RU2816481C1 - Method for determining depth of immersion of object noisy in sea - Google Patents

Method for determining depth of immersion of object noisy in sea Download PDF

Info

Publication number
RU2816481C1
RU2816481C1 RU2023112565A RU2023112565A RU2816481C1 RU 2816481 C1 RU2816481 C1 RU 2816481C1 RU 2023112565 A RU2023112565 A RU 2023112565A RU 2023112565 A RU2023112565 A RU 2023112565A RU 2816481 C1 RU2816481 C1 RU 2816481C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
depth
immersion
noisy
signal
sea
Prior art date
Application number
RU2023112565A
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 RU2816481C1 publication Critical patent/RU2816481C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: hydroacoustics.
SUBSTANCE: used in solving problems of processing noise signals in hydroacoustic systems, and serves to determine the depth of immersion of an object noisy in the sea. The result is achieved by proposing a method for determining the immersion depth of a noisy object in the sea, based on receiving a noise signal with a hydroacoustic antenna, measuring the angle of arrival of the signal in the vertical plane, calculating the autocorrelation function of the signal, followed by determining the time delay between paired beams, and determining the immersion depth of the noisy object based on an analysis of the delay and angle of arrival of the signal, and when implementing the method, the receiving antenna of the noise direction finder is lowered to a depth that obviously exceeds the maximum possible immersion depth of the noisy object.
EFFECT: fast determining the immersion depth of a noisy object.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, может быть использовано при решении задач обработки шумового сигнала в гидроакустических системах, и предназначено для определения глубины погружения шумящего в море объекта.The invention relates to the field of hydroacoustics, can be used in solving problems of processing noise signals in hydroacoustic systems, and is intended to determine the depth of immersion of an object noisy in the sea.

Известны способы [Корецкая А.С., Мельканович B.C. Патент РФ №2650830 от 17.04.2018. Устройство получения информации о шумящем в море объекте. МПК G01S 3/80, Зеленкова И.Д., Афанасьев А.Н., Корецкая А.С. Патент РФ №2740169 от 12.01.2021. Способ определения координат морской шумящей цели. МПК G01S 15/00], которые предназначены для определения дальности и глубины погружения шумящего в море объекта. Способы основаны на сравнении параметров принятого шумового сигнала с аналогичными параметрами, рассчитанными для совокупности гипотез о возможном месте объекта в узлах сетки по расстоянию и глубине для текущих гидролого-акустических условий. В первом способе в качестве сравниваемых параметров используются отношения сигнал/помеха в нескольких частотных диапазонах, а во втором - задержки по времени между моментами прихода двух лучей и совокупные интенсивности этих лучей. Решение о месте цели принимается по тому узлу сетки, для которого расчетно-прогнозируемые параметры сигнала совпадают с наблюдаемыми параметрами по заданному критерию похожести. Для получения расчетно-прогнозируемых параметров осуществляют прогнозный расчет лучевой структуры сигнала.Known methods [Koretskaya A.S., Melkanovich B.C. RF Patent No. 2650830 dated 04/17/2018. A device for obtaining information about an object making noise in the sea. IPC G01S 3/80, Zelenkova I.D., Afanasyev A.N., Koretskaya A.S. RF Patent No. 2740169 dated January 12, 2021. A method for determining the coordinates of a sea noise target. IPC G01S 15/00], which are designed to determine the range and depth of immersion of an object noisy in the sea. The methods are based on comparing the parameters of the received noise signal with similar parameters calculated for a set of hypotheses about the possible location of an object in grid nodes by distance and depth for current hydrological and acoustic conditions. In the first method, signal-to-interference ratios in several frequency ranges are used as compared parameters, and in the second method, time delays between the moments of arrival of two beams and the total intensities of these beams are used. The decision about the target location is made based on the grid node for which the calculated and predicted signal parameters coincide with the observed parameters according to a given similarity criterion. To obtain the calculated and predicted parameters, a predictive calculation of the beam structure of the signal is carried out.

Общим недостатком указанных способов являются большие вычислительные затраты, необходимые, как на первом этапе для формирования лучевой структуры сигнала для набора возможных положений шумящего объекта по сетке «расстояние-глубина», так и на втором этапе для сравнения параметров принятого сигнала с расчетно-прогнозируемыми параметрами по той же сетке «расстояние-глубина».A common disadvantage of these methods is the large computational costs required, both at the first stage for the formation of the beam structure of the signal for a set of possible positions of the noisy object on the distance-depth grid, and at the second stage for comparing the parameters of the received signal with the calculated and predicted parameters according to the same “distance-depth” grid.

С учетом того, что известны простые способы определения расстояния до шумящего объекта, например [Волкова А.А., Консон А.Д. Потенциальные возможности двухчастотного метода оценки расстояния // Гидроакустика. - 2009. - №9. - С. 43-51], было бы полезно иметь способ определения только глубины, реализуемый при малых вычислительных затратах.Taking into account the fact that simple methods are known for determining the distance to a noisy object, for example [Volkova A.A., Konson A.D. Potential capabilities of the two-frequency distance estimation method // Hydroacoustics. - 2009. - No. 9. - P. 43-51], it would be useful to have a method for determining only depth, implemented at low computational costs.

