Способ обнаружения шумящих в море объектов

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования гидроакустических станций. Способ содержит следующие операции. Принимают шумовые сигналы статическим веером характеристик направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, осуществляют частотно-временную обработку в каждом пространственном канале наблюдения, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе, осуществляют наблюдение на текущем цикле обзора принятых нормированных сигналов и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха. Способ отличается тем, что на каждом цикле обзора осуществляют наблюдение сигналов путем формирования составляющих вектора потока мощности в плоскости волны сигнала, при этом осуществляют преобразование частотных отсчетов поля акустического давления в пространственных каналах наблюдения в частотные отсчеты составляющих вектора акустической колебательной скорости в плоскости волны сигнала, и формирования радиальной составляющей вектора потока мощности в радиальном направлении по нормали к плоскости волны сигнала. Способ отличается также тем, что на каждом цикле обзора формируют адаптивные пространственные каналы наблюдения составляющих вектора потока мощности, каждый из которых образован по крайней мере тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной плоскости. Способ основан на том, что корреляционная матрица шумовых сигналов полученного адаптивного пространственного канала наблюдения может быть сокращена до размеров пространства сигналов. Способ повышает достоверность обнаружения, реализует заданное время накопления и позволяет длительно поддерживать акустический контакт с шумящей движущейся в море целью путем учета гидроакустических условий наблюдения шумящих объектов и более полной селекции шумовых сигналов в аддитивной смеси направленных шумовых помех по углу в вертикальной или горизонтальной плоскостях. 2 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования гидроакустических станций.

Известен способ обнаружения пространственно-временных шумовых сигналов, основанный на многоканальном по пространству полностью адаптивном приеме шумовых сигналов и адаптивном подавлении шумов помех с использованием оценки коэффициентов корреляции акустических помех, см. В.А. Лазуткин. Статистические методы обработки гидроакустических сигналов. Киев: Наукова думка. 1987. Гл. 1, р. 2, 3; В.Н. Фомин. Рекуррентное оценивание и адаптивная фильтрация. М.: Наука, 1984. с. 87-88; A.M. Vural, Effects of perturbations on the performance of optimum/adaptive array // IEEE Transactions, 1979, vol. AES-15, #1, p. 76-87. Одним из главных недостатков этого способа является то, что в некоторых случаях сложность практической реализации может препятствовать применению полностью адаптивной системы или просто не возникает надобность в таких характеристиках, которые она может обеспечить.

Известно упрощение этого способа обнаружения. Способ может быть упрощен при использовании оценки положения фронта волны (интенсивных направленных шумовых помех) и обработки либо в пространстве элементов гидроакустической антенны либо в пространственных каналах в, так называемых, системах с частично заданной структурой, см. «Подводная акустика и обработка сигналов» под ред. Л. Бьерне, М.: Мир, 1985, с. 284-286, а также статью А.Б. Бэггеройера. Обработка сигналов в гидролокации // Применение цифровой обработки сигнала, под ред. Э. Оппенгейма. М.: Мир. 1980, р. 6.4; patent 3763490 US, 1973, Adaptive beamformer and signal processor for sonar.

Этот анализ базируется на представлении поля сигналов с использованием плоских волн, см. Ю.Г. Сосулин, Ю.Н. Паршин. Оценочно - корреляционно - компенсационные алгоритмы обнаружения многомерных сигналов. Радиотехника и электроника. 1981. Вып. 26. №8. С. 1635-1643, а также: R.R. Ramseyer, S.D. Morgera. A distributed microprocessor architecture far fixed and mobile acoustic array adaptive beamforming. IEEE Journal of oceanic engineering. 1979. Vol. OE-4, # 2. p. 46-51; D.J. Chapman. Partial adapting for the large array // IEEE transaction on AP, 1976, vol. 24, #5, p. 685-696; D.A. Gray. Formulation of the maximum signal-to-noise ratio array processor in beam space // JASA, 1982, v. 72, #4, p. 1195-1201.

Известен способ обнаружения шумящих объектов по патенту РФ 2110810, от 26.07.95 г., в котором шумы принимают двумя половинами антенны, разнесенной в пространстве по горизонту. Однако, этот способ работоспособен при обнаружении объектов не одинакового типа при их нахождении в ближней зоне акустической освещенности и малодостоверен при нахождении их в дальней зоне акустической освещенности из-за влияния явления вертикальной рефракции звука.

