RU2805137C1 - Method of noise direction finding with determination of displacement of surface ship - Google Patents

Method of noise direction finding with determination of displacement of surface ship Download PDF

Info

Publication number
RU2805137C1
RU2805137C1 RU2023108328A RU2023108328A RU2805137C1 RU 2805137 C1 RU2805137 C1 RU 2805137C1 RU 2023108328 A RU2023108328 A RU 2023108328A RU 2023108328 A RU2023108328 A RU 2023108328A RU 2805137 C1 RU2805137 C1 RU 2805137C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
signal
displacement
noise
fluctuations
Prior art date
Application number
RU2023108328A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анна Александровна Волкова
Александр Давидович Консон
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 RU2805137C1 publication Critical patent/RU2805137C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: hydroacoustics.
SUBSTANCE: invention is intended for recognizing sea vessels of different displacements by their noise emissions. The method consists of standard noise direction finding procedures with the selection of low-frequency signal fluctuations for analysing the ship's pitch. When implementing the method, the sea state and sound speed are measured, and the signal is band-pass filtered with an adaptive choice of frequency band, depending on the measured parameters.
EFFECT: providing bandpass filtering in noise direction finding with a geometric mean frequency, optimal for further determining the displacement of a surface ship under current hydroacoustic surveillance conditions.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для распознавания морских судов разного водоизмещения по их шумоизлучению.The invention relates to the field of hydroacoustics and is intended for recognizing sea vessels of different displacements by their noise emissions.

Известно [Бородай И.К. и др. Прикладные задачи динамики судов на волнении // Судостроение. - 1989. - Т. 258. - С. 539-543, Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Мореходность судов // Л.: Судостроение. - 1982. - Т. 288], что процесс качки корабля при динамическом воздействии на него ветрового волнения, в общем случае является случайным процессом со спектром, описываемым кривой Релея с выраженным максимумом. Этот максимум соответствует основному периоду качки корабля, который обусловлен его водоизмещением.It is known [Boroday I.K. and others. Applied problems of ship dynamics in waves // Shipbuilding. - 1989. - T. 258. - P. 539-543, Boroday I.K., Netsvetaev Yu.A. Seaworthiness of ships // Leningrad: Shipbuilding. - 1982. - T. 288], that the process of rolling a ship under the dynamic influence of wind waves on it is, in the general case, a random process with a spectrum described by a Rayleigh curve with a pronounced maximum. This maximum corresponds to the main period of the ship's rocking, which is determined by its displacement.

В части гидроакустики качка надводных кораблей приводит к образованию низкочастотных флуктуаций шумового сигнала, принимаемого гидроакустическими средствами [Кудрявцев А.А., Лугинец К.П., Машошин А.И. Об амплитудной модуляции подводного шумоизлучения гражданских судов // Акустический журнал. - 2003. - Т. 49. - №2. - С. 224-228]. Характер этих флуктуаций в простых моделях считается квазигармоническим, подобным спектру качки. Поэтому среднее значение периода флуктуаций сигнала шумоизлучения будет различно для кораблей разного водоизмещения в одинаковых условиях. На этом явлении основаны способы определения водоизмещения надводных кораблей при их шумопеленговании.In terms of hydroacoustics, the rolling of surface ships leads to the formation of low-frequency fluctuations of the noise signal received by hydroacoustic means [Kudryavtsev A.A., Luginets K.P., Mashoshin A.I. On amplitude modulation of underwater noise emission from civil ships // Acoustic Journal. - 2003. - T. 49. - No. 2. - P. 224-228]. The nature of these fluctuations in simple models is considered quasi-harmonic, similar to the spectrum of motion. Therefore, the average value of the period of fluctuations of the noise emission signal will be different for ships of different displacement under the same conditions. Methods for determining the displacement of surface ships during their noise direction finding are based on this phenomenon.

