Способ обнаружения шумящих объектов

 

Изобретение относится к гидроакустике и технической акустике и может быть использовано при обнаружении шумящих объектов. В соответствии с предложением шум, излученный объектами, принимают двумя половинами антенны, разнесенными в пространстве, измеряют взаимный спектр между сигналами, принятыми этими половинами, измеряют вторичный спектр от измеренного взаимного спектра или автокорреляционную функцию, нормируют измеренную функцию к максимуму, измеряют ширину основного лепестка нормированной функции при ее уровнях от 0,1 до 0,8 от максимального значения с шагом 0,1, вычисляют отношение предыдущего измерения к последующему на каждом шаге, сравнивают полученные результаты с расчетными и при отличии измеренных значений от расчетных принимают решение о наличии нескольких целей на одном направлении, причем о количестве целей судят по числу шагов, имеющих это отличие. Это позволяет определить число шумящих объектов, находящихся на одном направлении. 3 ил.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для обнаружения шумящих объектов.

Известен метод разделения двух и более целей при локализации, когда эхосигналы различаются друг от друга при соблюдении определенного критерия разрешения, определяемых длительностью излучаемого импульса (Д.Бартон, Г.Барф "Справочник по радиолокационным измерениям" М., Сов. радио, 1976 г., стр. 148).

Условия разрешения можно существенно повысить при использовании сложных сигналов и согласованной обработки.

В этом случае разрешение эхосигналов от 2-х целей, принимаемых с одного направления, определяется полосой излучения сигналов (Ч.Кук, М.Берндфле "Радиолокационные сигналы" М., Сов. радио, 1975 г., стр. 167).

Однако методов определения числа шумящих целей, принимаемых с одного направления, в настоящее время неизвестно.

Известны способы, в которых по шумоизлучению проводят идентификацию шумоизлучающих объектов в пространстве.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, в соответствии с которым с помощью взаимнокорреляционной функции определяют значимость выбранного источника звука.

Звуковой сигнал принимают на два разнесенных в пространстве приемника, причем один из них располагают вблизи источника звука, а другой - в исследуемой точке пространства. Сигналы с выходов приемников подаются на коррелятор. После выделения максимумов взаимнокорреляционной функции они суммируются и по результату суммирования судят о значимости выбранного источника звука (А.К.Новиков "Корреляционные измерения в корабельной акустике" Л., Судостроение, 1971 г., стр. 158).

Это техническое решение содержит следующие операции: - измерение уровня сигнала источника звука на разнесенные приемники, причем один из них находится непосредственно у источника звука; - усиление измеренных сигналов в двух каналах; - измерение функции взаимной корреляции; - суммирование составляющих.

Этот способ, однако, не позволяет определить число источников звука на одном направлении.

Целью изобретения является обеспечение возможности определения числа шумящих источников, находящихся на одном направлении.

Для достижения поставленной цели в способ, содержащий прием сигнала шумоизлучения и спектральный анализ, введены новые операции, а именно: - прием сигнала на разнесенные в пространстве две половины одной антенны; - измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми этими половинами; - измерение вторичного спектра от измеренного взаимного спектра или автокорреляционной функции; - нормирование измеренной функции к максимуму; - измерение ширины основного лепестка вторичного спектра при ее уровнях от 0,1 до 0,8 от максимального значения с шагом 0,1;
- вычисление отношения предыдущего измерения к последующему на каждом шаге;
- сравнение полученных результатов с таблицей результатов, полученных таким же образом по главному лепестку функции
.

При современном уровне развития судоходства в Мировом Океане возросло количество зон с активным судоходством и задача разделения шумоизлучающих объектов становится чрезвычайно важной.

Если рассматривать процесс распространения акустического сигнала в Океане, то известно, что характер изменения потерь при распространении во многом зависит от гидрологических условий. Кроме того, известен закон спадания спектра шумоизлучения от расстояния. Ширина спектра связана однозначным соотношением с автокорреляционной функцией сигнала или со вторичным спектром сигнала.

Рассмотрим автокорреляционную функцию для случайного процесса. Она определяется следующим образом:
,
где
X(ω) - АКФ случайной функции x(t);
x(t) - реализация X(t).

Пусть сигнал поступает на два разнесенных приемника приемной антенны.

На каждый приемник поступают соответственно X₁(t) и X₂(t). Пусть считается спектр по каждому процессу с помощью преобразования Фурье
,
а взаимный энергетический спектр
ReWx₁x₂(ω) = X₁(ω)·X^*₂(ω) ,
где
ReWx₁x₂(ω) - взаимный энергетический спектр;
X^*₂(ω) - взаимносопряженная функция kX₂(ω) .

Считаем автокорреляционную функцию (АКФ) поступающего сигнала как обратное преобразование Фурье от взаимного энергического спектра
.

Обозначим: Wx₁x₂(ω) = W_o ввиду равномерности распределения случайных сигналов по полосе. Поставим соответствующие приемной полосе сигнала пределы интегрирования.

.

Отсюда нули АКФ, т.е. пересечение с абсциссой будут
,
где
n - 1, 2, 3... (n = 0 не подходит, т.к. знаменатель B(τ) обращается в 0).

Получим следующие точки пересечения (по положительной полуоси)
,
и вид корреляционной функции, показанной на фиг. 1.