Наиболее близким аналогом по решаемой задаче и выполняемым процедурам к предлагаемому изобретению является способ [Корецкая А.С, Зеленкова И.Д. Патент РФ №2788341 от 17.01.2023. Способ локализации в пространстве шумящего в море объекта. МПК G01S 3/80].The closest analogue to the problem solved and the procedures performed to the proposed invention is the method [Koretskaya A.S., Zelenkova I.D. RF Patent No. 2788341 dated January 17, 2023. A method for localizing an object noisy in the sea in space. IPC G01S 3/80].

В указанном способе выполняются следующие основные операции:In this method, the following basic operations are performed:

измеряют скорость звука в воде в зависимости от глубины,measure the speed of sound in water depending on depth,

формируют таблицу зависимости задержек от глубины погружения шумящего в море объекта в текущих гидролого-акустических условиях, для чего формируют лучевую структуру сигнала на входе антенны для набора возможных положений шумящего объекта по сетке «расстояние-глубина», вычисляют для каждого возможного положения шумящего объекта из этого набора расчетную задержку по времени хода пары наиболее интенсивных лучей, пришедших на вход антенны под близкими углами, и объединяют расчетные задержки, полученные для совокупности расстояний на одной глубине, в единую ячейку таблицы путем формирования среднего значения,,form a table of the dependence of delays on the depth of immersion of a noisy object in the sea under current hydrological-acoustic conditions, for which a ray structure of the signal at the antenna input is formed for a set of possible positions of the noisy object on the “distance-depth” grid, calculated for each possible position of the noisy object from this set the calculated delay in the travel time of the pair of the most intense rays arriving at the antenna input at close angles, and combine the calculated delays obtained for a set of distances at the same depth into a single table cell by forming an average value,

осуществляют на выходе шумопеленгатора обнаружение широкополосного сигнала шумящего в море объекта,detect the broadband signal of a noisy object in the sea at the output of the noise direction finder,

измеряют автокорреляционную функцию сигнала,measure the autocorrelation function of the signal,

обнаруживают в ней наиболее интенсивный корреляционный максимум, исключая глобальный максимум в начале координат, и находят его абсциссу, представляющую собой измеренную задержку по времени хода пары лучей,detect the most intense correlation maximum in it, excluding the global maximum at the origin, and find its abscissa, which is the measured time delay of the pair of rays,

определяют глубину погружения шумящего в море объекта путем выбора той ячейки таблицы по глубине, которая соответствует ячейке расчетной задержки, наиболее близкой к измеренной задержке.determine the depth of immersion of an object noisy in the sea by selecting that cell of the table by depth that corresponds to the cell of the calculated delay that is closest to the measured delay.

Способ основан на физической зависимости задержки между временами хода лучей от глубины погружения шумящего объекта, и осуществляет определение глубины погружения объекта на основании анализа этой зависимости. В способе на первом этапе формируют лучевую структуру сигнала для набора возможных положений шумящего объекта по сетке «расстояние-глубина», а затем объединяют расчетные задержки, полученные для совокупности расстояний на одной глубине, в единую ячейку таблицы. Это позволяет уменьшить вычислительные затраты на втором этапе путем перебора только гипотез о глубине, без перебора гипотез о расстоянии. Однако большие вычислительные затраты первого этапа, связанные с формированием лучевой структуры сигнала, сохраняются. Необходимо отметить, что эти вычислительные затраты действительно являются большими, поскольку для формирования лучевой структуры сигнала предварительно необходимо для каждого луча, а их' может быть более 500, вышедшего из каждой точки сетки «дистанция-глубина», осуществлять так называемую протяжку, когда на основании текущих координат положения луча вычисляются и сохраняются его последующие координаты, другими словами, программным способом для каждого луча как бы рисуется его траектория.The method is based on the physical dependence of the delay between the travel times of the rays on the immersion depth of the noisy object, and determines the immersion depth of the object based on the analysis of this dependence. In the method, at the first stage, a beam structure of the signal is formed for a set of possible positions of the noisy object along the distance-depth grid, and then the calculated delays obtained for a set of distances at the same depth are combined into a single table cell. This makes it possible to reduce computational costs at the second stage by enumerating only hypotheses about depth, without enumerating hypotheses about distance. However, the large computational costs of the first stage associated with the formation of the beam structure of the signal remain. It should be noted that these computational costs are indeed large, since in order to form the ray structure of the signal, it is first necessary for each ray, and there can be more than 500 of them, emerging from each point of the “distance-depth” grid, to carry out the so-called broaching, when on the basis the current coordinates of the ray position are calculated and its subsequent coordinates are saved, in other words, in a programmatic way, for each ray its trajectory is drawn.

Задача изобретения - исключить вычислительные затраты, связанные с формированием лучевой структуры сигнала.The objective of the invention is to eliminate the computational costs associated with the formation of the beam structure of the signal.