Все эти способы имеют недостатки, связанные с условиями функционирования системы обнаружения с частично заданной структурой. Недостатком указанных способов является необходимость либо наличия нескольких ориентированных в пространстве приемных каналов сопровождения по пеленгу волновых фронтов источников шумоизлучения, либо наличия многоканальных корреляторов шумовых сигналов всей дискретной апертуры гидроакустической антенны. В неблагоприятных условиях, которые определяются особенностями помехи и наличием интенсивных направленных источников помех, акустикой окружающей среды (профиль скорости звука, глубина и наклон дна и т.п.), их эффективность может резко ухудшиться. Следствием указанных факторов являются относительно низкая устойчивость и достоверность обнаружения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ обнаружения шумящих в море объектов, изложенный в патенте РФ на изобретение №2298203 (приоритет от 03.05.2005 г., зарегистрирован 27.04.2007 г.). В соответствии с этим патентом шумовой сигнал (смесь сигнала первичного поля шумоизлучения объекта и помехи) принимают антенной, остронаправленной в вертикальной и горизонтальной плоскости.

В способе-прототипе реализуются операции приема шумовых сигналов в горизонтальной и вертикальной плоскости многоэлементной антенной решеткой шумопеленгатора и первичной обработки, при этом

преобразуют в цифровую форму напряжения шумовых сигналов на выходе антенной решетки, выполняют преобразование Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов антенной решетки, вычисляют для каждого из полученных частотных отсчетов амплитудные и фазовые коэффициенты синфазного сложения напряжений сигналов антенной решетки, суммируют выходные напряжения сигналов антенной решетки с постоянными весами, равными произведению амплитудных и фазовых коэффициентов, чем образуют пространственные каналы (ПК) наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, осуществляют оптимизированную по корреляционной функции частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов для каждого пространственного канала наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости;

после этого квадрируют и осуществляют вторичную обработку на каждом цикле обзора, при которой суммируют в фиксированном частотном диапазоне по всем частотным отсчетам выходные напряжения образованных пространственных каналов, усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы к помехе, осуществляют наблюдение полученных отметок принятых шумовых сигналов на каждом цикле обзора и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха.

Оптимизированная частотно-временная обработка заключается в том, что:

- принимают шумовой сигнал статическим вертикальным веером характеристик направленности (ХН) гидроакустической антенны одновременно в нескольких направлениях вертикальной плоскости каждого ПК наблюдения в составе статического веера ХН в горизонтальной плоскости,

- оптимизируют прием шумового сигнала каждым горизонтальным ПК путем выбора наиболее вероятных углов приема в вертикальной плоскости для существующих гидроакустических условий подводного наблюдения, при этом осуществляют обработку принимаемых шумовых сигналов с весами, пропорциональными расчетному отношению сигнал-помеха в вертикальных пространственных каналах, перед накоплением на последовательных циклах обзора и суммируют с расчетными весами принятые нормированные к помехе шумовые сигналы вертикальных пространственных каналов.

Способ хорошо работает при изотропной шумовой помехе и при анизотропных шумах моря, в условиях, когда можно пренебречь вкладом интенсивных помех направленных источников, приходящих с других направлений в горизонтальной плоскости. При этом наибольшей эффективности обнаружения шумовых сигналов достигают при максимизации коэффициента концентрации и коэффициента помехоустойчивости в направлении приема шумового сигнала. Здесь и далее использованный термин "коэффициент помехоустойчивости" является обобщающим по отношению к классическому термину "коэффициент концентрации" (см. Справочник по гидроакустике, Л.: Судостроение, 1988, с. 305, 308-309). Помехоустойчивость антенны в дальнем анизотропном поле помех может определяться в этом случае через пространственный спектр поля распределенных помех.

Недостатком способа является то, что этот способ не позволяет обеспечить максимизацию "коэффициента помехоустойчивости". К недостаткам прототипа относится низкая избирательность к помехе направленных источников вследствие ограничений габаритов антенны на носителях. Кроме того, отсутствует обеспечение селекции направленных шумовых помех, ориентированной на получение высокого разрешения. Весовое суммирование, примененное в прототипе, приводит к успеху в условиях относительно слабых направленных шумовых помех. Использование обработки с постоянными весовыми коэффициентами проблематично при сближении полезного сигнала по углу с направленными шумовыми помехами или при воздействии интенсивных шумовых помех, что приводит к пропаданию сигнала.

Задачей изобретения является: повышение избирательности к помехе направленных источников, обеспечение селекции направленных шумовых помех, ориентированной на получение высокого разрешения, т.е. создание способа обнаружения шумящих объектов, который одновременно позволил повысить достоверность обнаружения шумового сигнала шумящего объекта и длительно поддерживать акустический контакт с шумящим объектом, уменьшив время маскирования помехой, время пропадания сигнала и время потери акустического контакта.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение достоверности обнаружения и длительного поддержания гидроакустического контакта по шумящему объекту путем введения в рассмотрение и использования при наблюдениях гидроакустического потока мощности сигналов и помех, достижения при этом более полного учета гидроакустических условий наблюдения в морской среде и селекции шумовых сигналов в аддитивной смеси сосредоточенных по углу в вертикальной или горизонтальной плоскости локальных шумовых помех нестационарного дальнего поля в океанах и морях и неоднородных анизотропных помех ближнего поля в местах размещения антенн.

