгования, и могут быть заимствованы из [Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А. Корепин и др. Л.: Судостроение. 1988]. Формируют пары сигналов как каждый сигнал одной системы с каждым сигналом другой системы. Дальнейшее описание приведено для пары ij.In the dynamics of operation, system 1 and system 2 independently detect pulse signals, fix the detection time of signals T 1,i , T 2,j and measure directions to them θ 1,i , θ 2,j separately in each system. The operations of detection, processing, measurement of direction and detection time are standard for noise direction finding systems, and can be borrowed from [Handbook of hydroacoustics / A.P. Evtyutov, A.E. Kolesnikov, E.A. Korepin and others. L.: Shipbuilding. 1988]. Pairs of signals are formed as each signal of one system with each signal of another system. Further description is given for the pair ij.

Измеренные в системе 1 и системе 2 времена обнаружения сигналов поступают в блок 3 (измерение Δ), в котором формируют измеренное значение задержки обнаружения пары импульсных сигналов ij как Δij·=T1,i - T2,j.The signal detection times measured in system 1 and system 2 are fed to block 3 (measurement Δ), in which the measured value of the detection delay of a pair of pulse signals ij is formed as Δ ij ·=T 1,i - T 2,j .

Параллельно с этим, измеренные в системе 1 и системе 2 направления на сигналы поступают в блок 4 (гипотеза

Figure 00000006
). Одновременно в блок 4 из блока 6 поступают значения L и С. В блоке 4 формируют прогнозное значение задержки
Figure 00000007
для пары ij. Для этого, выдвигают гипотезу, что сигнал i, обнаруженный в системе 1, и сигнал j обнаруженный в системе 2, принадлежат одному источнику. Тогда, взаимное расположение антенн двух систем и источника излучения в пространстве может быть представлено схемой на фиг.1, На схеме фиг.1 видно, что точки А1, А2 и S являются вершинами треугольника, в котором известными (измеренными) параметрами являются углы θ1,i, θ2,j и расстояние L. Пользуясь формулами для решения треугольников [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М: гос. изд-во технико-теор. лит-ры. 1956], можно получить выражения для предполагаемой (гипотетической) дальности до источника S от антенн обеих систем А1 и А2:In parallel with this, the signal directions measured in system 1 and system 2 are sent to block 4 (hypothesis
Figure 00000006
). At the same time, block 4 receives the values L and C from block 6. In block 4, the predicted delay value is formed
Figure 00000007
for the pair ij. For this, it is hypothesized that the signal i detected in system 1 and the signal j detected in system 2 belong to the same source. Then, the relative position of the antennas of the two systems and the radiation source in space can be represented by the diagram in figure 1. The diagram of figure 1 shows that the points A 1 , A 2 and S are the vertices of a triangle in which the known (measured) parameters are the angles θ 1,i , θ 2,j and distance L. Using the formulas for solving triangles [Bronshtein I.N., Semendyaev K.A. Handbook of mathematics. M: Mrs. Publishing House of Techno-Theor. liters. 1956], it is possible to obtain expressions for the estimated (hypothetical) range to the source S from the antennas of both systems A 1 and A 2 :

Figure 00000008
Figure 00000008

Тогда, зная скорость звука в среде можно определить прогнозное значение задержки между временем прихода сигнала от источника к антенне А1 и антенне А2:Then, knowing the speed of sound in the medium, it is possible to determine the predicted value of the delay between the time of arrival of the signal from the source to antenna A 1 and antenna A 2 :

Figure 00000009
Figure 00000009

Расчеты по формулам (1) и (2) реализуются в блоке 4. На схеме фиг. 2 формулы для R1,ij, R2,ij и

Figure 00000010
обозначены символом ƒ (функция).Calculations according to formulas (1) and (2) are implemented in block 4. In the diagram of Fig. 2 formulas for R 1,ij , R 2,ij and
Figure 00000010
are marked with the symbol ƒ (function).

