Способ направленного приема гидроакустических сигналов

 

Изобретение относится к области технической гидроакустики. Сущность: способ заключается в приеме акустических колебаний в N точках, расположенных на расстоянии d друг от друга на отрезке прямой длиной L=d(N-1), преобразовании акустических колебаний в электрические колебания, электрической компенсации колебаний по оси характеристики направленности в направлении отсчитываемого от центра отрезка прямой угла α_o введением временных задержек между электрическими колебаниями, преобразовании электрических колебаний, принятых в каждой паре точек 1 и i, на расстояниях d(i-1) друг от друга, во взаимные энергетические спектры G_1,i(f_n), выделении N-1 действительных составляющих взаимных энергетических спектров S_1,i(f_n) в n частотных точках с заданным разрешением Δf и их энергетическое суммирование на каждой из частот f_n. При этом перед преобразованием электрических колебаний, принятых в каждой паре точек 1 и во взаимные энергетические спектры, производят фильтрацию этих электрических колебаний в полосах Δf на каждой из средних частот спектрального анализа f ₁, f₂, ..., f_n при выборе этих полос из неравенства где С - скорость звука в воде, λ_B - длина волны на верхней частоте рабочего диапазона частот, N - число точек приема, ε_фл - флюктуационная составляющая при приеме сигнала, - заданное время усреднения по ансамблю реализации спектра при осуществлении взаимоспектрального анализа в реальном масштабе времени. Технический результат: повышение пространственной избирательности приема в полосах частот широкополосных случайных сигналов с использованием всех точек приема без потери информации за счет оптимизации разрешающей способности взаимного энергетического спектрального анализа. 2 ил.

Изобретение относится к области технической гидроакустики, а более конкретно, к области приема и пространственной обработки сигналов на низких звуковых и инфразвуковых частотах с помощью, например, линейных, в том числе и гибких протяженных буксируемых антенн (ГПБА), выполненных в виде дискретных эквидистантных антенных решеток.

Дискретные эквидистантные антенные решетки описаны, например, в книге: М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник. Л.: Судостроение, 1984 г., с.151. Эти антенны имеют направленность вида

где М - число точек приема;

β=kd(sinα-sinα₀);

k - волновое число;

α₀ - угол компенсации.

Совершенствование способов приема с использованием этих антенн является актуальной задачей.

Способ-аналог направленного приема гидроакустических сигналов описан в статье А.А.Гурвич, Н.М.Гусев, Г.В.Яковлев. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. Судостроение за рубежом, №10, Л.: Судостроение, 1984. Этот способ основан на приеме акустических колебаний в М точках, расположенных эквидистатно на расстояниях d друг от друга, равных половине длины волны на верхней частоте рабочего диапазона, на прямой, длиной L=d(М-1), преобразовании акустических колебаний в электрические колебания, введении временных задержек для компенсации в направлении α₀ и суммировании М задержанных колебаний.

Недостатком способа-аналога является малая помехоустойчивость при расширении полосы частот.

В качестве способа-прототипа выбрано авт.св-во №1840431 на способ направленного приема гидроакустических сигналов, основанный на приеме акустических колебаний в N точках, расположенных эквидистантно на расстояниях d друг от друга на отрезке прямой длиной L=d(N-1), преобразовании акустических колебаний в электрические колебания, введении временных задержек для электрической компенсации характеристики направленности в направлении α₀, отсчитываемом от акустического центра антенны и прямой, проходящей через N точек приема. Способ содержит суммирование и индикацию сигналов. При этом электрические колебания и принимаемые в каждой паре точек 1 и i, где i=2, 3, ..., N, после их преобразования в электрические колебания и задержек во времени, преобразуют путем взаимоспектральной обработки, выделяют N-1 действительных частей взаимного спектра S _1,i(f_n) с заданным разрешением Δf в n частотных точках, после чего производят энергетическое суммирование по каждой частоте из набора частот f _n, то есть формируют

Недостатком способа-прототипа по изобретению №1840431 является снижение пространственной избирательности при расширении полосы спектрального анализа.

Целью настоящего изобретения является повышение пространственной избирательности приема гидроакустических сигналов в полосах частот путем использования всех точек приема без потери информации за счет оптимизации разрешающей способности спектрального анализа.

Поставленная цель достигается за счет фильтрации при спектральном анализе принимаемых гидроакустических сигналов в полосах Δf на каждой из средних частот спектрального анализа, выбираемых из неравенства

где С - скорость звука в среде;

λ_B - длина волны на верхней частоте рабочего диапазона частот;

N - число точек приема;

- флюктуационная составляющая сигнала;

- заданное время усреднения по ансамблю реализации спектра.

