Способ измерения дистанции до шумящего объекта
Владельцы патента RU 2550576:
Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" (RU)
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке систем определения координат по данным тракта шумопеленгования гидроакустических комплексов. Способ содержит прием гидроакустического шумового сигнала гидроакустической антенной, сопровождение цели в режиме шумопеленгования, спектральный анализ гидроакустического шумового сигнала в широкой полосе частот, определение дистанции до цели, прием гидроакустического шумового сигнала производят половинами гидроакустической антенны, измеряют взаимный спектр между гидроакустическими шумовыми сигналами, принятыми половинами гидроакустической антенны; измеряют автокорреляционную функцию этого взаимного спектра (АКФ); измеряют несущую частоту автокорреляционной функции Fизм, измеряют разность между измеренной несущей частотой и эталонной несущей частотой сигнала шумоизлучения цели Fэталон, измеренной на малой дистанции (Fэталон-Fизм), а дистанцию до цели определяют по формуле Д=(Fэталон-Fизм)K, где K коэффициент пропорциональности, который вычисляется как отношение изменения несущей частоты автокорреляционной функции на единицу расстояния при определении эталонной частоты. 1 ил.
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке систем определения координат для гидроакустических комплексов.
Известны пассивные методы определения дистанции по составу спектра принимаемого сигнала (Спицин Е.И., Проскурякова Т.В. Способ наименьших квадратов в спектральном методе определения дистанции при однолучевом приеме // Вопросы кораблестроения. Сер. Акустика. ЦНИИ «Румб», 1977 г., Вып.8; Исак В.А. Измерение дистанции пассивными методами // Морской сборник, 1987 г., №5, стр.68-70; Демиденко В.А. Частотный метод оценки расстояния и его эффективность при работе ГАС в пассивном режиме // Гидроакустика, 1993 г., Вып 1, стр.3-16) Для оценки дистанции спектральные методы используют в качестве физической основы зависимость степени затухания интенсивности звука от частоты при распространении в водной среде.
Известен способ, в котором в качестве параметра для оценки дистанции используют закон спада (наклон) спектра сигнала в точке приема (Демиденко В.А., Перельмутер Ю.С. Спектральный метод оценки дистанции // Гидроакустика,2006 г.,Вып.6, стр.51-59).
Этот способ предполагает сопровождение объекта в режиме шумопеленгования, преобразование принятого аналогового сигнала в цифровой, цифровой спектральный анализ сигнала в широкой полосе частот, измерение спада спектра сигнала в точке приема, определение дистанции до объекта по результатам этого измерения с учетом априорных знаний параметров формы спектра сигнала, излучаемого объектом, и величины пространственного затухания в морской среде. Этот способ наиболее близок к предлагаемому изобретению и поэтому выбран в качестве прототипа.
При работе в реальных условиях границы спектра при распространении размываются случайным образом из-за влияния мешающего судоходства и собственного шумоизлучения носителя. В этой ситуации неизвестно, что сказывается на изменении закона спада спектра: внешняя среда, собственное шумоизлучение при движении антенны, наличие нескольких целей на одном направлении или процедура нормирования и центрирования. Процедуры нормирования и центрирования, принятые при цифровой обработке для формирования единого массива данных, используют оценки уровня помехи, действующие на момент измерения. Если процесс на входе нормальный и стационарный, то это не оказывает существенного влияния на результат измерения спектра во времени. В нашей ситуации уровень помехи на входе меняется случайным образом, поэтому результат спектрального анализа формируется в зависимости от уровня помехи на входе. Все это приводит к ошибочной и недостоверной оценке дистанции.
Таким образом, недостатком способа прототипа, как и других приведенных выше способов, является недостоверность оценки дистанции виду сложности оценки границ спектра, принадлежащего сигналу шумоизлучения.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности определения оценки дистанции до шумящего в море объекта и снижение времени на получении оценки дистанции.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный способ, содержащий прием гидроакустического шумового сигнала цели гидроакустической антенной, преобразование принятого аналогового сигнала в цифровой, сопровождение объекта в режиме шумопеленгования, спектральный анализ гидроакустического шумового сигнала цели в широкой полосе частот, определение дистанции до цели, дополнительно введены новые операции, а именно: прием гидроакустического шумового сигнала производят половинами гидроакустической антенны, измеряют взаимный спектр между гидроакустическими шумовыми сигналами, принятыми половинами гидроакустической антенны; классифицируют объект, измеряют автокорреляционную функцию (АКФ) этого взаимного спектра; измеряют несущую частоту автокорреляционной функции Fизм, измеряют разность между измеренной несущей частотой и Fэталон эталонной несущей частотой автокорреляционной функции сигнала шумоизлучения объекта, полученной на малой известной дистанции (Fэталон-Fизм), а дистанцию до объекта определяют по формуле: Д=(Fэталон-Fизм)/K, где K - коэффициент пропорциональности, который вычисляют как отношение изменения несущей частоты автокорреляционной функции на единицу расстояния при определении эталонной частоты объекта принятого класса.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
Известно соотношение, которое определяет давление в точке приема (А.П. Евтютов, В.Б. Митько. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л.: Судостроение, 1981 г., стр.106).