Измеренное значение задержки Δij из блока 3 и прогнозное значение задержки

Figure 00000011
из блока 4 поступают в блок 5, где осуществляется их сравнение. В качестве меры сходства может использоваться любая из известных мер сходства, например, евклидово расстояние [Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов / Пер. с англ. М.: Мир. 1978]. Порог для принятия решения выбирается, например, на основании требуемой вероятности ложного отождествления согласно [Тюрин A.M. Введение в теорию статистических методов в гидроакустике. Л. 1963]. На схеме фиг. 2 вычисление меры сходства обозначено символом М. Если для пары сигналов ij, обнаруженных в двух системах выполняется условие: мера сходства между измеренным и прогнозным значением задержки менее порога
Figure 00000012
то гипотеза о том, что эти сигналы принадлежат одному источнику, считается верной (треугольник образуется), и принимается решение об их отождествлении. Дополнительно, считаются измеренными дальности от источника сигнала до антенн обеих систем, полученные по формулам (1). В противном случае, гипотеза отклоняется, решение об отождествлении не принимается, дальности до источника сигнала считаются не измеренными.Measured delay value Δ ij from block 3 and predicted delay value
Figure 00000011
from block 4 go to block 5, where they are compared. As a measure of similarity, any of the known measures of similarity can be used, for example, the Euclidean distance [Tu J., Gonzalez R. Principles of pattern recognition / Per. from English. M.: Mir. 1978]. The decision threshold is chosen, for example, based on the required probability of false identification according to [Tyurin AM Introduction to the theory of statistical methods in hydroacoustics. L. 1963]. In the diagram of Fig. 2, the calculation of the similarity measure is indicated by the symbol M. If for a pair of signals ij detected in two systems, the following condition is met: the similarity measure between the measured and predicted delay values is less than the threshold
Figure 00000012
then the hypothesis that these signals belong to the same source is considered correct (a triangle is formed), and a decision is made to identify them. Additionally, the distances from the signal source to the antennas of both systems, obtained by formulas (1), are considered to be measured. Otherwise, the hypothesis is rejected, the identification decision is not made, the distances to the signal source are considered not measured.

Способ работает для каждой пары сигналов. Количество таких пар будет n×m, где n - количество сигналов в одной системе, m - количество сигналов в другой системе. В гидроакустике обычно одновременно обнаруживаются не более десяти сигналов в каждой системе. Тогда максимальное количество пар не будет превышать 100. Для каждой пары сигналов независимо повторяются операции блоков 3,4. Для каждой пары сигналов формируется своя мера схожести в блоке 5, которая сравнивается с порогом, и принимается или не принимается решение об отождествлении именно этой пары сигналов.The method works for every pair of signals. The number of such pairs will be n×m, where n is the number of signals in one system, m is the number of signals in another system. In hydroacoustics, usually no more than ten signals are detected simultaneously in each system. Then the maximum number of pairs will not exceed 100. For each pair of signals, the operations of blocks 3 and 4 are independently repeated. For each pair of signals, its own similarity measure is formed in block 5, which is compared with the threshold, and a decision is made or not made to identify this particular pair of signals.

Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной. Предложен способ отождествления сигналов, обнаруженных пространственно-разнесенными гидроакустическими системами, который может быть применен в случае, когда обнаруживаемые сигналы являются импульсными.All of the above allows us to consider the problem of the invention solved. A method for identifying signals detected by spatially separated hydroacoustic systems is proposed, which can be applied in the case when the detected signals are pulsed.

Claims (1)

Способ отождествления сигналов, обнаруженных гидроакустическими пространственно-разнесенными системами, в котором принимают сигналы раздельно двумя системами, находящимися на общем носителе, осуществляют в каждой системе пространственную селекцию с измерением направления на сигналы раздельно в каждой системе θ1,i и θ2,j, где первый индекс определяет номер системы, а второй индекс - номер сигнала, принятого системой, осуществляют в каждой системе частотно-временную обработку сигналов, включающую процедуры полосовой фильтрации, детектирования и интегрирования, формируют пары сигналов ij как каждый сигнал одной системы с каждым сигналом другой системы, принимают решение об отождествлении для пары сигналов, соответствующей критерию отождествления, отличающийся тем, что предварительно измеряют горизонтальное расстояние L между фазовыми центрами антенн двух систем и скорость звука в воде С, настраивают обе системы на прием импульсных сигналов, для чего при интегрировании в каждой системе выбирают время накопления, оптимальное для обнаружения сигналов заданной длительности, фиксируют время обнаружения импульсных сигналов раздельно в каждой системе T1,i и T2,j, формируют измеренное значение задержки обнаружения для каждой пары сигналов как Δij=T1,i-T2,j, для гипотезы о едином источнике каждой пары сигналов формируют прогнозное значение дальности до источника от антенны первой системы
Figure 00000013
прогнозное значение дальности до источника от антенны второй системы
Figure 00000014
и прогнозное значение задержки
Figure 00000015
формируют математическую меру сходства
Figure 00000016
как евклидово расстояние между измеренным значением задержки Δij и прогнозным значением задержки
Figure 00000017
для каждой пары ij, а в качестве критерия отождествления принимают меру сходства, удовлетворяющую критерию похожести
Figure 00000018
и для пар ij импульсных сигналов, удовлетворяющих критерию похожести, принимают дальности R1,ij и R2,ij в качестве измеренных.
A method for identifying signals detected by hydroacoustic spatially separated systems, in which signals are received separately by two systems located on a common carrier, spatial selection is carried out in each system with direction measurement to signals separately in each system θ 1,i and θ 2,j , where the first index determines the number of the system, and the second index - the number of the signal received by the system, in each system, frequency-time processing of signals is carried out, including the procedures of band-pass filtering, detection and integration, pairs of signals ij are formed as each signal of one system with each signal of another system, make a decision on identification for a pair of signals corresponding to the identification criterion, characterized in that they first measure the horizontal distance L between the phase centers of the antennas of two systems and the speed of sound in water C, tune both systems to receive pulse signals, for which, when integrating in each system choose the accumulation time that is optimal for detecting signals of a given duration, fix the detection time of pulse signals separately in each system T 1,i and T 2,j , form the measured value of the detection delay for each pair of signals as Δ ij =T 1,i -T 2 ,j , for the hypothesis of a single source of each pair of signals, a predictive value of the distance to the source from the antenna of the first system is formed
Figure 00000013
predicted value of the distance to the source from the antenna of the second system
Figure 00000014
and predicted delay value
Figure 00000015
form a mathematical measure of similarity
Figure 00000016
as the Euclidean distance between the measured delay value Δ ij and the predicted delay value
Figure 00000017
for each pair ij, and as an identification criterion, they take a similarity measure that satisfies the similarity criterion
Figure 00000018
and for pairs ij of pulse signals that satisfy the similarity criterion, the distances R 1,ij and R 2,ij are taken as measured.
RU2021130845A 2021-10-20 Method for matching signals detected by spaced hydroacoustic systems RU2778168C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778168C1 true RU2778168C1 (en) 2022-08-15