Для решения поставленной задачи в способ определения глубины погружения шумящего в море объекта, в которомTo solve the problem, a method for determining the depth of immersion of an object noisy in the sea, in which

измеряют скорость звука в воде в зависимости от глубины С(х),measure the speed of sound in water depending on the depth C(x),

формируют набор гипотез о глубине погружения объекта Hi,form a set of hypotheses about the immersion depth of the object Hi ,

осуществляют на выходе шумопеленгатора обнаружение широкополосного сигнала шумящего в море объекта,detect the broadband signal of a noisy object in the sea at the output of the noise direction finder,

измеряют автокорреляционную функцию сигнала, обнаруживают в ней наиболее интенсивный корреляционный максимум, исключая глобальный максимум в начале координат, и находят его абсциссу, представляющую собой измеренную задержку Т по времени хода пары лучей,measure the autocorrelation function of the signal, find the most intense correlation maximum in it, excluding the global maximum at the origin, and find its abscissa, which is the measured delay T in the travel time of the pair of rays,

определяют глубину погружения шумящего в море объекта,determine the depth of immersion of an object noisy in the sea,

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

погружают приемную антенну шумопеленгатора на глубину h0, заведомо превышающую максимально возможную глубину погружения шумящего объекта,immerse the receiving antenna of the noise direction finder to a depth h0 , which obviously exceeds the maximum possible immersion depth of the noisy object,

измеряют угол прихода сигнала в вертикальной плоскости θ0,measure the angle of arrival of the signal in the vertical plane θ 0 ,

для каждой гипотезы о глубине погружения объекта Hi вычисляют критерий соответствия по формуле где Т - задержка по времени хода пары лучей, C(h0) - скорость звука на глубине шумопеленгатора, - угол выхода луча, соответствующий каждой гипотезе о глубине объекта, С(Hi) - скорость звука на глубине каждой гипотезы о глубине погружения объекта, θ0 - угол прихода сигнала,for each hypothesis about the immersion depth of the object H i, the compliance criterion is calculated using the formula where T is the time delay of a pair of beams, C(h 0 ) is the speed of sound at the depth of the direction finder, is the beam exit angle corresponding to each hypothesis about the depth of the object, C(H i ) is the speed of sound at the depth of each hypothesis about the depth of the object, θ 0 is the angle of arrival of the signal,

а глубину погружения шумящего в море объекта Н определяют путем выбора той гипотезы о глубине, для которой критерий соответствия принимает наименьшее значение and the immersion depth of a noisy object H in the sea is determined by choosing the hypothesis about the depth for which the compliance criterion takes the smallest value

Техническим результатом изобретения является значительное уменьшение вычислительных затрат, необходимых для определения глубины погружения шумящего объекта.The technical result of the invention is a significant reduction in the computational costs required to determine the immersion depth of a noisy object.

Технический результат достигается за счет того, что в способе взамен сложных процедур формирования лучевой структуры сигнала на входе антенны для большого набора возможных положений шумящего объекта по сетке «расстояние-глубина» используются простые аналитические зависимости, связывающие параметры сигнала в точке приема с параметрами в точке излучения. Покажем это.The technical result is achieved due to the fact that in the method, instead of complex procedures for forming the beam structure of the signal at the antenna input for a large set of possible positions of the noisy object along the distance-depth grid, simple analytical dependencies are used that connect the signal parameters at the receiving point with the parameters at the emission point . Let's show it.

Рассмотрим распространение звука в морской среде от источника сигнала (шумящего объекта) к приемнику (антенне шумопеленгатора). В горизонтальной плоскости звуковой сигнал распространяется прямолинейно, а в вертикальной плоскости - претерпевает рефракцию, то есть его путь искривляется. Это связано в морской среде с непостоянством скорости распространения звука на разных глубинах. В рамках лучевой теории [Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука. - 2007. - 370 с.] это объясняется через понятие лучевой трубки (или кратко луча). Под лучом понимают звуковой сигнал, выходящий из источника и проходящий на некотором удалении от него через произвольно малый контур. В рамках лучевой теории считают, что звуковая энергия «течет» по совокупности лучевых трубок (лучей), не пресекая их стенок. Из источника сигнала в сторону приемника выходит бесконечное множество лучей в вертикальной плоскости под углами от +90° вверх до -90° вниз относительно горизонтальной плоскости. Каждый из этих лучей распространяется по своей уникальной траектории, претерпевая полные внутренние отражения и (или) отражаясь от дна или поверхности.Let's consider the propagation of sound in the marine environment from the signal source (noisy object) to the receiver (noise direction finder antenna). In the horizontal plane, the sound signal propagates in a straight line, and in the vertical plane it undergoes refraction, that is, its path is curved. In the marine environment, this is due to the variability in the speed of sound propagation at different depths. Within the framework of ray theory [Brekhovskikh L.M., Lysanov Yu.P. Theoretical foundations of ocean acoustics. M.: Science. - 2007. - 370 pp.] this is explained through the concept of a ray tube (or briefly a beam). A beam is understood as an audio signal emerging from a source and passing at some distance from it through an arbitrarily small circuit. Within the framework of the ray theory, it is believed that sound energy “flows” through a set of ray tubes (rays) without intersecting their walls. An infinite number of rays emerge from the signal source towards the receiver in the vertical plane at angles from +90° up to -90° down relative to the horizontal plane. Each of these rays travels along its own unique path, undergoing total internal reflections and/or bouncing off the bottom or surface.