,
где Р0 - приведенная шумность принятого гидроакустического шумового сигнала цели объекта шумоизлучения;
r - расстояние до объекта шумоизлучения;
Δf - полоса принятого гидроакустического шумового сигнала объекта шумоизлучения,
- закон спада спектральной плотности принятого гидроакустического шумового сигнала объекта шумоизлучения, где f01 - эталонная частота, равная 1 кГц; fc - частота принятого гидроакустического шумового сигнала объекта шумоизлучения; n - показатель спада спектральной плотности;
β - коэффициент затухания при распространении, β=0.036f3/2.
В зависимости от вида спада спектра и от класса объекта значения коэффициента n могут изменяться от -к до +к. Если спектр спадает с ростом частоты, то к>0. Если спектр растет с ростом частоты, то к<0. Если к=0, то спектр равномерный. В зависимости от дистанции границы спектра могут изменяться. При этом средняя частота спектра шумоизлучения принятого гидроакустического шумового сигнала объекта определяется верхней и нижней границами принятого спектра и характером его спада в этих границах. Если характер спектра спадающий и K>0, то высокочастотные составляющие исходного спектра шумоизлучения при сферическом расширении затухают быстрее низкочастотных и поэтому верхняя частота границы спектра шумоизлучения принятого гидроакустического шумового сигнала объекта при распространении затухает быстрее, чем нижняя граничная частота, что приводит к изменению средней частоты принятого спектра. Таким образом, средняя частота принятого спектра гидроакустического шумового сигнала объекта будет зависеть от сферического расширения фронта волны r2 и от частотного затухания 10-0.1β·r, которое также зависит от дистанции. (B.C. Бурдик. Анализ гидроакустических систем. Л.: Судостроение, 1988 г., стр.111-133).
Если сигнал шумоизлучения принимается двумя половинами одной антенны, то для сигналов X1(t) и X2(t), можно записать:
и
, где 
- взаимный энергетический спектр шумоизлучения входных процессов, принятых сигналов двумя половинами антенны. Полученный взаимный энергетический спектр можно подвергнуть еще раз преобразованию Фурье, тогда в результате будет получена автокорреляционная функция или вторичный спектр.
где ωв - верхняя граничная частота принятого спектра шумоизлучения;
ωн - нижняя граничная частота принятого спектра шумоизлучения. (Дж. Бендат, А. Пирсол. Применения корреляционного и спектрального анализа. Пер. с англ. М.: Мир, 1983, стр.71).
Аргумент функции 
определяет несущую частоту автокорреляционной функции, которая является средней частотой спектра принятого сигнала шумоизлучения и соответствует конкретной дистанции. Кроме того, эти частоты когерентны, т.е. связаны определенными фазовыми соотношениями с объектом шумоизлучения и принадлежат только этому конкретному объекту. Затухание верхней частоты спектра шумоизлучения, связанное с распространением, будет сказываться именно на этом спектре, и именно этот спектр будет искажаться при распространении. Поэтому несущая автокорреляционной функции определяет среднюю частоту принятого процесса шумоизлучения именно этого объекта, и она не зависит от мешающего действия помехи, поскольку случайная и широкополосная помеха, действующая в точке приема, не когерентна и ее составляющие не имеют фазовых связей.
Сравнивая измеренное значение несущей частоты с эталонной частотой, которая определяется исходной полосой шумоизлучения объекта на малой дистанции, Fэталон-Fизм, можно вынести решение о дистанции до объекта известного класса, который характеризуется своим видом спектра. Для этого необходимо измерить эталонную несущую частоту автокорреляционной функции на малой дистанции (например 1 км), несущую частоту автокорреляционной функции на большой дистанции (например 100 км) и определить калибровочный коэффициент К, который характеризуется тем, как изменяется ширина полосы сигнала шумоизлучения известного класса и, соответственно, средняя частота принятого спектра шумоизлучения от дистанции. Предположим, что на дистанции 1 км, спектр принятого шумоизлучения находится в диапазоне от 0,5 кГц до 5 кГц и принятая средняя частота сигнала (несущая частота автокорреляционной функции) равна 2750 Гц. На дистанции 100 км полоса принятого сигнала находится в диапазоне от 0,5 кГц до 1,5 кГц, а средняя частота (несущая частота автокорреляционной функции) равна 1000 Гц. Таким образом, коэффициент K=1750 Гц/100 или 17,5 Гц на 1 км. Если в процессе последующих измерений будет получена средняя частота принятого сигнала (несущая частота автокорреляционной функции), равная 1550 Гц, то дистанция будет равна (2750-1550)47,5=71,4 км.