Для обеспечения указанного технического результата в способ обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне, при котором принимают шумовые сигналы в горизонтальной и вертикальной плоскости многоэлементной антенной решеткой шумопеленгатора и осуществляют первичную обработку, при которой

преобразуют в цифровую форму напряжения шумовых сигналов антенной решетки, выполняют преобразование Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов антенной решетки, вычисляют для каждого из полученных частотных отсчетов амплитудные и фазовые коэффициенты синфазного сложения напряжений сигналов антенной решетки, суммируют выходные напряжения сигналов антенной решетки с постоянными весами, равными произведению амплитудных и фазовых коэффициентов, чем образуют статический веер ХН пространственных каналов наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости,

осуществляют вторичную обработку на каждом цикле обзора, для чего суммируют по всем частотным отсчетам в фиксированном частотном диапазоне выходные напряжения образованных пространственных каналов, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы к помехе,

осуществляют наблюдение на каждом цикле обзора полученных отметок принятых шумовых сигналов и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха,

введены новые признаки, а именно, на каждом цикле обзора до квадрирования осуществляют наблюдение шумовых сигналов двумя независимыми последовательностями операций:

первая последовательность включает наблюдение шумовых сигналов путем формирования в частотной области сигналов ортогональных составляющих вектора потока мощности в плоскости волны сигнала, при этом

осуществляют преобразование частотных отсчетов поля гидроакустического давления в пространственных каналах наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости в частотные отсчеты шумовых сигналов ортогональных составляющих вектора акустической колебательной скорости в плоскости волны сигнала, вычисляя для каждого частотного отсчета выходное напряжение сигнала пространственных каналов, участвующих в формировании сигналов составляющих вектора колебательной скорости, путем решения волнового уравнения для амплитудных спектров пространственных каналов, отстоящих на длину волны сигнала; перемножают частотные отсчеты поля акустического давления на выходе ПК антенны и частотные отсчеты сигнала каждой полученной составляющей вектора колебательной скорости, образуя пространственные каналы наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости в виде частотных отсчетов сигналов каждой из полученных таким образом составляющей вектора акустического потока мощности,

осуществляют пространственную адаптивную весовую обработку с вектором фазирования каждого из сигналов составляющих вектора потока мощности, при этом

формируют для каждого частотного отсчета адаптивные пространственные каналы наблюдения, каждый из которых образован, по крайней мере, тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной плоскости, формируют взаимные мгновенные спектры плотности мощности между шумовыми сигналами пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного ПК наблюдения шумовых сигналов каждой выборки, составляют спектральную матрицу мгновенных взаимных спектров мощности шумовых сигналов и осуществляют ортогональное преобразование спектральной матрицы, вычисляют векторы фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного ПК наблюдения, вычисляют вектор выходных напряжений пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного ПК, путем решения векторно-матричного алгебраического уравнения для ортогонально преобразованной спектральной матрицы мгновенных взаимных спектров мощности сигналов и полученного вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов,

а квадрирование частотных отсчетов сигнала производят, вычисляя отклик полученного адаптивного ПК наблюдения, равного обратной величине произведения вектора выходных напряжений пространственных каналов наблюдения и вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов,

осуществляют суммирование частотных отсчетов шумовых сигналов каждой из составляющих вектора потока мощности в фиксированном частотном диапазоне каждой выборки,

вторая последовательность операций включает наблюдение шумовых сигналов путем формирования во временной области шумовых сигналов радиальной составляющей вектора потока мощности в радиальном направлении по нормали к плоскости волны сигнала, при этом

осуществляют обратное преобразование Фурье частотных отсчетов напряжений шумовых сигналов на выходе пространственных каналов наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости антенны поля акустического давления в фиксированном частотном диапазоне,

осуществляют преобразование полученных дискретных отсчетов напряжений поля акустического давления во времени на выходе антенны в пространственных каналах наблюдения сигналов в горизонтальной и вертикальной плоскости в дискретные отсчеты напряжения радиальной составляющей вектора колебательной скорости в радиальном направлении по нормали к плоскости волны сигнала, при этом

вычисляют на средней частоте фиксированного частотного диапазона выходное напряжение пространственных каналов, участвующих в формировании сигнала радиальной составляющей вектора колебательной скорости, путем решения волнового уравнения для амплитудных отсчетов напряжения на средней частоте сигналов пространственных каналов, отстоящих на период волны сигнала;