Известны способ и устройство для его реализации [Машошин А.И. Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов // Акустический журнал. - 2013. - Т. 59. - №3. - С. 347-353]. В способе осуществляется обработка шумового сигнала корабля с целью обнаружения и анализа спектра его низкочастотных флуктуаций, на основании чего определяется водоизмещение корабля. При обработке шумового сигнала согласно этому способу используют полную полосу частот премного тракта, что является недостатком. Натурные исследования [Консон А.Д., Волкова А.А. Спектральные свойства флуктуаций подводного шумоизлучения морских судов // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. - 2018. - С. 427-429] показали, что низкочастотные флуктуации, на основании анализа которых определяется водоизмещение корабля, присутствуют не во всей полосе частот приемного тракта, а могут проявляться только в некоторой ограниченной области частот. При этом выделение флуктуаций с использованием всей полосы частот приводит к ослаблению эффекта флуктуации сигнала, и в пределе к невозможности определить период флуктуаций и, следовательно, водоизмещение корабля.A known method and device for its implementation [Mashoshin A.I. Optimization of a device for detecting and measuring parameters of amplitude modulation of underwater noise emission from sea vessels // Acoustic Journal. - 2013. - T. 59. - No. 3. - P. 347-353]. The method processes the ship's noise signal in order to detect and analyze the spectrum of its low-frequency fluctuations, on the basis of which the ship's displacement is determined. When processing a noise signal according to this method, the full frequency band of the premium path is used, which is a disadvantage. Field studies [Konson A.D., Volkova A.A. Spectral properties of fluctuations of underwater noise emission from sea vessels // Applied technologies of hydroacoustics and hydrophysics. - 2018. - P. 427-429] showed that low-frequency fluctuations, based on the analysis of which the ship’s displacement is determined, are not present in the entire frequency band of the receiving path, but can only appear in a certain limited frequency range. In this case, isolating fluctuations using the entire frequency band leads to a weakening of the effect of signal fluctuations, and, in the limit, to the impossibility of determining the period of fluctuations and, consequently, the displacement of the ship.

Известны способ и устройство для его реализации [Волкова А.А., Консон А.Д. Патент РФ №2694270 от 11.07.2019. Устройство определения водоизмещения надводного корабля при его шумопеленговании. МПК G01S 3/80]. В указанном способе реализована обработка сигнала в шумопеленговании, при которой выделение низкочастотных флуктуаций осуществляется для совокупности полос частот, для каждой из которых повторяются однотипные процедуры анализа спектра флуктуаций. Водоизмещение надводного корабля определяется на заключительном этапе анализа в случае, если хотя бы для одной из полос частот удалось определить период флуктуаций. Способ частично устраняет недостаток способа [Машошин А.И. Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов // Акустический журнал. - 2013. - Т. 59. - №3. - С. 347-353], однако, при этом значительно увеличивается количество выполняемых арифметических операций, что приводит к увеличению требований к вычислительным ресурсам.A method and device for its implementation are known [Volkova A.A., Konson A.D. RF Patent No. 2694270 dated July 11, 2019. A device for determining the displacement of a surface ship during its noise direction finding. IPC G01S 3/80]. This method implements signal processing in noise direction finding, in which low-frequency fluctuations are identified for a set of frequency bands, for each of which the same type of fluctuation spectrum analysis procedures are repeated. The displacement of a surface ship is determined at the final stage of the analysis if the period of fluctuations could be determined for at least one of the frequency bands. The method partially eliminates the disadvantage of the method [Mashoshin A.I. Optimization of a device for detecting and measuring parameters of amplitude modulation of underwater noise emission from sea vessels // Acoustic Journal. - 2013. - T. 59. - No. 3. - P. 347-353], however, this significantly increases the number of arithmetic operations performed, which leads to an increase in requirements for computing resources.

Наиболее близким аналогом по выполняемым процедурам к предлагаемому изобретению является способ [Консон А.Д., Волкова А.А. Патент РФ №2645013 от 15.02.2018. Способ определения водоизмещения надводного корабля при его шумопеленговании. МПК G01S 3/80], который можно принять за прототип.The closest analogue in terms of the procedures performed to the proposed invention is the method [Konson A.D., Volkova A.A. RF Patent No. 2645013 dated February 15, 2018. A method for determining the displacement of a surface ship during its noise direction finding. IPC G01S 3/80], which can be mistaken for a prototype.

Способ-прототип содержит следующие операции:The prototype method contains the following operations:

прием шумового сигнала надводного корабля гидроакустической антенной с фиксированных направлений по горизонтали и вертикали в диапазоне частот приемного тракта,reception of a noise signal from a surface ship by a hydroacoustic antenna from fixed directions horizontally and vertically in the frequency range of the receiving path,

аналого-цифровое преобразование сигнала,analog-to-digital signal conversion,

детектирование,detection,

низкочастотную фильтрацию,low-pass filtering,

вычисление спектра флуктуаций, обусловленных качкой,calculation of the spectrum of fluctuations caused by rolling,

анализ спектра флуктуаций,fluctuation spectrum analysis,

определение водоизмещения надводного корабля.determination of the displacement of a surface ship.

Недостаток этого способа аналогичен недостатку способа [Машошин А.И. Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов // Акустический журнал. - 2013. - Т. 59. - №3. - С. 347-353], и заключается в том, что обработка при шумопеленговании в полной полосе частот премного тракта не является оптимальной для дальнейшего выделения низкочастотных флуктуаций сигнала, и может приводить к невозможности определения водоизмещения надводного корабля.The disadvantage of this method is similar to the disadvantage of the method [Mashoshin A.I. Optimization of a device for detecting and measuring parameters of amplitude modulation of underwater noise emission from sea vessels // Acoustic Journal. - 2013. - T. 59. - No. 3. - P. 347-353], and lies in the fact that processing during noise direction finding in the full frequency band of the pre-receiver path is not optimal for further highlighting low-frequency signal fluctuations, and can lead to the impossibility of determining the displacement of a surface ship.