Физически (как будет доказано в разделе подтверждения достигаемого эффекта в настоящей заявке на предлагаемое изобретение) фильтрация с таким выбором Δf обусловлена, с одной стороны, стремлением не терять информацию от всех N используемых точек приема, с другой стороны, невозможностью безграничного уменьшения Δf, что связано с повышением флюктуационной погрешности при ограниченности времени усреднения по ансамблю реализации T_общ из-за обнаружения движущихся целей.

Заявителю и авторам из технической и патентной литературы не известна такая совокупность операции. Это позволяет считать предлагаемый способ соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый в настоящем изобретении способ. Здесь: 1 - гибкая протяженная буксируемая антенна (ГПБА), выполнения в виде антенной эквидистантной решетки из N электроакустических приемников, 2 - система предварительной обработки сигналов, 3 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь, 4 - цифровые линии задержек, 5 - N-1 канальный анализатор взаимных спектров, 6 - сумматор действительных составляющих N-1 взаимного спектра и автосопроводитель, 7 - индикатор, 8 - регистратор, 9 - блок управления устройством.

На фиг.2 приведена блок-схема блока управления устройством 9. Здесь: 10 - генератор тактовых сигналов, 11, 12, 13, 14, 15 - соответственно первая, вторая, третья, четвертая, пятая линии задержек.

Устройство, реализующее способ (фиг.1), содержит последовательно-параллельно соединенные ГПБА из N электроакустических преобразователей-приемников 1, блок предварительной обработки сигнала 2, АЦПЗ, блок цифровых задержек 4, многоканальный анализатор взаимных спектров 5, сумматор действительных составляющих и автомат сопровождения 6, выход которого соединен с блоком цифровых задержек, индикатор 7 и регистратор 8. Также содержит блок управления 9, синхровыходы которого соединены с синхровходами блоков 3, 4, 5, 6, 7, 8.

Блок управления 9 содержит последовательно соединенные генератор тактовых сигналов 10, первой 11, второй 12, третьей 13, четвертой 14, пятой 15 линий задержек (ЛЗ), синхровыходы которых соединены соответственно с синхровходами блоков 3, 4, 5, 6, 7, 8.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В ГПБА акустические сигналы преобразуются в электрические сигналы, которые в блоке 2 отфильтровываются со срезом порядка 60 дБ на октаву фильтром нижних частот с граничной частотой f _B. Кроме того, фильтром верхних частот "отрезают" и частоты ниже f_H, то есть нижней частоты рабочего диапазона частот. Если фильтр нижних частот является обязательным для обеспечения неискаженного наложениями спектрального анализа, то фильтр верхних частот только желателен для отсечки низкочастотных помех. Далее производится операция "цифровизации" в блоке 3 и формирование задержек в блоке 4. После чего производится преобразование сигналов во взаимные спектры в блоке 5, суммирование действительных частей в блоке 6, индикация и регистрация в блоках 7 и 8. Блок управления 9 синхронизует работу блоков и задает такой работе устройства.

Таким образом, операции способа успешно реализуются.

Практическое исполнение блоков, входящих в устройство, известно из практики гидроакустики и подробно описано в статье А.А.Гурвич, Н.М.Гусев, Г.В.Яковлев. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. Судостроение за рубежом. №10 (214), 1984.

Оригинальным блоком, реализующим операции способа, является блок многоканального взаимного спектрального анализа 5. При Δf=11,8 Гц реальный масштаб времени соответствует

В настоящее время созданы спецпроцессоры, реализующие описанный в примере алгоритм спектрального анализа, вырабатывающие одну реализацию спектра на 128 частотных точек за 1,5 мс. Значит, такой процессор, работая в реальном масштабе времени, может обслужить 56 каналов, то есть антенну ГПБА с числом точек приема N=57. На практике больше не требуется.

Таким образом, пути реализации способа известны.

Теперь приведем подтверждение эффективности предложенного способа.

При цифровом спектральном анализе, использующем процедуру быстрого преобразования Фурье (БПФ), разрешающая способность спектрального анализа Δf не зависит от частоты. Причем выделяется L частотных точек f₁, f₂, ..., f_n. После взаимоспектрального анализа между 1 и i-ой точкой приема и выделения N-1 действительной части

где К - волновое число,

i=1, N-1.

Первая сумма характеризует прием сигнала. Вторая сумма представляет собой помеху на выходе тракта приема в предположении изотропного поля помех. Проинтегрируем в полосе Δω=2πΔf около каждой частотной точки

Предполагая столь малым, что на участке от 2πf_n+Δω/2 до 2πf_n-Δω/2 можно считать частотные функции неизменными, найдем

После интегрирования найдем

где - интегральный синус.