Несмотря на то, что из источника выходит бесконечное множество лучей, не все из них достигают приемника, находящегося в фиксированной точке по глубине и дальности. Многие из лучей теряют большую долю своей интенсивности при отражениях от поверхности и дна, а другие имеют такую траекторию, которая для фиксированного расстояния до приемника проходит ниже или выше глубины его погружения. Таким образом, одиночный источник и приемник, как фиксированные точки связывает между собой ограниченное количество лучей.Despite the fact that an infinite number of rays emerge from the source, not all of them reach the receiver, which is located at a fixed point in depth and range. Many of the rays lose a large proportion of their intensity when reflected from the surface and bottom, while others have a trajectory that, for a fixed distance to the receiver, passes below or above the depth of its immersion. Thus, a single source and receiver, as fixed points, connect a limited number of beams.

Каждый луч характеризуется своей уникальной траекторией и временем распространения звука вдоль луча. Лучи достигают антенны не одновременно, а с некоторой задержкой, равной разности между временами распространения звука вдоль отдельных лучей. Первым достигает антенны самый быстрый луч, затем второй, третий, и т.д. Определить полное время распространения звука по лучу путем анализа принятого сигнала не представляется возможным. Однако, анализ автокорреляционной функции сигнала позволяет определить задержки по времени между моментами прихода каждых двух лучей.Each beam is characterized by its own unique trajectory and time of sound propagation along the beam. The beams do not reach the antenna simultaneously, but with a certain delay equal to the difference between the times of sound propagation along the individual beams. The fastest beam reaches the antenna first, then the second, third, etc. It is not possible to determine the total time of sound propagation along the beam by analyzing the received signal. However, analysis of the autocorrelation function of the signal makes it possible to determine the time delays between the moments of arrival of each two rays.

В работе [Волкова А.А., Консон А.Д., Корецкая А.С.Пространственная локализация источника широкополосного сигнала по глубине погружения в условиях подводного звукового канала // Гидроакустика. - 2022. - №2. - С. 14-25] показано, что если опустить приемник на глубину, превышающую глубину погружения источника, то источник и приемник оказываются связанными между совой совокупностью пар лучей, обладающих следующими тремя свойствами:In the work [Volkova A.A., Konson A.D., Koretskaya A.S. Spatial localization of a broadband signal source by immersion depth under conditions of an underwater sound channel // Hydroacoustics. - 2022. - No. 2. - P. 14-25] it is shown that if the receiver is lowered to a depth exceeding the immersion depth of the source, then the source and receiver are connected between a set of pairs of rays that have the following three properties:

1) Из точки источника лучи пары выходят под углами, близкими по абсолютному значению, но противоположными по знаку.1) The rays of the pair emerge from the source point at angles that are close in absolute value, but opposite in sign.

2) К точке приемника лучи пары подходят с углами, близкими и по абсолютному значению и по знаку.2) The rays of the pair approach the receiver point with angles that are close both in absolute value and sign.

3) Для каждой из пар лучей выполняется соотношение:3) For each pair of rays the following relation is satisfied:

где Т - задержка по времени хода между лучами в паре,where T is the travel time delay between the beams in a pair,

C(h0) - скорость звука на глубине приемника,C(h 0 ) - speed of sound at the depth of the receiver,

Н - глубина источника,H - source depth,

А - абсолютное значение угла выхода лучей из источника, которое можно считать одинаковым для обоих лучей согласно первому свойству.A is the absolute value of the angle of exit of the rays from the source, which can be considered the same for both rays according to the first property.

Тогда, в левой части приведенного выше равенства имеем две величины, которые можно измерить в точке приема (задержка и скорость звука), а в правой части - две величины, которые являются неизвестными (глубина источника и угол луча в источнике). В связи с тем, что равенство содержит две неизвестные величины, авторам работы [Пространственная локализация источника…] не удалось получить аналитическое выражение для оценки глубины и предложить способ ее определения.Then, on the left side of the above equation we have two quantities that can be measured at the reception point (delay and speed of sound), and on the right side there are two quantities that are unknown (the depth of the source and the angle of the beam at the source). Due to the fact that the equality contains two unknown quantities, the authors of the work [Spatial localization of the source...] were unable to obtain an analytical expression for estimating the depth and propose a method for determining it.

Однако, зная зависимость скорости звука от глубины, и, измерив угол прихода сигнала в вертикальной плоскости, который, согласно второму свойству для пар лучей, является углом прихода смеси сигналов обоих лучей в паре, можно составить табличную зависимость между абсолютным значением угла выхода этих лучей из источника и глубиной погружения источника. То есть набору гипотез о глубине погружения объекта Hi можно поставить в соответствие набор углов выхода луча Ai. Соответствие пар гипотез Hi↔Ai означает, что если бы наблюдаемый источник сигнала находился на глубине Hi, то абсолютное значение угла выхода пары лучей из этого источника равнялось бы Ai.However, knowing the dependence of the speed of sound on depth, and having measured the angle of arrival of the signal in the vertical plane, which, according to the second property for pairs of rays, is the angle of arrival of the mixture of signals of both beams in the pair, it is possible to draw up a tabular relationship between the absolute value of the angle of exit of these rays from source and the immersion depth of the source. That is, a set of hypotheses about the immersion depth of an object H i can be associated with a set of beam exit angles A i . The correspondence of pairs of hypotheses H i ↔A i means that if the observed signal source was located at a depth Hi , then the absolute value of the exit angle of the pair of rays from this source would be equal to A i .