Из приведенных формул видно, что график вторичного спектра или АКФ представляет собой частный случай функции
,
и ширина основного лепестка функции зависит от границ полосы сигнала, принимаемого антенной. Т. е. если полоса сигнала будет меньше исходной [ω_в, ω_п] , то лепесток расширится, т.к. точки пересечения с осью абсцисс у АКФ суть
.

Следовательно, при наличии на одном направлении нескольких шумящих источников, находящихся на различном расстоянии от приемной антенны, такой, что разность расстояния до источника оказывает влияние на полосу шумоизлучения, можно утверждать, что ширина АКФ, полученной от более удаленного источника будет шире, чем от ближнего, т.е. наблюдается обратная зависимость.

Известно, что площадь под АКФ есть величина постоянная, поэтому максимальную амплитуду будет иметь АКФ от источника с самым широким спектром, а минимальную амплитуду - с самым узким. При суммировании нескольких АКФ произойдет искажение исходной функции вида , принадлежащей источнику с самым широким спектром, находящимся на самом близком расстоянии.

Сигналы шумоизлучения от различных источников являются некогерентными, поэтому их обработка производится независимо как нескольких независимых процессов, и в этом случае АКФ будет иметь вид
,
где
Bx(τ) - АКФ, принимаемая с данного направления;
- АКФ от i-го источника на этом направлении.

На фиг. 2 представлена АКФ при i = 3 шумящих источниках.

Чтобы выделить из приведенной суммарной функции АКФ каждого источника, разобьем величину B(O) на ряд отрезков (пусть от 0,1 B(O) до 0,8 B(O) с шагом 0,1 В(0)), определим значение абсцисс для каждого полученного значения разбиения и возьмем отношение предыдущей величины к последующей, тем самым получим некоторую таблицу. Сравним табличные значения со значениями, полученными для функции
,
полученные тем же методом.

Сравнивая значения K_z и K_τ , можно судить, что полученная АКФ принадлежит одному источнику, если соответствующие значения не отличаются более чем на 10%. Если же на j - том шаге значение превысило 15%, то имеем АКФ от двух источников, если на к-том шаге вновь превышение более чем на 15%, то от трех целей и т.д.

На фиг. 1 изображена автокорреляционная функция одиночного шумового сигнала; на фиг. 2 - автокорреляционная функция двух шумовых сигналов, принимаемых с одного направления; на фиг. 3 - блок-схема устройства, реализующего данный способ.

Устройство содержит приемную гидроакустическую антенну, две половины которой 1 и 2 соединены с блоком измерения взаимного спектра 3, выход которого соединен со входом второго блока БПФ 4 и далее через блок нормирования 5 с блоком измерения максимума 6.

Блок 6 содержит восемь выходов, каждый из которых подсоединен к соответствующему блоку измерения ширины 7, отличающихся друг от друга уровнем измерения относительно максимального значения. Выходы двух рядом расположенных блоков 7 соединены со входами блока 8 измерителя отношений.

Измеренные значения отношений с выходов блоков 8 подаются на блок 10 - блок сравнения, на вторые входы которого подаются значения констант из блока 9, которые определяются исходной автокорреляционной функцией. Результаты сравнения из блока 10 подаются на вход блока 11 - блока принятия решения.

Пример. Сигналы, принимаемые с двух половин 1, 2 одной антенны, формирующей узкую характеристику направленности, подаются на блок 3 измерения взаимного спектра БПФ (быстрого преобразования Фурье) и далее на второй блок БПФ измерения вторичного спектра 4. На выходе блока 4 формируется временная функция R(τ) , определяемая полосой входного сигнала (см. фиг. 1 и фиг. 2). С выхода блока 4 сигнал подается на блок нормирования, в котором значения всех отсчетов суммарной функции
,
нормируются относительно максимального значения. С выхода блока измерения максимума 6 сигнал подается на блоки 7 измерения ширины функции на уровне 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 и далее на блоки 8 измерения отношений. На фиг. 2 показана суммарная функция двух сигналов шумоизлучения, принимаемых с одного направления. Видно, что на уровне 0,4 и 0,5 от максимума наблюдается скачок и отношение длительности порогового, т.е. имеется две цели на одном направлении. Измеренное значение отношений подается на блок сравнения 10, на второй вход которого заводятся значения констант из блока 9. Необходимость наличия констант определяется различной крутизной функции на выбранных уровнях (см. фиг. 1). Результат сравнения подается на блок 11 - принятия решения, который определяет число отношений, отличных от констант; и соответственно число целей.

Формула изобретения

Способ обнаружения шумящих объектов, включающий прием сигналов шумоизлучения антенной и спектральный анализ принятых сигналов, отличающийся тем, что производят прием сигналов двумя разнесенными в пространстве антеннами, измеряют взаимный спектр между сигналами, принятыми этими антеннами, измеряют вторичный спектр от измеренного взаимного спектра или автокорреляционную функцию, нормируют измеренные значения вторичного спектра или измеренную автокорреляционную функцию к максимуму, измеряют ширину основного лепестка нормированного вторичного спектра или нормированной автокорреляционной функции при их уровнях 0,1 - 0,8 максимального значения с шагом 0,1, вычисляют отношение предыдущего измерения к последующему на каждом шаге, сравнивают полученные результаты с расчетными и при отличии измеренных значении от расчетных принимают решение о наличии нескольких целей на одном направлении, причем о числе целей судят по числу шагов, имеющих это отличие.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3