Так как (ω_n±Δω/2)id/С>1 при всех i и ω_n, то можно использовать асимптотическое выражение

Тогда энергетический спектр помех (вторая сумма) может быть переписана в виде

Для того, чтобы энергетический спектр сигнала

преобразовался в обычную направленность без снижения разрешающей способности, необходимо выбрать

при всех В противном случае при больших i будут "отсекаться" приемники с большими индексами i и как бы уменьшаться число точек приема. За счет этого пространственная разрешающая способность будет уменьшаться. Наиболее остро ситуация вырисовывается при больших i. Поэтому будем рассматривать

Как известно Sinx/x близок к единице при малых значениях аргумента x. (см. таблицу).

Из таблицы видно, что, выбрав значение аргумента х=π/6, величина функции sin x/x будет приблизительно равна 0,95, то есть при

значение функции

что позволяет воспользоваться соотношением (17). Это соответствует

Учитывая, что выбирается расстояние между точками приема

где λ_В - верхняя частота рабочего диапазона частот, окончательно запишем

В этом случае энергетический спектр сигнала при может быть записан в виде

и, окончательно, используя формулу 420.4 книги Г.Б.Двайт. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Физматгиз, 1983, с.61, найдем для энергетического спектра сигнала

Таким образом, при соответствующем (ранее указанном) выборе разрешающей способности Δf достаточно малой величины, удается сохранить пространственную избирательность на каждой частоте f_n соответствующей обычной направленности, то есть без ухудшения этой пространственной избирательности, характерной по способу основного изобретения. При этом на каждой точке f_n значение энергии электрического сигнала пропорционально полосе Δω, чувствительности γ₀ (f) приемников-преобразователей энергии и энегетическому спектру , снимаемому с приемников.

Теперь рассмотрим ситуацию с энергетическим спектром помех. Учитывая, что Δω/2<ω_n, можно

Используя малость Δω/2, разлагая в ряд и ограничиваясь первым членом ряда, приближенно можно записать

Предполагая, что обычно всегда наблюдается на практике для всех

окончательно запишем

или, выражая через К_nd=ω_nd/С, перепишем

Таким образом, спектр помех пропорционален также Δω, точке, относительной величине Δω/ω_n, спектру помех, снимаемого с приемников и чувствительности приемников в N точках приема.

С другой стороны, уменьшение Δf, то есть повышение разрешающей способности спектрального анализа, ограничено следующими обстоятельствами. Поскольку наблюдение осуществляется за перемещающимися объектами, в частности за подводными лодками, время усреднения T_общ ограничено некоторой заданной величиной T_общ. Кроме того, исходя из заданной вероятности ложных тревог при обнаружении, задаются флюктуационной составляющей , которая связана с числом накоплений Р согласно формуле (5),

Для систем, работающих в реальном масштабе времени, то есть без потери информации, одна реализация вырабатывается за время

значит

Так как задано и задано , то необходимо выбирать

Таким образом, основное условие способа по формуле (1) доказано.

Техническое преимущество сводится к отсутствию потери информации при приеме широкополосных случайных гидроакустических сигналов во всем рабочем диапазоне частот из-за возможного снижения пространственной избирательности приема при использовании недопустимо широких поддиапазонов частот, то есть при малой разрешающей способности спектрального анализа. В предложенном способе осуществлена оптимизация фильтрации сигналов в полосах частот путем построения операции приема с оптимальной разрешающей способностью.

Экономические преимущества расчету не поддаются.

Формула изобретения

Способ направленного приема гидроакустических сигналов, заключающийся в приеме акустических колебаний в N точках, расположенных на расстояниях d друг от друга на отрезке прямой длиной L=d(N-1), преобразовании акустических колебаний в электрические колебания, электрической компенсации колебаний по оси характеристики направленности в направлении отсчитываемого от центра отрезка прямой угла α_о введением временных задержек между электрическими колебаниями, преобразовании электрических колебаний, принятых в каждой паре точек 1 и i , на расстояниях d(i-1) друг от друга, во взаимные энергетические спектры G_1,i(f_n), выделении N-1 действительных составляющих взаимных энергетических спектров S_1,i(f_n) в n частотных точках с заданным разрешением Δf и их энергетическом суммировании на каждой из частот f_n, отличающийся тем, что, с целью повышения пространственной избирательности приема в полосах частот широкополосных случайных сигналов с использованием всех точек приема без потери информации за счет оптимизации разрешающей способности взаимного энергетического спектрального анализа, перед преобразованием электрических колебаний, принятых в каждой паре точек 1 и i во взаимные энергетические спектры, производят фильтрацию этих электрических колебаний в полосах Δf на каждой из средних частот спектрального анализа f ₁, f₂, ..., f_n при выборе этих полос из неравенства

,

где С - скорость звука в воде,

λ_B - длина волны на верхней частоте рабочего диапазона частот,

N - число точек приема,

ε_фл - флюктуационная составляющая при приеме сигнала,

- заданное время усреднения по ансамблю реализации спектра при осуществлении взаимоспектрального анализа в реальном масштабе времени.

РИСУНКИ