Для получения пар гипотез Hi↔Ai необходимо воспользоваться законом Снеллиуса [Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. Л.: Судостроение. 1988], согласно которому для любых двух точек вдоль траектории луча сохраняется соотношение:To obtain pairs of hypotheses H i ↔A i it is necessary to use Snell’s law [Burdik BC Analysis of hydroacoustic systems. L.: Shipbuilding. 1988], according to which for any two points along the ray trajectory the following relation is preserved:

где - угол луча и скорость звука на некоторой опорной глубине I,Where - beam angle and sound speed at a certain reference depth I,

θJ и CJ - угол луча и скорость звука на некоторой другой глубине J.θ J and C J are the beam angle and the speed of sound at some other depth J.

Важно, что указанное соотношение справедливо при любом расстоянии между источником и приемником, и расчеты по этому соотношению просты и не требуют выполнения процедур протяжки лучей и формирования лучевой структуры сигнала. Необходимо отметить, что зависимость скорости звука от глубины может меняться по трассе распространения сигнала, однако эти изменения существенно менее значительны, чем суточные или, тем более, сезонные изменения скорости звука [Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирование акустических полей в океане. СПб.: Наука. - 2003]. Поэтому измерение скорости звука в месте установки шумопеленгатора считается достаточным для работоспособности всех подобных способов, к которым относятся и способы-аналоги и способ-прототип.It is important that this relationship is valid for any distance between the source and the receiver, and calculations using this relationship are simple and do not require ray tracing procedures and the formation of the beam structure of the signal. It should be noted that the dependence of the speed of sound on depth can change along the signal propagation path, however, these changes are significantly less significant than daily or, especially, seasonal changes in the speed of sound [Komlyakov V.A. Shipborne means of measuring the speed of sound and modeling of acoustic fields in the ocean. SPb.: Science. - 2003]. Therefore, measuring the speed of sound at the installation site of the direction finder is considered sufficient for the operation of all similar methods, which include analogue methods and the prototype method.

Приняв за опорную глубину I - глубину погружения приемника (антенны шумопеленгатора) h0, и, зная зависимость скорости звука от глубины С(х), из выражения (2) можем легко получить пары взаимосвязанных величин: гипотеза о глубине погружения объекта Hi ↔ угол выхода луча Ai на этой глубине, где для полученияTaking the reference depth I as the immersion depth of the receiver (the direction finder antenna) h 0 , and knowing the dependence of the speed of sound on the depth C(x), from expression (2) we can easily obtain pairs of interrelated quantities: hypothesis about the immersion depth of the object H i ↔ angle output of the beam A i at this depth, where to obtain

каждого Л; можно записать:each L; can be written:

где С(Hi) - скорость звука на глубине гипотезы о глубине Hi,where C(H i ) is the speed of sound at the depth of the hypothesis about the depth Hi ,

θ0 - измеренный угол прихода сигнала,θ 0 - measured angle of arrival of the signal,

C(h0) - скорость звука на глубине антенны шумопеленгатора.C(h 0 ) is the speed of sound at the depth of the direction finder antenna.

Тогда, подставляя взаимосвязанные пары гипотез Hi↔Ai полученные на основании соотношения (3), в правую часть выражения (1) с фиксированными измеренными параметрами Т и C(h0) в левой части, необходимо добиться равенства левой и правой частей выражения (1). Глубина погружения шумящего в море объекта определится путем выбора гипотезы о глубине из той пары, для которой будет получено наилучшее совпадение в равенстве:Then, by substituting interconnected pairs of hypotheses H i ↔A i obtained on the basis of relation (3) into the right side of expression (1) with fixed measured parameters T and C(h 0 ) on the left side, it is necessary to achieve equality of the left and right sides of the expression ( 1). The depth of immersion of an object noisy in the sea will be determined by selecting a hypothesis about the depth from the pair for which the best match in equality will be obtained:

В предельном случае, когда одна из гипотез точно совпадет с глубиной погружения объекта, равенство (4) должно выполняться точно. Однако, в реальной ситуации набор гипотез о глубине погружения объекта формируется с некоторым шагом (достаточным для получения необходимой точности определения глубины), поэтому точного совпадения в равенстве может не быть. Определим критерий соответствия гипотезы и глубины погружения объекта в виде:In the limiting case, when one of the hypotheses exactly coincides with the immersion depth of the object, equality (4) must be satisfied exactly. However, in a real situation, a set of hypotheses about the immersion depth of an object is formed with a certain step (sufficient to obtain the necessary accuracy in determining the depth), so there may not be an exact match in the equality. Let us define the criterion for matching the hypothesis and the depth of immersion of the object in the form:

Тогда глубина погружения объекта может быть определена как та из гипотез Hi для которой критерий соответствия принимает наименьшее значение.Then the immersion depth of the object can be defined as that of the hypotheses H i for which the compliance criterion takes the smallest value.

