Способ формирования масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для формирования масштабируемой системы классификации целей, передачей данных из морской среды в атмосферу и обратно. Формируют основную систему, для чего один излучатель (3) и два приемных преобразователя (4) и (5) размещают на противоположных границах среды и формируют между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн (7) из двух горизонтально разнесенных в зоне приема и совмещенных в зоне излучения параметрических антенн. Нелинейно преобразованные волны принимают и передают в приемный тракт (2), где сигналы усиливают в полосе параметрического преобразования волн, измеряют их разность фаз, преобразуют частотно-временной масштаб сигналов в высокочастотную область, измеряют их узкополосные спектры и регистрируют. Сигналы с выхода анализатора спектров передают по каналу радиосвязи в информационно-аналитический центр (ИАЦ) (18), где проводят идентификацию информационных волн, по результатам которой вводят необходимую корректуру и передают сигналы обратно в излучающий тракт (1) для управления процессом излучения волн накачки морской среды. При этом основную систему масштабируют. Для этого вводят n дополнительных систем, которые пространственно разносят в пределах смежных и отдаленных акваторий. Дополнительно вводят единый информационно-аналитический центр (ЕИАЦ) (25), управляющий работой основной и n дополнительных систем. Для озвучивания среды сигналами накачки в каждую дополнительную систему включают излучающие (1.1…1.n) и приемные (2.1…2.n) тракты, излучатели (3.1…3.n) и по два приемных преобразователя (4.1…4.n), которые размещают в морской среде и соединяют кабелем с излучающим (1) и приемным (4) трактами соответственно. Рабочие зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн (7.1…7.n) формируют аналогично основной системе. Сигналы принимают и посредством кабелей передают в приемные тракты (2.1…2.n), где сигналы усиливают, преобразуют, анализируют и передают на вход регистратора и на входы блоков системных анализаторов ИАЦ (18.1…18.n), проводят математическую обработку образов спектрограмм объектов и сравнивают степень принадлежности анализируемой области спектра базовым данным, записывают, накапливают и обновляют данные библиотеки портретов объектов классификации. Сигналы с выходов ИАЦ основной (18) и n дополнительных систем (18.1…18.n) по каналам радиосвязи передают в ЕИАЦ (25), через который пополняют библиотеки портретов объектов классификации ИАЦ основной и n дополнительных систем и формируют сигналы, которые по каналам радиосвязи передают с выходов ЕИАЦ (25) в излучающие тракты основной (1) и n дополнительных систем (1.1…1.n) на вход соответствующих генераторов сигналов накачки морской среды для корректировки их параметров с учетом гидролого-акустических условий распространения волн в морской среде и обнаруженных объектов. Обеспечивается формирование масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта, с помощью которого обеспечивают на смежных и отдаленных акваториях дальний параметрический прием взаимодействующих волн с применением передачи данных из морской среды в атмосферу и обратно, осуществляют классификацию обнаруженных объектов на основе вычислительных операций искусственных нейронных сетей и библиотек математически обработанных образов спектрограмм морских целей. 9 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для формирования масштабируемой в пределах смежных и (или) отдаленных акваторий системы классификации целей, обнаруженных при дальнем параметрическом приеме волн с применением возможностей передачи данных из морской среды в атмосферу и обратно.

Предлагаемый способ реализуется на основе средств морского приборостроения и технологии дальнего параметрического приема взаимодействующих волн с применением передачи данных из морской среды в атмосферу и обратно (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко А.М. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды: монография. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. - 173 с.; Василенко А.М., Мироненко М.В., Пятакович В.А. и др. Система мониторинга полей источников атмосферы, океана и земной коры на основе технологий нелинейной просветной гидроакустики: монография. - Владивосток: ТОВВМУ имени С.О. Макарова, 2015. - 320 с.).

Нейросетевое распознавание классов целей, обнаруженных по признакам амплитудно-фазовой модуляции взаимодействующих в морской среде волн, базируется на вычислительных операциях искусственных нейронных сетей и библиотеках математически обработанных образов спектрограмм объектов, что позволяет ускорить процесс распознавания и повысить вероятность классификации как надводных, так и подводных целей. (см. Пятакович В.А., Василенко А.М., Хотинский О.В. Распознавание и классификация источников формирования полей различной физической природы в морской среде: монография. - Владивосток: Морской гос. ун-т им. Г.И. Невельского, 2017. - 255 с.).