осуществляют преобразование амплитудных отсчетов напряжения сигнала радиальной составляющей вектора колебательной скорости в горизонтальной и вертикальной плоскости в амплитудные отсчеты сигнала радиальной составляющей вектора акустического потока мощности, при этом

вычисляют свертку амплитудных отсчетов выходного напряжения акустического давления на выходе антенны с амплитудными отсчетами напряжения сигнала радиальной составляющей вектора колебательной скорости;

осуществляют пространственную адаптивную весовую обработку сигнала с вектором фазирования сигнала радиальной составляющей вектора потока мощности, формируя для каждого амплитудного отсчета сигнала адаптивные пространственные каналы наблюдения, каждый из которых образован, по крайней мере, тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной плоскости, формируют мгновенные взаимные спектры мощности шумовых сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного ПК наблюдения шумовых сигналов каждой выборки, составляют спектральную матрицу мгновенных взаимных спектров мощности шумовых сигналов и осуществляют ортогональное преобразование матрицы, вычисляют векторы фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного ПК наблюдения, вычисляют вектор выходных напряжений пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного ПК путем решения векторно-матричного уравнения для ортогонально преобразованной спектральной матрицы мгновенных взаимных спектров мощности и полученного вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов,

квадрирование производят, вычисляя отклик, равный обратной величине произведения полученного вектора выходных напряжений пространственных каналов наблюдения и вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов в фиксированном частотном диапазоне,

по результатам выполнения двух последовательностей операций получают отклики сигнала каждой составляющей вектора потока мощности и вычисляют отклик суммарного сигнала вектора потока мощности в целом для этого выполняют пространственное центрирование и пространственное нормирование сигналов всех составляющих вектора потока мощности перед их суммированием и выполняют их весовое суммирование,

а вторичную обработку осуществляют для выходных напряжений откликов адаптивных пространственных каналов, выполняя по времени центрирование, нормирование и накопление полученных сигналов потока мощности, принимают решение, сравнивая накопленные отклики вектора потока мощности сигналов с порогом обнаружения сигнала, вычисленным для потока мощности.

Известно, что введение весовой обработки шумовых сигналов по адаптивному алгоритму позволяет повысить избирательность к помехе направленных источников при наличии указанных выше ограничений, обеспечить селекцию направленных шумовых помех, ориентированной на получение высокого разрешения. Однако адаптация, произведенная по полной схеме, то есть при большом количестве пространственных каналов многоэлементной антенной решетки шумопеленгатора, сильно усложняет процедуру и увеличивает время вычислительных операций пространственно - частотно-временной обработки с адаптацией.

Предлагаемый способ обнаружения шумовых сигналов, благодаря тому, что корреляционная функция потока мощности помех может быть сокращена до размеров пространства сигналов, позволяет выполнять обработку информации, поступающей от смежных пространственных каналов в уменьшенном количестве, с помощью адаптивных устройств упрощенной структуры.

Сущность изобретения поясняется фиг 1 и 2, где на фиг. 1 блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ, на фиг. 2 блок-схема способа обнаружения как последовательность операций.

Способ обнаружения реализуется устройством - шумопеленгаторной станцией с системой пространственной обработки сигналов - УФХН (см. "Гидроакустические средства …", Карякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.Н., 2005 г., стр. 173, рис. 2.5).

Устройство обнаружения шумящих в море объектов фиг. 1 состоит из многоэлементной, например, цилиндрической гидроакустической антенны 1 и устройства предварительной обработки с системой пространственной обработки 2. В него входит устройство 3 формирования двумерного веера ХН в горизонтальной и вертикальной плоскости, состоящего из А пространственных каналов наблюдения сигналов поля давления, и устройство 4 преобразования сигналов поля давления в А пространственных каналах в сигналы составляющих вектора потока акустической мощности. Система 5 первичной обработки информации в А пространственных каналах состоит из блоков 6 формирования адаптивных ПК наблюдения каждого из сигналов составляющих вектора потока мощности в горизонтальной и вертикальной плоскости. В систему 5 также входят блоки 7 формирования и ортогонального преобразования 8 матрицы мгновенных взаимных спектров мощности сигналов составляющих, блоки 9 вычисления по векторно-матричному алгебраическому уравнению выходных напряжений ПК, участвующих в формировании адаптивного ПК совместно с блоками 15 вычисления фазовых коэффициентов для каждой из составляющих вектора потока мощности. В систему 5 входят и блоки 10 квадрирования, вычисляя отклик полученного адаптивного ПК наблюдения, равного обратной величине произведения вектора выходных напряжений ПК, входящих в состав адаптивного ПК, и вектора фазовых коэффициентов каждого из сигналов составляющих вектора потока мощности. В блоках 10 выполняют среди А каналов пространственное центрирование и пространственное нормирование каждого из сигналов составляющих вектора потока мощности, весовым суммированием полученных сигналов составляющих вектора потока мощности вычисляют отклик суммарного сигнала вектора потока мощности в целом.