Основа предлагаемого способа состоит в использовании простых аналитических соотношений (5) и (3), которые позволяют определять глубину погружения шумящего в море объекта без формирования лучевой структуры сигнала на входе антенны, что позволяет значительно уменьшить вычислительные затраты. Для возможности реализации этого в способ добавлены процедура измерения угла прихода сигнала в вертикальной плоскости, который входит в выражение (3), и процедура погружения приемной антенны шумопеленгатора на глубину, заведомо превышающую максимально возможную глубину погружения шумящего объекта, для создания условий, в которых выполняется соотношение (5). Физические основы определения глубины, связанные с наличием зависимости задержки между временами хода лучей от глубины погружения шумящего объекта, соответствуют физическим основам способа-прототипа.The basis of the proposed method is the use of simple analytical relations (5) and (3), which make it possible to determine the immersion depth of an object noisy in the sea without forming a beam structure of the signal at the antenna input, which can significantly reduce computational costs. To make this possible, the method includes a procedure for measuring the angle of arrival of the signal in the vertical plane, which is included in expression (3), and a procedure for immersing the receiving antenna of the noise direction finder to a depth that obviously exceeds the maximum possible immersion depth of the noisy object, to create conditions in which the relation is satisfied (5). The physical basis for determining the depth, associated with the presence of a dependence of the delay between the travel times of the rays on the immersion depth of the noisy object, corresponds to the physical basis of the prototype method.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображена укрупненная блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Структурная схема включает последовательно соединенные блоки: Антенна 1, блок 2 формирования характеристики направленности ФХН, блок 3 вычисления автокорреляционной функции сигнала (АКФ), блок 4 определения глубины погружения объекта (ГЛУБ). Выход блока 5 измерения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) соединен со вторым входом блока 4.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1, which shows an enlarged block diagram of a device that implements the proposed method. The block diagram includes series-connected blocks: Antenna 1, block 2 for forming the directional characteristic of the FCN, block 3 for calculating the autocorrelation function of the signal (ACF), block 4 for determining the depth of the object's immersion (DLUB). The output of block 5 for measuring the vertical distribution of sound speed (VRSD) is connected to the second input of block 4.

С помощью аппаратуры (фиг. 1) способ реализуется следующим образом.Using equipment (Fig. 1), the method is implemented as follows.

Антенну 1 опускают на глубину h0, заведомо превышающую максимально возможную глубину погружения шумящего объекта. При этом создаются условия для распространения звуковых лучей между источником (объектом) и приемником (антенной шумопеленгатора) парами, необходимыми для реализации способа. После опускания антенны 1 на нужную глубину, она принимает шумовой сигнал, который передается в блок 2.Antenna 1 is lowered to a depth h 0 , obviously exceeding the maximum possible immersion depth of the noisy object. In this case, conditions are created for the propagation of sound rays between the source (object) and the receiver (noise direction finder antenna) in pairs necessary for the implementation of the method. After antenna 1 is lowered to the desired depth, it receives a noise signal, which is transmitted to block 2.

В блоке 2 ФХН осуществляются процедуры формирования характеристик направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Из блока 2 в блок 3 АКФ поступает шумовой сигнал с измеренных горизонтального и вертикального 0О направлений. Устройство антенны и процедуры формирования характеристик направленности известны, например, из [Евтютов А.П., Колесников А.Е., Корепин Е.А. Справочник по гидроакустике // Л.: Судостроение. - 1988. - 552 с].In block 2 of the FCN, procedures for generating directional characteristics in the horizontal and vertical planes are carried out. From block 2 to block 3 of the ACF, a noise signal is received from the measured horizontal and vertical 0 O directions. The design of the antenna and the procedure for generating directional characteristics are known, for example, from [Evtyutov A.P., Kolesnikov A.E., Korepin E.A. Handbook on hydroacoustics // Leningrad: Shipbuilding. - 1988. - 552 p.].

В блоке 3 АКФ осуществляется вычисление автокорреляционной функции шумового сигнала [Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - Рипол Классик, 1978] и обнаружение наиболее интенсивного локального максимума, исключая глобальный максимум в начале координат, который образовывается за счет других физических процессов, и в данном случае, не представляет интереса. Обнаружение локального максимума может быть реализовано на основании алгоритма обнаружения аномальных выбросов случайного процесса [Тейлор Д. Введение в теорию ошибок: Пер. с англ. - Мир, 1985]. Далее фиксируют абсциссу локального максимума, которая представляет собой измеренную задержку Т по времени хода пары лучей.In block 3 of the ACF, the autocorrelation function of the noise signal is calculated [Rabiner L., Gould B. Theory and application of digital signal processing. - Ripol Classic, 1978] and the detection of the most intense local maximum, excluding the global maximum at the origin, which is formed due to other physical processes, and in this case, is not of interest. Detection of a local maximum can be implemented based on an algorithm for detecting anomalous outliers of a random process [Taylor D. Introduction to the theory of errors: Trans. from English - Mir, 1985]. Next, the abscissa of the local maximum is recorded, which represents the measured delay T over the travel time of the pair of rays.