Принцип работы параметрических антенн как с высокочастотной (десятки-сотни кГц), так и с низкочастотной (десятки-сотни Гц) накачкой морской среды, основан на использовании естественных нелинейных свойств морской среды.

Известны способы и реализующие их параметрические антенны, использующие высокочастотную накачку морской среды (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в системах гидролокации. - Л.: Судостроение. - 1990. - С. 17-40, 203-225), недостатками которых являются малая дальность параметрического приема волн (сотни метров и только в отдельных случаях 1-2 километра) и ограниченная возможность измерения пространственно-временных характеристик сигналов, что особенно проявляется при приеме волн различной физической природы низкого, инфразвукового и дробного диапазонов частот.

Известны способы и реализующие их параметрические антенны, работа которых основана на низкочастотной подсветке среды слабозатухающими сигналами накачки с частотой десятки-сотни герц, что приводит к увеличению дальности параметрического приема волн в десятки-сотни раз относительно высокочастотных параметрических антенн (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Василенко А.М. и др. Нелинейная просветная гидроакустика и средства морского приборостроения в создании Дальневосточной радиогидроакустической системы освещения атмосферы, океана и земной коры, мониторинга их полей различной физической природы: монография. - Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2014).

Известен способ передачи информационных волн в морской среде (см. патент 2472236 РФ, МПК G10K 11/00, опубл. 10.01.2013, бюл. №1), который включает в себя формирование параметрической излучающей антенны, излучение в среду волн накачки с одновременной передачей информационных волн, а также прием сигналов, сформированных при взаимодействии волн накачки и информационных волн, с последующим восстановлением исходной информации. При этом на трассе распространения излучаемого низкочастотного сигнала накачки, предпочтительно в дальней зоне излучателя, формируют пространственную нелинейную область, которую облучают бигармоническими сигналами звуковой частоты близкой к сигналу накачки и вводят в нее волны иной физической природы, например, электромагнитные или гидродинамические возмущения, подвергнутые частотно-временному преобразованию в соответствии с характеристиками передаваемой информации.

Рассматриваемый способ имеет следующие недостатки. Низкий эффект нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн и, как следствие этого, малая дальность передачи-приема волн различной физической природы в морской среде, ограниченная информационная емкость передаваемых и принимаемых сигналов, а также невозможность передачи данных из морской среды в атмосферу и обратно.

По своей физической сущности наиболее близким к заявляемому изобретению является способ передачи информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно (см. патент 2593625 РФ, МПК G10K 11/00, опубл. 10.08.2016, бюл. №22), который выбран в качестве прототипа.

Способ-прототип заключается в том, что один излучатель и два приемных преобразователя размещают на противоположных границах среды и формируют между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн из двух горизонтально разнесенных в зоне приема и совмещенных в зоне излучения параметрических антенн; нелинейно преобразованные волны принимают и передают в приемный тракт, где сигналы усиливают в полосе параметрического преобразования волн, измеряют их разность фаз, преобразуют частотно-временной масштаб сигналов в высокочастотную область, измеряют их узкополосные спектры и регистрируют; сигналы с выхода анализатора спектров передают по каналу радиосвязи в информационно-аналитический центр, где проводят идентификацию информационных волн, вводят корректуру и передают их обратно в излучающий тракт для управления процессом излучения волн накачки морской среды.

К недостаткам способа-прототипа можно отнести следующие:

- отсутствие технологии, обеспечивающей масштабирование системы дополнительными системами, пространственно-разнесенными в пределах смежных и (или) отдаленных акваторий;

- отсутствие технологии, обеспечивающей нейросетевую классификацию источников, обнаруженных по признакам амплитудно-фазовой модуляции взаимодействующих в морской среде волн, на основе вычислительных операций искусственных нейронных сетей и библиотек математически обработанных образов спектрограмм морских целей;

- отсутствие технологии, обеспечивающей пополнение и обновление библиотек портретов объектов классификации.