Задачей заявляемого способа является создание оптимальной для определения водоизмещения надводных кораблей обработки сигнала в шумопеленговании.The objective of the proposed method is to create optimal signal processing in noise direction finding for determining the displacement of surface ships.

Для решения поставленной задачи в способ шумопеленгования с определением водоизмещения надводного корабля, который содержит прием шумового сигнала надводного корабля гидроакустической антенной с горизонтального направления α и вертикального направления β в диапазоне частот от fmin до fmax, аналого-цифровое преобразование сигнала, детектирование, низкочастотную фильтрацию, вычисление спектра флуктуаций, обусловленных качкой, анализ спектра флуктуаций, определение водоизмещения надводного корабля,To solve the problem, a method of noise direction finding with determination of the displacement of a surface ship, which contains the reception of a noise signal of a surface ship by a hydroacoustic antenna from the horizontal direction α and the vertical direction β in the frequency range from f min to f max , analog-to-digital signal conversion, detection, low-frequency filtering , calculation of the spectrum of fluctuations caused by rolling, analysis of the spectrum of fluctuations, determination of the displacement of a surface ship,

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

измеряют волнение моря σ в метрах,measure sea waves σ in meters,

измеряют скорость звука C в месте установки антенны,measure the speed of sound C at the antenna installation location,

определяют совокупность коэффициентов K(f)=4πfσsinβ/C для набора частот f в диапазоне от fmin до fmax, при фиксированных параметрах σ, β, С, где σ - измеренное волнение моря, β - угол приема сигнала в вертикальной плоскости, С - измеренная скорость звука, π - число пи,determine a set of coefficients K(f)=4πfσsinβ/C for a set of frequencies f in the range from f min to f max , with fixed parameters σ, β, C, where σ is the measured sea state, β is the signal reception angle in the vertical plane, C - measured speed of sound, π - number pi,

выбирают одну частоту fopt из набора, для которой коэффициент K(f) принимает наибольшее значение из тех, которые не более единицы fopt=argmax{K(f)≤1},select one frequency f opt from the set for which the coefficient K(f) takes the greatest value of those that are not more than one f opt =argmax{K(f)≤1},

а полосовую фильтрацию сигнала со средней частотой полосы пропускания, равной выбранной частоте fopt ,осуществляют перед детектированием.and bandpass filtering of the signal with the average frequency of the passband equal to the selected frequency f opt is carried out before detection.

Техническим результатом изобретения является обеспечение полосовой фильтрации в шумопеленговании со среднегеометрической частотой, оптимальной для дальнейшего определения водоизмещения надводного корабля в текущих условиях гидроакустического наблюдения.The technical result of the invention is to provide bandpass filtering in noise direction finding with a geometric mean frequency, optimal for further determining the displacement of a surface ship in the current conditions of hydroacoustic surveillance.

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

В работе [Консон А.Д., Волкова А.А. Модуляция шумового сигнала при качке корабля вследствие флуктуирующей интерференции лучей // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. - 2023. Т. 15. - №4. - С. 74-81] проведен большой комплекс аналитических, имитационных и экспериментальных исследований явления образования низкочастотных флуктуаций шумового сигнала при качке надводного корабля. Исследования показали, что явление флуктуации сигнала при качке корабля может быть объяснено образованием флуктуирующей интерференции лучей, распространяющихся от вертикально качающегося источника. При этом спектрально-энергетические характеристики флуктуации сигнала зависят от совокупных условий, которые характеризуются значением коэффициента K. Коэффициент K согласно указанной работе записывается как K=2kσsinβ, где - волновое число, f - частота сигнала, С - скорость звука, σ - волнение моря в метрах, β - угол приема сигнала в вертикальной плоскости, π - число пи. В терминах, более удобных для настоящей заявки, выражение для K можно переписать, как: K=4πfσsinβ/C. В работе показано, что значение коэффициента K разделяет физический процесс образования низкочастотных флуктуаций на два типа. При значениях K≤1 результаты наблюдения за процессом флуктуаций сигнала можно отождествлять с процессом качки корабля. В этом случае период флуктуаций соответствует периоду качки корабля, что делает возможным определение водоизмещения. При этом максимум мощности флуктуации достигается при K=1. При значениях K>1 спектр низкочастотных флуктуаций сигнала перестает соответствовать спектру процесса качки, что делает определение водоизмещения невозможным.In the work [Konson A.D., Volkova A.A. Modulation of the noise signal when the ship rolls due to fluctuating interference of rays // Fundamental and Applied Hydrophysics. - 2023. T. 15. - No. 4. - P. 74-81] a large complex of analytical, simulation and experimental studies was carried out on the phenomenon of the formation of low-frequency fluctuations of the noise signal during the rolling of a surface ship. Research has shown that the phenomenon of signal fluctuations when the ship rocks can be explained by the formation of fluctuating interference of rays propagating from a vertically rocking source. In this case, the spectral and energy characteristics of the signal fluctuations depend on the overall conditions, which are characterized by the value of the coefficient K. According to this work, the coefficient K is written as K=2kσsinβ, where - wave number, f - signal frequency, C - sound speed, σ - sea state in meters, β - signal reception angle in the vertical plane, π - pi number. In terms more convenient for this application, the expression for K can be rewritten as: K=4πfσsinβ/C. The work shows that the value of the coefficient K divides the physical process of the formation of low-frequency fluctuations into two types. For values of K≤1, the results of observing the process of signal fluctuations can be identified with the process of ship rocking. In this case, the period of fluctuations corresponds to the rolling period of the ship, which makes it possible to determine the displacement. In this case, the maximum fluctuation power is achieved at K=1. For values of K>1, the spectrum of low-frequency signal fluctuations no longer corresponds to the spectrum of the pumping process, which makes determining the displacement impossible.