Таким образом, измеряя отличие измеренного значения несущей частоты автокорреляционной функции принятого спектра шумоизлучения объекта известного класса от эталонного, можно определить дистанцию до объекта шумоизлучения. Достоинство этого способа заключается в том, что нет необходимости измерять верхнюю частоту спектра, нижнюю частоту спектра принятого сигнала шумоизлучения объекта на фоне помехи в точке приема, потом определять среднюю частоту. Средняя частота определяется автоматически как несущая частота автокорреляционной функции.
На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способ. Антенна 1 двусторонней связью через блок 2 предварительной обработки и формирования характеристик направленности соединена с блоком 3 БПФ измерения взаимного спектра и классификации. Блок 4 вычисления автокорреляционной функции через блок 5 БПФ измерения несущей частоты заполнения автокорреляционной функции соединен с блоком 8 измерения разности между измеренной несущей частотой автокорреляционной функции и эталонной частотой, а блок 7 определения дистанции до измеренного объекта шумоизлучения соединен с индикатором 6. Блок 9 эталонных исходных данных соединен со вторым входом блока 8, а второй выход блока 5 измерения несущей частоты соединен со вторым входом индикатора 6.
Предложенный способ целесообразно проиллюстрировать на примере работы реализующего его устройства, приведенного на чертеже.
Шумовой сигнал принимается половинами антенны 1, передается в блок 2, в котором происходит предварительная обработка принятых сигналов каждой из половин антенны, преобразование аналогового сигнала в цифровой вид и формирование пространственного канала характеристики направленности. С выхода блока 2 сигнал шумоизлучения поступает в блок 3 БПФ, где измеряется взаимный спектр принятого шумового сигнала двумя половинами антенны без нормирования и центрирования и производится классификация объекта по спектральным признакам, которые передаются в блок 4 определения автокорреляционной функции. Измерение спектра и определение автокорреляционной функции является известными операциями, которые используются в современных цифровых процессорах для обработки сигналов в реальном масштабе времени (Дж. Бендат, А. Пирсол. Применения корреляционного и спектрального анализа. Пер. с англ. М.: Мир, 1983, стр.71). Классификация с использованием спектральных признаков является известной операцией и достаточно подробно изложена в книге Л.Л. Мясников, Е.Н. Мясников. Автоматическое распознавание звуковых образов. Л.: Энергия, 1970 г. Антенна, приемное устройство, предварительная обработка принятых сигналов и формирование пространственного канала характеристики направленности являются известными устройствами, которые достаточно подробно рассмотрены в книге B.C. Бурдик. Анализ гидроакустических систем. Судостроение, 1988 г., стр.347. Блоки 5, 7, 8, 9, могут быть реализованы в цифровых процессорах с использованием стандартных программ или процедур программирования вычислительных систем. Принципы цифрового преобразование и обработки достаточно подробно приведены в работе («Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма. М.: Мир, 1980 г., стр.389-436) При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса.
(Применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1980 г., стр.296) В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную обработку и обнаружение сигнала, а также измерение спектров сигнала шумоизлучения, автокорреляционную обработку и процедуры анализа спектров. Вопросы реализации спецпроцессоров достаточно подробно рассмотрены в книге Ю.А.Корякин, С.А.Смирнов, Г.В.Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт-Петербург «Наука»2004 г. стр.281. Измеренная оценка дистанции отображается на дисплее индикатора 6, куда поступает и сам вид несущей автокорреляционной функции. Вычисление значения несущей частоты автокорреляционной функции не вызывает существенных затруднений и может производиться последовательно с вычислениями спектральных и корреляционных оценок в процессе обработки сигналов обнаружения и измерения параметров, что существенно сокращает время получения оценки дистанции. Можно проградуировать шкалу дистанции в значениях частоты несущей автокорреляционной функции и отображать оценку дистанции в процессе работы в автоматическом режиме, что практически исключено в прототипе.
Способ измерения дистанции до шумящего объекта, содержащий прием гидроакустического шумового сигнала цели гидроакустической антенной, преобразование принятого аналогового сигнала в цифровой, сопровождение объекта в режиме шумопеленгования, спектральный анализ гидроакустического шумового сигнала цели в широкой полосе частот, определение дистанции до цели, отличающийся тем, что прием гидроакустического шумового сигнала производят половинами гидроакустической антенны, измеряют взаимный спектр между гидроакустическими шумовыми сигналами, принятыми половинами гидроакустической антенны; классифицируют объект, измеряют автокорреляционную функцию (АКФ) этого взаимного спектра; измеряют несущую частоту автокорреляционной функции Fизм, измеряют разность между измеренной несущей частотой и эталонной несущей частотой автокорреляционной функции сигнала шумоизлучения объекта Fэталон, полученной на малой известной дистанции (Fэталон-Fизм), а дистанцию до объекта определяют по формуле Д=(Fэталон-Fизм)/K, где K - коэффициент пропорциональности, который вычисляют как отношение изменения несущей частоты автокорреляционной функции на единицу расстояния при определении эталонной частоты объекта принятого класса.