Сигнал вектора потока мощности поступает в систему вторичной обработки информации блока 11. В нее входят блоки 12 образования частотных диапазонов, накопления (осреднения), центрирования и нормирования во времени; блоки 13 порогового устройства и блок 14 индикаторного устройства.

Элементы антенны соединены с устройством предварительной обработки блока 2, далее - с системой пространственной обработки блока 2, затем первичной обработки информации блока 5 (5.1 … 5.А) и системой вторичной обработки информации 11.

Предполагаемый способ осуществляется с помощью устройства (фиг. 1) следующим образом

Шумовые сигналы принимаются многоэлементной гидроакустической антенной 1 в горизонтальной и в вертикальной плоскости. В блоках 2-3 (операции 16-18, фиг. 2) формируют двумерный горизонтальный и вертикальный веер соответственно М и N характеристик направленности. Шумовые сигналы принимают каждым из А=М*N пространственных каналов, которые получены для частоты ƒk (где ƒk=k Δƒ, Δƒ - заранее выбранный шаг по частоте в результате выполнения в блоке 2 операции 17 преобразования Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов). Целые числа k находятся в интервале от kн до kв, при этом фиксированный частотный диапазон расположен в интервале от до .

В блоках 2-4 (операции 16-18, фиг. 2) вычисляют каждый из сигналов составляющих вектора колебательной скорости в плоскости антенны алгоритмически, вычисляя по формулам, полученным из уравнения Эйлера, записанного в конечных разностях в частотной области для поля давления,

где - частотный отсчет сигнала составляющех вектора колебательной скорости, - частотный отсчет поля гидроакустического давления сигнала в пространственном канале, - растояние между фазовыми центрами в точках смежных пространственных каналов, ρ0 - плотность морской среды, j - мнимая единица,

и осуществляют преобразование частотных отсчетов сигналов составляющих вектора колебательной скорости в частотные отсчеты сигналов составляющих вектора акустического потока мощности.

В блоках 2-4 (операции 16-18, фиг. 2) формируют отсчеты во времени сигналов поля давления в фиксированном частотном диапазоне и формируют сигнал составляющей вектора колебательной скорости по нормали к антенне алгоритмически, вычисляя по формулам, полученным из уравнения Эйлера, записанного в конечных разностях во временной области для поля давления,

где v3(t3, ƒср) - отсчет во времени сигнала составляющей вектора колебательной скорости по нормали к антенне, р(t3, ƒcp) - отсчет во времени поля гидроакустического давления сигнала в пространственном канале, Δt - интервал времени между моментами времени, в которых наблюдают в пространственном канале в момент времени t3 фазовые центры поля давления акустической волны сигнала на средней частоте фиксированного частотного диапазона, ρ0 - плотность морской среды, j - мнимая единица,

и осуществляют преобразование отсчетов сигналов составляющей вектора колебательной скорости в отсчеты сигналов составляющей вектора акустического потока мощности по нормали к антенне.

Далее в блоках 6 (5.1 … 5.А) производят формирование А (операция 19, фиг. 2) адаптивных пространственных каналов наблюдения каждого из сигналов составляющих вектора акустического потока мощности, каждый из которых образован, по крайней мере, тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной плоскости Q=3. При этом используют выходы смежных пространственных каналов, разнесенные по углу в горизонтальной плоскости обзора, по крайней мере, на ширину характеристики направленности для k - той частотной составляющей. Согласно результатам проведенного моделирования заявляемого способа целесообразен выбор каналов с данным разнесением по углу, так как при большем разнесении уменьшается помехоустойчивость обнаружителя, а при меньшем - понижается устойчивость адаптивного алгоритма, возникают ложные сигналы.

Затем в блоках 7 (7.1 … 7.А) производят в каждом из А адаптивных пространственных каналов формирование на k - той частоте мгновенных взаимных спектров мощности шумовых сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения каждого из сигналов составляющих вектора акустического потока мощности. При этом составляют спектральную матрицу ФПК размера соответственно Q×Q мгновенных взаимных спектров мощности шумовых сигналов (операция 20, фиг. 2).

В блоках 8 (8.1 … 8.А) осуществляют ортогональное преобразование спектральной матрицы ФПК (операция 21), используя процедуры треугольного разложения матрицы на множители и в матричном виде

где , - нижняя и верхняя треугольные матрицы с элементами, вычисленными по алгоритму квадратного корня (см. например, в книге Б.П. Демидовича и И.А. Марона "Основы вычислительной математики", М., Гос. изд. физ.-мат. л-ры, 1963, стр. 287-288).