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5696736A (en) * 1996-11-27 1997-12-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Hydrophone for determining direction of underwater sound
US7750841B2 (en) * 2003-11-03 2010-07-06 Cambridge Consultants Limited Determining positional information
RU2656370C1 (en) * 2017-01-10 2018-06-05 Акционерное общество "ЗАСЛОН" Method for relative bearing matching of radio emission sources by their radio engineering characteristics using two-position passive radioelectronic means
RU2684440C1 (en) * 2017-12-07 2019-04-09 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of obtaining objects detected by several systems
RU2730103C1 (en) * 2019-08-16 2020-08-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of identifying objects detected by spatially spaced apart systems

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5696736A (en) * 1996-11-27 1997-12-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Hydrophone for determining direction of underwater sound
US7750841B2 (en) * 2003-11-03 2010-07-06 Cambridge Consultants Limited Determining positional information
RU2656370C1 (en) * 2017-01-10 2018-06-05 Акционерное общество "ЗАСЛОН" Method for relative bearing matching of radio emission sources by their radio engineering characteristics using two-position passive radioelectronic means
RU2684440C1 (en) * 2017-12-07 2019-04-09 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of obtaining objects detected by several systems
RU2730103C1 (en) * 2019-08-16 2020-08-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of identifying objects detected by spatially spaced apart systems

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2473924C1 (en) Method of detecting and classifying signal from target
EP2263097B1 (en) Autonomous sonar system and method
CN108828566B (en) Underwater pulse signal identification method based on towed linear array
KR101152987B1 (en) Direction finding method and direction finding system for detecting and tracking temporally successive bearing angles
US20120098703A1 (en) Method for Determining Azimuth and Elevation Angles of Arrival of Coherent Sources
RU2461020C1 (en) Method for automatic classification
Cotter et al. Classification of broadband target spectra in the mesopelagic using physics-informed machine learning
RU2711406C1 (en) Method of classification of hydro acoustic signals of marine objects noise emission
KR101438114B1 (en) Method for Active Sonar Underwater Target Classification Using Canonical Correlation Analysis and Underwater Target Classification Apparatus
RU2515179C1 (en) Method of determining direction of hydroacoustic transponder in multibeam navigation signal propagation conditions
CN105353340A (en) Double-layer cylindrical array underwater passive target detection method
RU2724962C1 (en) Method of determining coordinates of a marine noisy target
Dubrovinskaya et al. Anchorless underwater acoustic localization
RU2778168C1 (en) Method for matching signals detected by spaced hydroacoustic systems
RU2723145C1 (en) Method and device for detecting noisy objects in the sea with onboard antenna
CN103901432B (en) The trace tracking method of noncooperative target and system under a kind of many observer nodes
CN110940977B (en) Constant false alarm detector adaptive to sea condition change and constant false alarm detection method
RU2208811C2 (en) Procedure to obtain information on noisy objects in sea
CN116299176A (en) Target space feature extraction and fusion positioning method based on Hough transformation
RU2627977C1 (en) Method of object detection and measurement of its parameters
RU2515419C1 (en) Method of measuring change in course angle of probing signal source
Bencheikh et al. A subspace-based technique for joint DOA-DOD estimation in bistatic MIMO radar
RU2797161C1 (en) Methods for determining coordinates of a sea target emitting noise
JP6922262B2 (en) Sonar image processing device, sonar image processing method and sonar image processing program
US10048372B1 (en) Methods and systems for resolution of sonar images