Указанное новое знание, полученное в работе [Консон А.Д., Волкова А.А. Модуляция шумового сигнала при качке корабля вследствие флуктуирующей интерференции лучей // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. - 2023. Т. 15. - №4. - С. 74-81], позволяет создать способ шумопеленгования, который будет адаптивно подстраиваться под текущие условия гидроакустического наблюдения для определения водоизмещения наилучшим образом. Для этого необходимо, чтобы совокупность значений параметров, входящих в выражение для коэффициента K, позволяла обеспечить значение коэффициента K оптимальным для последующего определения водоизмещения, то есть близким к единице, но не превышающим ее. В выражение K входят параметры: частота сигнала, волнение моря, угол приема сигнала и скорость звука. Параметр угол приема сигнала измеряется в процедуре ограничительной части формулы изобретения. Параметры волнение моря и скорость звука представляют собой текущие условия гидроакустического наблюдения, и могут быть измерены, для чего в способ введены соответствующие процедуры. Таким образом, параметры угол приема, волнение моря и скорость звука становятся фиксированными числами, которые нельзя изменить. Тогда для обеспечения оптимальности коэффициента K необходимо подобрать, а затем использовать при шумопеленговании последний параметр, входящий в выражение для K, а именно частоту сигнала. Для этого в способ введены процедура определения совокупности коэффициентов K для различных частот сигнала и процедура выбора одной частоты fopt, при которой коэффициент K становится оптимальным. Выбранная частота является частотой сигнала, оптимальной для дальнейшего определения водоизмещения надводного корабля в текущих условиях гидроакустического наблюдения. В связи с тем, что в шумопеленговании обработка ведется не для тонального, а для шумового сигнала, в способ введена процедура полосовой фильтрации со средней частотой полосы пропускания, равной выбранной частоте fopt. Таким образом, способ шумопеленгования подстраивается под оптимальное определение водоизмещения надводного корабля.The specified new knowledge obtained in the work [Konson A.D., Volkova A.A. Modulation of the noise signal when the ship rolls due to fluctuating interference of rays // Fundamental and Applied Hydrophysics. - 2023. T. 15. - No. 4. - P. 74-81], allows you to create a method of noise direction finding that will adaptively adapt to the current conditions of hydroacoustic observation to determine the displacement in the best possible way. To do this, it is necessary that the set of parameter values included in the expression for the coefficient K allows for the value of the coefficient K to be optimal for the subsequent determination of displacement, that is, close to unity, but not exceeding it. The expression K includes the following parameters: signal frequency, sea state, signal reception angle and sound speed. The signal reception angle parameter is measured in the procedure of the restrictive part of the claims. The parameters sea waves and sound speed represent the current conditions of hydroacoustic observation, and can be measured, for which appropriate procedures are introduced into the method. Thus, the parameters reception angle, sea state and sound speed become fixed numbers that cannot be changed. Then, to ensure the optimality of the coefficient K, it is necessary to select and then use in noise direction finding the last parameter included in the expression for K, namely the signal frequency. For this purpose, the method includes a procedure for determining a set of coefficients K for different signal frequencies and a procedure for selecting one frequency f opt at which the coefficient K becomes optimal. The selected frequency is the signal frequency that is optimal for further determining the displacement of a surface ship under current hydroacoustic surveillance conditions. Due to the fact that in noise direction finding processing is carried out not for a tonal signal, but for a noise signal, a band-pass filtering procedure with an average passband frequency equal to the selected frequency f opt is introduced into the method. Thus, the noise direction finding method is adjusted to the optimal determination of the surface ship’s displacement.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1, which shows a block diagram of a device that implements the proposed method.