В блоках 15 (15.1 … 15.А) вычисляют фазовые коэффициенты Pq0, θ0, k) и формируют вектор с элементами Pq0, θ0, k) синфазного сложения сигналов в плоской волне для фазовых центров Q пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения сигналов составляющих вектора акустического потока мощности. Возможен также очевидный вариант реализации, при котором элемент Pq0, θ0, k) вычисляют, например, как характеристику направленности антенной решетки для плоской волны (операция 22). Упомянутые расчеты могут быть проведены по алгоритмам, приведенным, например, в книге Матвиенко В.Н., Тарасюка Ю.Ф. "Дальность действия гидроакустических средств", Л., Судостроение, 1981 г., стр. 212-214. Совокупность операций 22 в блоках 15 (15.1 … 15.А) реализуется путем предварительного расчета и запоминания фазовых коэффициентов. Рассчитанные значения фазовых коэффициентов Pq0, θ0, k) заносятся в долговременную (постоянную) память запоминающего устройства.

Операции 22 в блоках 15 (15.1 … 15.А) проводят независимо от остальных операций и обеспечивают получение данных для вычислительных операций 23.

В блоках 9 (9.1 … 9.А) вычисляют на k - той частоте совокупность Q спектральных откликов , образующих вектор выходных напряжений пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала (операция 23). Вычисление осуществляют по формуле в векторно-матричном виде , где Р={Pq0, θ0, k)} - вектор-столбец фазовых коэффициентов, - нижняя треугольная матрица ортогонального разложения матрицы взаимных спектров мощности ФПК. Упомянутые расчеты могут быть проведены по алгоритмам, приведенным, например, в упомянутой книге Б.П. Демидовича и И.А. Марона, глава VIII, § 2.

В блоках 10 (10.1 … 10.А) вычисляют для k - той частотной составляющей отклик каждого из А адаптивных пространственных каналов наблюдения в горизонтальной плоскости (операция 24), равный обратной величине суммы произведения вектора выходных напряжений пространственных каналов наблюдения и вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов для горизонтальной плоскости по формуле

где тильда обозначает сопряжение элементов вектора.

В блоке 12 суммируют в фиксированном частотном диапазоне по всем частотным отсчетам отклики каждого из А адаптивных пространственных каналов наблюдения

выполняют пространственное центрирование и нормирование модулей проекций пространственных каналов наблюдения и последующее их суммирование (операции 25 и 26),

усредняют по времени, центрируют и нормируют, производят наблюдение сигналов на каждом цикле обзора (операции 27).

Принимают решение об обнаружении сигнала в блоке 13 при превышении порогового значения отношением сигнал-помеха в пространственном канале (операция 28); регистрация, развертывание на панорамном индикаторе отметок сигналов на каждом цикле обзора реализуется в блоке 14 (операция 29).

Результаты моделирования заявляемого способа показали, что применение управления амплитудно-фазовым распределением по адаптивному алгоритму смежных пространственных каналов, которые уже обладают высокой пространственной избирательностью к распределенной помехе, обеспечивают большую помехоустойчивость, чем применение управления амплитудно-фазовым распределением слабонаправленных приемников антенной решетки.

Это позволило обнаруживать шумящие объекты по потоку мощности с большей достоверностью, чем в способе прототипе, раньше определять наличие сигнала цели и длительно поддерживать акустический контакт с целью, уменьшив время маскирования помехой и время пропадания сигнала с потерей акустического контакта. При этом сохраняется высоким коэффициент концентрации гидроакустической антенны.

Наряду с упомянутым выше моделированием заявляемого объекта с имитацией сигналов и помех была проведена обработка записей реальных сигналов и помех, выполненных в натурных условиях, которая позволила увеличить отношение сигнал-помеха, достигаемое в глубоком и мелком море на десятки децибел и подтвердила полученные результаты моделирования.

Способ обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне, при котором принимают шумовые сигналы в горизонтальной и вертикальной плоскостях многоэлементной антенной решеткой гидролокатора и осуществляют первичную обработку, выполняют преобразование Фурье отсчетов напряжений шумовых сигналов антенной решетки, для каждого из полученных частотных отсчетов образуют пространственные каналы наблюдения сигналов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, квадрируют и осуществляют вторичную обработку на каждом цикле обзора, при этом суммируют по всем частотным отсчетам выходные напряжения образованных пространственных каналов в фиксированном частотном диапазоне, усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы к помехе, осуществляют наблюдение на каждом цикле обзора полученных отметок принятых шумовых сигналов и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха,