Основной отличительной особенностью предлагаемого способа от способа-прототипа является то, что систему, реализуемую данным способом, формируют как масштабируемую, которая включает в себя основную систему, n дополнительных систем и единый информационно-аналитический центр (ЕИАЦ).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке способа формирования масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта, с помощью которого обеспечивают на смежных и (или) отдаленных акваториях дальний параметрический прием взаимодействующих волн с применением передачи данных из морской среды в атмосферу и обратно, а также осуществляют классификацию обнаруженных объектов на основе вычислительных операций искусственных нейронных сетей и библиотек математически обработанных образов спектрограмм морских целей.

Масштабирование основной системы дополнительными системами обеспечивает на смежных и (или) отдаленных акваториях дальний параметрический прием волн в звуковом и инфразвуковом диапазонах частот, а также увеличение емкости информации об источниках полей различной физической природы и гидролого-акустических условиях распространения сигналов в морской среде.

Подстройка согласованного режима работы излучающего и приемных трактов основной и дополнительных систем к гидролого-акустическим условиям распространения волн и к проявлениям признаков источников информационных волн решается путем введения в структуру системы единого информационно-аналитического центра, который осуществляет управление работой масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта в соответствии с задачами и условиями длительного морского мониторинга.

Пополнение и обновление через ЕИАЦ библиотек портретов объектов классификации, формируемых в информационно-аналитических центрах основной и дополнительных систем, ускоряет процесс распознавания, повышает вероятность классификации как надводных, так и подводных целей, а также расширяет круг распознаваемых объектов.

Для решения поставленной задачи разработан способ формирования масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта, который заключается в формировании основной системы, для чего один излучатель и два приемных преобразователя размещают на противоположных границах среды и формируют между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн из двух горизонтально разнесенных в зоне приема и совмещенных в зоне излучения параметрических антенн; далее нелинейно преобразованные волны принимают и передают в приемный тракт, где сигналы усиливают в полосе параметрического преобразования волн, измеряют их разность фаз, преобразуют частотно-временной масштаб сигналов в высокочастотную область, измеряют их узкополосные спектры и регистрируют; далее сигналы с выхода анализатора спектров передают по каналу радиосвязи в информационно-аналитический центр, где проводят идентификацию информационных волн по результатам которой вводят необходимую корректуру и передают сигналы обратно в излучающий тракт для управления процессом излучения волн накачки морской среды.

Принципиальным отличием предлагаемого способа является то, что основную систему масштабируют, для чего вводят n дополнительных систем, которые пространственно разносят в пределах смежных и (или) отдаленных акваторий; кроме того дополнительно вводят единый информационно-аналитический центр (ЕИАЦ), управляющий работой основной и n дополнительных систем; при этом в каждую дополнительную систему включают излучающий и приемный тракты, излучатель и два приемных преобразователя, которые размещают в морской среде и соединяют кабелем с излучающим и приемным трактами соответственно, а также рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн, которую формируют в морской среде в виде двух горизонтально-разнесенных в точках приема и совмещенных в точке излучения параметрических антенн, для чего среду озвучивают сигналами накачки, которые генерируют в излучающем тракте; далее сигналы принимают и посредством кабелей передают в приемный тракт, где сигналы усиливают в полосе параметрического преобразования волн, измеряют их разность фаз, преобразуют частотно-временной масштаб сигналов в высокочастотную область, измеряют узкополосные спектры, выделяют дискретные составляющие суммарной или разностной частоты, как признаки проявления амплитудно-фазовой модуляции низкочастотной волны накачки среды излучениями и полями морских целей, далее сигналы передают на вход регистратора, а также на вход блока системного анализа информационно-аналитического центра, где с использованием вычислительных операций искусственных нейронных сетей проводят математическую обработку образов спектрограмм объектов и сравнивают степень принадлежности анализируемой области спектра базовым данным, после чего записывают, накапливают и обновляют данные библиотеки портретов объектов классификации, затем сигналы с выходов информационно-аналитических центров основной и n дополнительных систем по каналам радиосвязи передают в ЕИАЦ, через который пополняют библиотеки портретов объектов классификации информационно-аналитических центров основной и n дополнительных систем, а также формируют сигналы, которые по каналам радиосвязи передают с выходов ЕИАЦ в излучающие тракты основной и n дополнительных систем на вход соответствующих генераторов сигналов накачки морской среды для корректировки их параметров с учетом гидролого-акустических условий распространения волн в морской среде и обнаруженных объектов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение на смежных и (или) отдаленных акваториях дальнего параметрического приема волн в звуковом и инфразвуковом диапазонах частот с применением передачи данных из морской среды в атмосферу и обратно, а также классификация обнаруженных объектов на основе вычислительных операций искусственных нейронных сетей и библиотек математически обработанных образов спектрограмм морских целей.