Способ технически реализуется аппаратно-программными средствами по структурной схеме, приведенной на фиг. 1. Для реализации способа последовательно соединены: антенна 1, блок 2 аналого-цифрового преобразования (АЦП), полосовой фильтр 3, амплитудный детектор 4, низкочастотный фильтр 5, спектроанализатор 6, блок 7 определения водоизмещения. Кроме того, схема содержит блок 8 измерения волнения, блок 9 измерения скорости звука и блок 10 выбора частоты. Выходы блоков 8 и 9 подключены к первому и второму входам блока 10. К третьему входу блока 10 подключен второй выход блока 1, а выход блока 10 подключен ко второму входу блока 3.The method is technically implemented in hardware and software according to the block diagram shown in Fig. 1. To implement the method, the following are connected in series: antenna 1, analog-to-digital conversion (ADC) unit 2, bandpass filter 3, amplitude detector 4, low-frequency filter 5, spectrum analyzer 6, displacement determination unit 7. In addition, the circuit contains a wave measurement unit 8, a sound speed measurement unit 9, and a frequency selection unit 10. The outputs of blocks 8 and 9 are connected to the first and second inputs of block 10. The second output of block 1 is connected to the third input of block 10, and the output of block 10 is connected to the second input of block 3.

В динамике работы предлагаемый способ реализуется следующим образом. Предварительно в блоке 8 осуществляют измерение волнения моря, а в блоке 9 - измерение скорости звука в месте установки антенны. Измерение волнения σ может быть осуществлено с помощью технических средств, например погодных буев. Волнение измеряется либо в метрах, что требуется для реализации способа, либо в баллах. Перевод из баллов в метры осуществляется по девятибалльной шкале волнения [Справочник вахтенного офицера / Под ред. канд. военно-морских наук контр-адмирала А.П. Проничкина. М: Воениздат МО СССР, 1975]. Для измерения скорости звука С может быть использован один из приборов, описанных в [Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. СПб.: Наука. - 2003. - 357 с]. Измеренные значения величины волнения σ и скорости звука С поступают в блок 10 для использования в дальнейшей работе. При изменении волнения или места установки антенны осуществляют новое измерение волнения или скорости звука, и в блоке 10 уточненные значения заменяют предыдущие.In operational dynamics, the proposed method is implemented as follows. Previously, in block 8, the sea state is measured, and in block 9, the speed of sound is measured at the antenna installation site. Measurement of waves σ can be carried out using technical means, for example weather buoys. Excitement is measured either in meters, which is required to implement the method, or in points. Conversion from points to meters is carried out on a nine-point scale of excitement [Directory of the watch officer / Ed. Ph.D. Naval Sciences Rear Admiral A.P. Pronichkina. M: Military Publishing House of the USSR Ministry of Defense, 1975]. To measure the speed of sound C, one of the instruments described in [Komlyakov V.A. Shipborne means of measuring the speed of sound and modeling acoustic fields in the ocean. SPb.: Science. - 2003. - 357 p.]. The measured values of the wave magnitude σ and the speed of sound C are sent to block 10 for use in further work. When the waves or the installation location of the antenna change, a new measurement of the waves or speed of sound is carried out, and in block 10 the updated values replace the previous ones.

Шумовой сигнал объекта, принятый антенной 1, поступает в блок 2, где осуществляется его аналого-цифровое преобразование [Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - Рипол Классик, 1978]. Угол прихода сигнала в горизонтальной α и вертикальной β плоскостях определяется либо механическим поворотом антенны в пространстве, либо электрическим способом компенсации характеристики направленности [Колчеданцев А.С. Гидроакустические станции // Л.: Судостроение. - 1982. - Т. 237]. В любом случае, угол прихода сигнала в вертикальной плоскости β поступает в блок 10 выбора частоты. А сигнал в оцифрованном виде из блока 2 поступает в полосовой фильтр 3.The noise signal of the object, received by antenna 1, enters block 2, where its analog-to-digital conversion is carried out [Rabiner L., Gould B. Theory and application of digital signal processing. - Ripol Classic, 1978]. The angle of arrival of the signal in the horizontal α and vertical β planes is determined either by mechanical rotation of the antenna in space, or by electrical compensation of the directivity characteristics [Kolchedantsev A.S. Hydroacoustic stations // Leningrad: Shipbuilding. - 1982. - T. 237]. In any case, the angle of arrival of the signal in the vertical plane β enters the frequency selection block 10. And the signal in digitized form from block 2 enters bandpass filter 3.