отличающийся тем, что на очередном цикле обзора до квадрирования осуществляют наблюдение сигналов двумя независимыми последовательностями операций: первая последовательность - операции наблюдения сигналов путем формирования в частотной области составляющих вектора потока мощности в плоскости волны сигнала, при этом осуществляют преобразование частотных отсчетов поля акустического давления в пространственных каналах наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскостях в частотные отсчеты составляющих вектора акустической колебательной скорости в плоскости волны сигнала, при этом вычисляют для каждого частотного отсчета выходное напряжение сигнала пространственных каналов, участвующих в формировании составляющих вектора колебательной скорости, путем решения волнового уравнения для амплитудных спектров пространственных каналов, отстоящих на длину волны сигнала; осуществляют преобразование частотных отсчетов составляющих вектора колебательной скорости пространственных каналов наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскостях в частотные отсчеты составляющих вектора акустического потока мощности, при этом перемножают частотные отсчеты поля акустического давления на выходе антенны и частотные отсчеты сигналов составляющих вектора колебательной скорости; осуществляют пространственную адаптивную весовую обработку с вектором фазирования сигналов составляющих вектора потока мощности, при этом для каждого частотного отсчета формируют адаптивные пространственные каналы наблюдения, каждый из которых образован по крайней мере тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной плоскости, формируют взаимные мгновенные спектры мощности между шумовыми сигналами пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения шумовых сигналов для каждой выборки, составляют матрицу мгновенных взаимных спектров мощности шумовых сигналов и осуществляют ортогональное преобразование матрицы, вычисляют векторы фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения, вычисляют вектор выходных напряжений пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала путем решения векторно-матричного алгебраического уравнения для ортогонально преобразованной матрицы мгновенных взаимных спектров мощности и вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов, вычисляют отклик полученного адаптивного пространственного канала наблюдения, равного обратной величине произведения вектора выходных напряжений пространственных каналов наблюдения и вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов, осуществляют суммирование в фиксированном частотном диапазоне частотных отсчетов шумовых сигналов каждой из составляющих вектора потока мощности, вторая последовательность - операции наблюдения сигналов путем формирования во временной области радиальной составляющей вектора потока мощности в радиальном направлении по нормали к плоскости волны сигнала, при этом осуществляют обратное преобразование Фурье частотных отсчетов напряжений шумовых сигналов в фиксированном частотном диапазоне на выходе пространственных каналов наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскостях поля акустического давления, осуществляют преобразование дискретных отсчетов во времени поля акустического давления на выходе антенны в пространственных каналах наблюдения сигналов в горизонтальной и вертикальной плоскостях в дискретные отсчеты во времени радиальной составляющей вектора колебательной скорости в радиальном направлении по нормали к плоскости волны сигнала, при этом вычисляют на средней частоте фиксированного частотного диапазона выходное напряжение пространственных каналов, участвующих в формировании радиальной составляющей вектора колебательной скорости, путем решения волнового уравнения для амплитудных отсчетов на средней частоте пространственных каналов, отстоящих на период волны сигнала; осуществляют преобразование амплитудных отсчетов радиальной составляющей вектора колебательной скорости пространственных каналов наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскостях в амплитудные отсчеты радиальной составляющей вектора акустического потока мощности, при этом вычисляют свертку амплитудных отсчетов выходного напряжения акустического давления на выходе антенны с амплитудными отсчетами радиальной составляющей вектора колебательной скорости; осуществляют пространственную адаптивную весовую обработку с вектором фазирования радиальной составляющей вектора потока мощности, при этом для каждого амплитудного отсчета формируют адаптивные пространственные каналы наблюдения, каждый из которых образован по крайней мере тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной плоскости, формируют взаимные мгновенные спектры мощности шумовых сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения шумовых сигналов для каждой выборки, составляют матрицу мгновенных взаимных спектров мощности шумовых сигналов и осуществляют ортогональное преобразование матрицы, вычисляют векторы фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала наблюдения, вычисляют вектор выходных напряжений пространственных каналов, участвующих в формировании адаптивного пространственного канала путем решения векторно-матричного уравнения для ортогонально преобразованной матрицы мгновенных взаимных спектров мощности и вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов, вычисляют отклик полученного адаптивного пространственного канала наблюдения, равного обратной величине произведения полученного вектора выходных напряжений пространственных каналов наблюдения и вектора фазовых коэффициентов синфазного сложения сигналов, по результатам выполнения двух последовательностей операций получают отклики сигнала всех составляющих вектора потока мощности и вычисляют отклик суммарного сигнала вектора потока мощности в целом, для этого выполняют пространственное центрирование и пространственное нормирование сигналов всех составляющих вектора потока мощности перед их суммированием и их весовое суммирование, центрирование, нормирование и накопление полученных сигналов потока мощности, сравнивают накопленные отклики вектора потока мощности сигналов с порогом обнаружения сигнала, вычисленным для потока мощности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для распознавания объектов по их шумоизлучению. Устройство классификации шумящих объектов, содержащее последовательно соединенные многоэлементную акустическую приемную антенну шумопеленгования, аналого-цифровой преобразователь, блок формирования спектра сигнала, блок формирования меры сходства, блок принятия решения о классе объекта, индикатор, а также два блока, соединеных между собой двусторонней связью: блок чтения и записи и блок постоянной памяти.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к пассивным шумопеленгаторным станциям, предназначенным для поиска и обнаружения шумящих морских объектов (целей).