В блоке 6 ВРСЗ измеряют скорость звука в воде в зависимости от глубины С(х). Гидроакустические измерители скорости звука в воде являются известными устройствами, они серийно выпускаются и устанавливаются совместно с гидроакустической аппаратурой [Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирование акустических полей в океане. СПб.: Наука. - 2003].In block 6 of the VRSZ, the speed of sound in water is measured depending on the depth C(x). Hydroacoustic sound speed meters in water are well-known devices; they are mass-produced and installed together with hydroacoustic equipment [Komlyakov V.A. Shipborne means of measuring the speed of sound and modeling of acoustic fields in the ocean. SPb.: Science. - 2003].

В блоке 4 ТАБ, куда поступают измеренный угол прихода сигнала в вертикальной плоскости θ0 из блока 2 и зависимость скорости звука от глубины С(h) из блока 6, формируют таблицу гипотез о глубине погружения объекта Hi в зависимости от угла выхода луча Ai. Для этого по формуле (2) для каждой гипотезы о глубине погружения объекта вычисляют соответствующий угол выхода луча: Количество гипотез и их значения выбирают на основании необходимой точности определения глубины погружения объекта.In block 4 TAB, which receives the measured angle of arrival of the signal in the vertical plane θ 0 from block 2 and the dependence of the speed of sound on depth C(h) from block 6, a table of hypotheses about the depth of the object's immersion Hi is formed depending on the beam exit angle A i . To do this, using formula (2), for each hypothesis about the depth of the object’s immersion, the corresponding beam exit angle is calculated: The number of hypotheses and their values are chosen based on the required accuracy in determining the immersion depth of the object.

В блоке 4 ГЛУБ, куда поступают: глубина антенны h0 из блока 1, измеренная задержка Т из блока 3, зависимость скорости звука от глубины С(х) из блока 5, определяют глубину погружения объекта. Для этого:In block 4 DEPTH, which receives: antenna depth h 0 from block 1, measured delay T from block 3, dependence of the speed of sound on depth C(x) from block 5, determine the immersion depth of the object. For this:

- формируют набор гипотез о глубине погружения объекта Hi - form a set of hypotheses about the immersion depth of the object H i

- для каждой гипотезы о глубине погружения объекта Hi вычисляют критерий соответствия по формуле где Т - задержка по времени хода пары лучей, C(h0) - скорость звука на глубине шумопеленгатора, - угол выхода луча, соответствующий каждой гипотезе о глубине объекта, С(Hi) - скорость звука на глубине каждой гипотезы о глубине погружения объекта, θ0 - угол прихода сигнала.- for each hypothesis about the immersion depth of the object H i, the compliance criterion is calculated using the formula where T is the time delay of a pair of beams, C(h 0 ) is the speed of sound at the depth of the direction finder, is the beam exit angle corresponding to each hypothesis about the depth of the object, C(H i ) is the speed of sound at the depth of each hypothesis about the depth of the object, θ 0 is the angle of arrival of the signal.

- в качестве глубины объекта выбирают гипотезу, для которой критерий соответствия принимает наименьшее значение - as the depth of the object, select the hypothesis for which the correspondence criterion takes the smallest value

Все формулы, которые применяются в способе, в совокупности используют не более десяти простых арифметических и стандартных тригонометрических операций, и требуют минимальных вычислительных затрат. Необходимая точность оценки глубины может быть достигнута при формировании набора гипотез о глубине погружения объекта, и в случае, если формирование произведено аналогично способу-прототипу, будет получена не ниже.All formulas that are used in the method collectively use no more than ten simple arithmetic and standard trigonometric operations and require minimal computational effort. The required accuracy of depth estimation can be achieved by forming a set of hypotheses about the depth of the object's immersion, and if the formation is carried out similarly to the prototype method, it will be obtained no lower.

Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной. Предложен способ, который может быть использован при решении задач обработки шумового сигнала в гидроакустических системах, и предназначен для определения глубины погружения шумящего в море объекта.All of the above allows us to consider the problem of the invention solved. A method is proposed that can be used to solve problems of processing noise signals in hydroacoustic systems, and is intended to determine the depth of immersion of a noisy object in the sea.

Claims (1)