В блоке 10 осуществляется расчет совокупности коэффициентов K(f)=4πfσsinβ/C для набора частот f в диапазоне от минимально возможного до максимально возможного значений, определяемых параметрами антенны. Известно [Бальян Р.Х., Батаногов Э.В., Богородский А.В. Терминологический словарь - справочник по гидроакустике // Л.: Судостроение. - 1989, Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн // Л.: Судостроение. - 1973. - Т. 278], что минимальная частота принимаемого сигнала определяется размером апертуры всей антенны, а максимальная частота - расстоянием между отдельными приемными элементами. Количество частот в наборе определяется опытным путем с учетом диапазона частот и вычислительных ресурсов. При расчете совокупности коэффициентов K(f), кроме математической константы π=3.14, используются:In block 10, the set of coefficients K(f)=4πfσsinβ/C is calculated for a set of frequencies f in the range from the minimum possible to the maximum possible values determined by the antenna parameters. It is known [Balyan R.Kh., Batanogov E.V., Bogorodsky A.V. Terminological dictionary - reference book on hydroacoustics // Leningrad: Shipbuilding. - 1989, Smaryshev M.D. Directivity of hydroacoustic antennas // Leningrad: Shipbuilding. - 1973. - T. 278], that the minimum frequency of the received signal is determined by the size of the aperture of the entire antenna, and the maximum frequency by the distance between the individual receiving elements. The number of frequencies in a set is determined empirically, taking into account the frequency range and computing resources. When calculating the set of coefficients K(f), in addition to the mathematical constant π=3.14, the following are used:

- величина волнения σ, измеренная в блоке 8;- wave magnitude σ, measured in block 8;

- скорость звука С, измеренная в блоке 9;- speed of sound C, measured in block 9;

- угол прихода сигнала в вертикальной плоскости β из блока 1.- angle of arrival of the signal in the vertical plane β from block 1.

Далее в блоке 10 выбирают одну частоту fopt из набора, для которой коэффициент K(f) принимает наибольшее значение из тех, которые не более единицы fopt=argmax{K(f)≤1}. Выбранное значение частоты поступает в полосовой фильтр 3.Next, in block 10, one frequency f opt is selected from the set for which the coefficient K(f) takes the largest value of those that are not more than one f opt =argmax{K(f)≤1}. The selected frequency value goes to bandpass filter 3.

В таблице приведен пример значений коэффициента K(f) для набора частот f при фиксированных значениях σ=1 м, β=3°, С=1500 м/с. The table shows an example of the values of the coefficient K(f) for a set of frequencies f at fixed values σ=1 m, β=3°, С=1500 m/s.

В данном случае в качестве fopt будет выбрана частота 2000 Гц, поскольку именно для этой частоты коэффициент K принимает максимальное значение, но не превышающее единицу.In this case, the frequency of 2000 Hz will be chosen as f opt , since it is for this frequency that the coefficient K takes its maximum value, but not exceeding one.

Полосовой фильтр 3 настраивает полосу своего пропускания на основании значения средней частоты fopt, поступившей из блока 10. Ширина полосы может быть выбрана равной одной октаве, когда конечная частота полосы превышает начальную в два раза, что обеспечивает хорошие показатели по помехоустойчивости [Волкова А.А., Консон А.Д., Никулин М.Н. Оценка расстояния до источника шумового сигнала методом «оптимальных частот» с использованием полосовых фильтров // Гидроакустика. - 2015. - №22. - С. 43-52]. Тогда начальная частота полосы пропускания определится как , а конечная частота - как . После настройки полосы пропускания в блоке 3 осуществляется полосовая фильтрация сигнала, поступившего из блока 2.Bandpass filter 3 adjusts its passband based on the value of the average frequency f opt received from block 10. The bandwidth can be selected equal to one octave when the final frequency of the band is twice the initial frequency, which provides good noise immunity [Volkova A.A. ., Konson A.D., Nikulin M.N. Estimating the distance to the source of a noise signal using the “optimal frequencies” method using bandpass filters // Hydroacoustics. - 2015. - No. 22. - P. 43-52]. Then the initial frequency of the passband is determined as , and the final frequency is as . After setting the bandwidth in block 3, bandpass filtering of the signal received from block 2 is carried out.