Изобретение относится к способам позиционирования подводных осмотровых аппаратов и может быть использовано для позиционирования любого подводного оборудования, предназначенного для регулярного обследования подводных трубопроводов и других объектов.

Данное изобретение относится к способам позиционирования подводных объектов, а именно к способам, при которых принимают посредством расположенных на гидроакустических буях приемников сигналы со спутников, определяют координаты гидроакустических буев, синхронизируют часы всех гидроакустических буев, передают данные о местоположении указанных гидроакустических буев, принимают сигналы с помощью расположенного на подводном объекте приемника гидроакустических сигналов, определяют координаты подводного объекта с помощью вычислительного модуля.

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики, а именно - к способам обнаружения полигармонического сигнала на фоне аддитивной помехи. Результатом предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости обнаружителя полигармонических сигналов путем более корректного учета эффекта Доплера а именно его свойства сжатия (растяжения) широкополосного сигнала.

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для классификации морских объектов, обнаруженных по их шумовому полю. Способ применим для типовой шумопеленгаторной станции, осуществляющей прием шумового сигнала объекта гидроакустической антенной, определение направления на объект в горизонтальной плоскости, автоматическое сопровождение объекта по направлению, определение угловой скорости объекта, определение мощности принятого сигнала.

Изобретение относится к подводной технике и в частности к технологиям создания средств навигации и управления для глубоководных автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА), способных работать на предельных глубинах мирового океана.

Изобретение относится к океанологии и может быть использовано для гидроакустических исследований. Технический результат - повышение точности определения горизонта источника звука за счет маневра планера по глубине с синхронным измерением максимума ротора вектора интенсивности, повышение точности определения пеленга на источник за счет использования вихревой составляющей вектора интенсивности и увеличение дальности его обнаружения путем применения системы активного гашения собственной вибрационной помехи и повышения помехоустойчивости измерительного комплекса планера за счет увеличения числа информативных параметров.

Изобретение относится к подводной технике и, в частности, к технологиям создания средств навигации и информационного обмена для автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) с большой автономностью и дальностью действия, например, при выполнении миссий подо льдом, в условиях отсутствия сопровождающего судна-носителя (ОС) и необходимости минимизации дополнительного внешнего навигационного оборудования.

Подкильный обтекатель (ПО) антенны судовой гидроакустической станции (ГАС) выполнен в виде хорошо обтекаемого тела с наружной оболочкой, подкрепленной поперечной переборкой, отделяющей носовой приборный отсек ПО со звукопрозрачной оболочкой от расположенного кормовее его "сухого отсека" с незвукопрозрачной оболочкой, и снабжен по всей своей длине килевой продольной балкой, проходящей через поперечную переборку и консольно выступающей в нижнюю часть приборного отсека ПО.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования гидроакустических станций. Способ содержит следующие операции. Принимают шумовые сигналы статическим веером характеристик направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, осуществляют частотно-временную обработку в каждом пространственном канале наблюдения, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют сигналы к помехе, осуществляют наблюдение на текущем цикле обзора принятых нормированных сигналов и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха. Способ отличается тем, что на каждом цикле обзора осуществляют наблюдение сигналов путем формирования составляющих вектора потока мощности в плоскости волны сигнала, при этом осуществляют преобразование частотных отсчетов поля акустического давления в пространственных каналах наблюдения в частотные отсчеты составляющих вектора акустической колебательной скорости в плоскости волны сигнала, и формирования радиальной составляющей вектора потока мощности в радиальном направлении по нормали к плоскости волны сигнала. Способ отличается также тем, что на каждом цикле обзора формируют адаптивные пространственные каналы наблюдения составляющих вектора потока мощности, каждый из которых образован по крайней мере тремя смежными пространственными каналами в горизонтальной плоскости. Способ основан на том, что корреляционная матрица шумовых сигналов полученного адаптивного пространственного канала наблюдения может быть сокращена до размеров пространства сигналов. Способ повышает достоверность обнаружения, реализует заданное время накопления и позволяет длительно поддерживать акустический контакт с шумящей движущейся в море целью путем учета гидроакустических условий наблюдения шумящих объектов и более полной селекции шумовых сигналов в аддитивной смеси направленных шумовых помех по углу в вертикальной или горизонтальной плоскостях. 2 ил.

Наверх