Способ определения глубины погружения шумящего в море объекта, в котором измеряют скорость звука в воде в зависимости от глубины С(х), формируют набор гипотез о глубине погружения объекта Hi, осуществляют на выходе шумопеленгатора обнаружение широкополосного сигнала шумящего в море объекта, измеряют автокорреляционную функцию сигнала, обнаруживают в ней наиболее интенсивный корреляционный максимум, исключая глобальный максимум в начале координат, и находят его абсциссу, представляющую собой измеренную задержку Т по времени хода пары лучей, определяют глубину погружения шумящего в море объекта, отличающийся тем, что погружают приемную антенну шумопеленгатора на глубину h0, заведомо превышающую максимально возможную глубину погружения шумящего объекта, измеряют угол прихода сигнала в вертикальной плоскости θ0, для каждой гипотезы о глубине погружения объекта Hi вычисляют критерий соответствия по формуле где Т - задержка по времени хода пары лучей, C(h0) - скорость звука на глубине шумопеленгатора, - угол выхода луча, соответствующий каждой гипотезе о глубине объекта, С(Hi) - скорость звука на глубине каждой гипотезы о глубине погружения объекта, θ0 - угол прихода сигнала, а глубину погружения шумящего в море объекта Н определяют путем выбора той гипотезы о глубине, для которой критерий соответствия принимает наименьшее значение A method for determining the immersion depth of an object noisy in the sea, in which the speed of sound in water is measured depending on the depth C(x), a set of hypotheses about the immersion depth of the object Hi is formed, a broadband signal of an object noisy in the sea is detected at the output of the noise direction finder, and the autocorrelation function is measured signal, detect the most intense correlation maximum in it, excluding the global maximum at the origin, and find its abscissa, which is the measured delay T in the travel time of a pair of rays, determine the depth of immersion of an object noisy in the sea, characterized in that the receiving antenna of the direction finder is immersed in depth h 0 , which obviously exceeds the maximum possible immersion depth of the noisy object, the angle of arrival of the signal in the vertical plane θ 0 is measured, for each hypothesis about the immersion depth of the object Hi, the compliance criterion is calculated using the formula where T is the time delay of a pair of beams, C(h 0 ) is the speed of sound at the depth of the direction finder, is the beam exit angle corresponding to each hypothesis about the depth of the object, C(H i ) is the speed of sound at the depth of each hypothesis about the depth of the object’s immersion, θ 0 is the angle of arrival of the signal, and the immersion depth of the noisy object in the sea H is determined by choosing that hypothesis about depth for which the compliance criterion takes the smallest value
RU2023112565A 2023-05-15 Method for determining depth of immersion of object noisy in sea RU2816481C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2816481C1 true RU2816481C1 (en) 2024-03-29

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2078353C1 (en) * 1993-09-23 1997-04-27 Юрий Константинович Павлов Method of determination of diving depth of underwater object of known geometric dimensions
US7315488B2 (en) * 2006-06-06 2008-01-01 Raytheon Company Methods and systems for passive range and depth localization
RU2625041C1 (en) * 2016-06-01 2017-07-11 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for measuring object immersion depth
RU2650830C1 (en) * 2017-03-28 2018-04-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Device for obtaining information on noisy object in sea
RU2740169C1 (en) * 2020-07-23 2021-01-12 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of determining coordinates of a marine noisy target

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2078353C1 (en) * 1993-09-23 1997-04-27 Юрий Константинович Павлов Method of determination of diving depth of underwater object of known geometric dimensions
US7315488B2 (en) * 2006-06-06 2008-01-01 Raytheon Company Methods and systems for passive range and depth localization
RU2625041C1 (en) * 2016-06-01 2017-07-11 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for measuring object immersion depth
RU2650830C1 (en) * 2017-03-28 2018-04-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Device for obtaining information on noisy object in sea
RU2740169C1 (en) * 2020-07-23 2021-01-12 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of determining coordinates of a marine noisy target

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7315488B2 (en) Methods and systems for passive range and depth localization
RU2590933C1 (en) Device for obtaining information on noisy object in sea
Sun et al. High-rate underwater acoustic localization based on the decision tree
AU2010326314B2 (en) System and method for discriminating targets at the water surface from targets below the water surface
RU2711406C1 (en) Method of classification of hydro acoustic signals of marine objects noise emission
US8400875B2 (en) Active sonar system and active sonar method using a pulse sorting transform
RU2724115C1 (en) Method for automatic tracking of a mobile target when smoothing in cartesian coordinates taking into account radial velocity component measurements
RU2208811C2 (en) Procedure to obtain information on noisy objects in sea
RU2724962C1 (en) Method of determining coordinates of a marine noisy target
RU2816481C1 (en) Method for determining depth of immersion of object noisy in sea
RU2703804C1 (en) Method of classifying marine objects with passive hydroacoustic means
KR101480834B1 (en) Target motion analysis method using target classification and ray tracing of underwater sound energy
Gong et al. Passive underwater event and object detection based on time difference of arrival
RU117018U1 (en) NAVIGATING HYDROACOUSTIC STATION
RU2788341C1 (en) Method for localization in the space of a noise-producing object in the sea
RU2803528C1 (en) Method for obtaining information about an underwater noise emitting object
RU2660292C1 (en) Method for determining object immersion depth
RU2798416C1 (en) Methods for determining coordinates of a sea target emitting noise
RU2798390C1 (en) Method for passive determination of coordinates of a noise-generating object
RU2812119C1 (en) Methods for determining coordinates of sea target emitting noise
RU2558003C1 (en) Fish searching and counting device
CN111337881B (en) Underwater target detection method utilizing propeller noise
RU2782619C1 (en) Method for determining the distance to a surface ship in conditions of far zones of acoustic illumination
Sturm et al. Time-frequency features of 3-D sound propagation in wedge-shaped oceanic waveguides
RU126146U1 (en) MULTI-BEAM Echo Sounder