После полосовой фильтрации сигнал последовательно поступает в амплитудный детектор 4, низкочастотный фильтр 5 и спектроанализатор 6. В качестве детектора для выделения низкочастотных флуктуаций сигнала может выступать как квадратичный, так и линейный детектор [Харкевич А.А. Спектры и анализ. - 1962]. При низкочастотной фильтрации должна быть достигнута полоса анализа, в которой наблюдаются низкочастотные флуктуации сигнала, обусловленные качкой при волнении поверхности моря. Параметры такой полосы известны из [Машошин А.И. Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов // Акустический журнал. - 2013. - Т. 59. - №3. - С. 347-353]. В спектроанализаторе для оптимизации расчета используется процедура быстрого преобразования Фурье, с числом отсчетов, равным ближайшей степени двойки [Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - Рипол Классик, 1978]. Полученный спектр низкочастотных флуктуаций сигнала поступает из блока 6 в блок 7 для определения водоизмещения.After bandpass filtering, the signal sequentially enters the amplitude detector 4, low-pass filter 5 and spectrum analyzer 6. Both a quadratic and a linear detector can act as a detector for isolating low-frequency signal fluctuations [Kharkevich A.A. Spectra and analysis. - 1962]. With low-frequency filtering, an analysis band must be achieved in which low-frequency signal fluctuations caused by heaving during sea surface waves are observed. The parameters of such a band are known from [Mashoshin A.I. Optimization of a device for detecting and measuring parameters of amplitude modulation of underwater noise emission from sea vessels // Acoustic Journal. - 2013. - T. 59. - No. 3. - P. 347-353]. In the spectrum analyzer, to optimize the calculation, the fast Fourier transform procedure is used, with a number of samples equal to the nearest power of two [Rabiner L., Gould B. Theory and application of digital signal processing. - Ripol Classic, 1978]. The resulting spectrum of low-frequency signal fluctuations is sent from block 6 to block 7 to determine the displacement.

В блоке 7 осуществляется анализ полученного спектра согласно способу-прототипу, в результате чего определяются частота низкочастотной флуктуации сигнала и ее период. Далее по табличной зависимости водоизмещения от периода низкочастотной флуктуации сигнала определяют водоизмещение надводного корабля. Методика определения зависимости между водоизмещением надводного корабля и периодом его качки известна, например, из [Сизов В.Г. Теория корабля // Одесса: Феникс.- 2003.- Т. 5] (раздел 7.2.2 и, в частности, таблица 7.2 - Периоды качки судов различных типов). Период качки в свою очередь является величиной, обратной частоте флуктуаций сигнала [Бальян Р.Х., Батаногов Э.В., Богородский А.В. Терминологический словарь - справочник по гидроакустике // Л.: Судостроение. - 1989].In block 7, the resulting spectrum is analyzed according to the prototype method, as a result of which the frequency of low-frequency signal fluctuations and its period are determined. Next, using the tabular dependence of the displacement on the period of low-frequency signal fluctuations, the displacement of the surface ship is determined. The method for determining the relationship between the displacement of a surface ship and the period of its rolling is known, for example, from [Sizov V.G. Theory of the ship // Odessa: Phoenix. - 2003. - T. 5] (section 7.2.2 and, in particular, table 7.2 - Periods of rolling of ships of various types). The rolling period, in turn, is the reciprocal of the frequency of signal fluctuations [Balyan R.Kh., Batanogov E.V., Bogorodsky A.V. Terminological dictionary - reference book on hydroacoustics // Leningrad: Shipbuilding. - 1989].

Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной. Предложен способ шумопеленгования, который оперативно подстраивает частотную полосу фильтрации сигнала таким образом, чтобы дальнейшая обработка позволяла наилучшим образом определять водоизмещение надводного корабля в текущих условиях гидроакустического наблюдения.All of the above allows us to consider the problem of the invention solved. A method for noise direction finding is proposed, which quickly adjusts the signal filtering frequency band in such a way that further processing makes it possible to best determine the displacement of a surface ship under the current conditions of hydroacoustic surveillance.

Claims (1)

Способ шумопеленгования с определением водоизмещения надводного корабля, содержащий прием шумового сигнала надводного корабля гидроакустической антенной с горизонтального направления α и вертикального направления β в диапазоне частот от fmin до fmax, аналого-цифровое преобразование сигнала, детектирование, низкочастотную фильтрацию, вычисление спектра флуктуаций, обусловленных качкой, анализ спектра флуктуаций, определение водоизмещения надводного корабля, отличающийся тем, что измеряют волнение моря σ в метрах, измеряют скорость звука С в месте установки антенны, определяют совокупность коэффициентов K(f)=4πfσsinβ/C для набора частот f в диапазоне от fmin до fmax, при фиксированных параметрах σ, β, С, где σ - измеренное волнение моря, β - угол приема сигнала в вертикальной плоскости, С - измеренная скорость звука, π - число пи, выбирают одну частоту fopt из набора, для которой коэффициент K(f) принимает наибольшее значение из тех, которые не более единицы fopt=argmax{K(f)≤1}, а полосовую фильтрацию сигнала со средней частотой полосы пропускания, равной выбранной частоте fopt, осуществляют перед детектированием.A method for noise direction finding with determination of the displacement of a surface ship, containing the reception of a noise signal of a surface ship by a hydroacoustic antenna from the horizontal direction α and the vertical direction β in the frequency range from f min to f max , analog-to-digital signal conversion, detection, low-frequency filtering, calculation of the spectrum of fluctuations caused by pitching, analysis of the spectrum of fluctuations, determination of the displacement of a surface ship, characterized in that they measure the sea state σ in meters, measure the speed of sound C at the antenna installation site, determine the set of coefficients K(f) = 4πfσsinβ/C for a set of frequencies f in the range from f min to f max , with fixed parameters σ, β, C, where σ is the measured sea state, β is the signal reception angle in the vertical plane, C is the measured speed of sound, π is the number pi, select one frequency f opt from the set, for in which the coefficient K(f) takes the largest value of those that are not more than one f opt =argmax{K(f)≤1}, and bandpass filtering of the signal with the average frequency of the passband equal to the selected frequency f opt is carried out before detection.
RU2023108328A 2023-04-03 Method of noise direction finding with determination of displacement of surface ship RU2805137C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2805137C1 true RU2805137C1 (en) 2023-10-11

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK165526C (en) * 1983-06-23 1993-04-19 Atlas Elektronik Gmbh PROCEDURE FOR PASSIVE DETERMINATION OF TARGET DATA FOR A VESSEL OR VEHICLE
RU2546851C1 (en) * 2013-12-11 2015-04-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method of classification of hydroacoustic signals of sea object noise emission
RU2645013C1 (en) * 2016-11-15 2018-02-15 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of determining displacement of surface ship with its noise direction-finding
RU2694270C1 (en) * 2018-06-22 2019-07-11 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Device for determining displacement of a surface ship during its noise direction-finding
US20200107289A1 (en) * 2011-11-02 2020-04-02 Navin Systems Ltd. Generating and using a location fingerprinting map

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK165526C (en) * 1983-06-23 1993-04-19 Atlas Elektronik Gmbh PROCEDURE FOR PASSIVE DETERMINATION OF TARGET DATA FOR A VESSEL OR VEHICLE
US20200107289A1 (en) * 2011-11-02 2020-04-02 Navin Systems Ltd. Generating and using a location fingerprinting map
RU2546851C1 (en) * 2013-12-11 2015-04-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method of classification of hydroacoustic signals of sea object noise emission
RU2645013C1 (en) * 2016-11-15 2018-02-15 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of determining displacement of surface ship with its noise direction-finding
RU2694270C1 (en) * 2018-06-22 2019-07-11 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Device for determining displacement of a surface ship during its noise direction-finding

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108875685B (en) Underwater AUV detection method for self-adaptive matching stochastic resonance
Wang et al. Feature extraction of underwater target in auditory sensation area based on MFCC
RU2711406C1 (en) Method of classification of hydro acoustic signals of marine objects noise emission
CN104568113B (en) A kind of ocean acoustic propagation investigation automatic intercept method of blast wave based on model
RU2805137C1 (en) Method of noise direction finding with determination of displacement of surface ship
Goertz et al. Environmental source modelling to mitigate impact on marine life
CN113359207B (en) Terahertz radar-based sound-induced water surface micro-motion feature extraction method and device
Kim et al. Wet damping estimation of the scaled segmented hull model using the random decrement technique
CN114513262A (en) Underwater sound signal processing method based on underwater glider
RU2572052C2 (en) Method of detecting low-noise marine object
Chestnut et al. A sonar target recognition experiment
CN115015942B (en) Self-adaptive underwater target acoustic speed measurement device and method
Buck et al. A two‐hydrophone method of eliminating the effects of nonacoustic noise interference in measurements of infrasonic ambient noise levels
CN115932808A (en) Passive sonar intelligent detection method based on multi-feature fusion
RU2694270C1 (en) Device for determining displacement of a surface ship during its noise direction-finding
RU2616357C1 (en) Method for recording low noise marine object by using median filtering
Asolkar et al. Tropical littoral ambient noise probability density function model based on sea surface temperature
Liu et al. Acoustic spectrum and signature analysis on underwater radiated noise of a passenger ship target based on the measured data
Lazarev et al. Experimental investigation of potentialities of seismoacoustic sea-bottom sounding using coherent pulse signals
RU2713989C1 (en) Method of estimating the number of propeller blades of a noisy object in sea
RU2736188C1 (en) Hydroacoustic information displaying method
RU2719626C1 (en) Method for determining noise-generating object maneuver
Li et al. Variance bound of ACF estimation of one block of fGn with LRD
Wu Estimation of range and depth of a submerged moving object by using noise cepstrum
CN117331125B (en) Split beam data processing method and device, electronic equipment and medium