Физическая сущность дальнего параметрического приема волн в морской среде

Известно, что влияние полей различной физической природы, формируемых источниками в морской среде, на низкочастотные сигналы накачки морской среды осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко А.М. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды: монография. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006; Малашенко А.Е., Мироненко М.В., Чудаков М.В., Пятакович В.А. Дальний параметрический прием электромагнитных волн, формируемых техническими источниками в морской среде. Датчики и системы - М.: 2016. - № 8-9 (206). - С. 14-18).

По своей физической сущности дальний параметрический прием сигналов предусматривает специальное изменение плотности и (или) температуры водной среды. Изменение этих параметров можно производить различными способами, но основным из них является формирование протяженной нелинейной области в заданном направлении излучения-приема волн (параметрической антенны).

Параметрический прием волн проявляется как амплитудно-фазовая модуляция низкочастотной волны накачки морской среды волной, формируемой объектом, при их совместном распространении. В тракте приема и обработки сигналов с помощью спектрального анализа выделяют признаки амплитудно-фазовой модуляции волн.

Процесс параметрического приема волн можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве. Для вычисления скорости распространения упругой (акустической) волны можно применить известную формулу

,

где P - давление; - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости.

Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью можно получить следующее выражение для фазовой скорости

,

где ρ - плотность; - удельный объем.

Из приведенного выражения следует, что изменения плотности ρ и давления P при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени . Таким образом, если в морской среде распространяется электромагнитная волна гармонической частоты, то фазовая скорость упругой волны (низкочастотной волны накачки) будет меняться с той же частотой.

Проверка работоспособности идей, являющихся основой предлагаемого изобретения, проводилась при использовании электромагнитных волн. Очевидно, что закономерности нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования для других волн, как и в случае положительного эффекта с электромагнитными волнами, также существуют.

Спектр взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа боковых составляющих, частоту и амплитуду которых можно найти из известного выражения

,

где - результирующее и мгновенное значения давления модулированной волны, соответственно; - удвоенная частота модулированной волны; - волна, генерируемая объектом; - время; - функции Бесселя n-го порядка; - амплитуда модулированной волны; - коэффициент модуляции.

Как видно из выражения, значения частот боковых составляющих отличаются от удвоенной центральной частоты 2ω (равной сумме частот взаимодействующих волн) на величину ± n⋅Ω, где n - любое целое число. Амплитуды боковых составляющих для соответствующих частот
(2ω± nΩ) определяются величиной множителя .

При малых значениях коэффициента модуляции спектр взаимодействующих волн приближенно состоит из удвоенной центральной частоты 2ω и ее боковых частот 2ω+Ω и 2ω-Ω.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 показана структурная схема, отражающая способ формирования основной масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта, где:

1. Излучающий тракт.

2. Приемный тракт.

3. Излучатель.

4, 5. Приемные преобразователи.

6. Морская цель (источник волн).

6а. Нелинейная область кильватерного следа.

6б. Забортный излучатель акустических и (или) электромагнитных сигналов.

7. Рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и информационных волн (информационные волны - это волны, генерируемые естественными или искусственными источниками в морской среде, например, акустические, электромагнитные, гидродинамические).

8. Генератор сигналов накачки (линейно-частотно модулированных и/или фазомодулированных).

9. Генератор сигналов накачки (стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц).

10. Усилитель мощности.

11. Блок согласования.

12. Двухканальный широкополосный усилитель.

13. Фазометр.

14. Преобразователь частотно-временного масштаба сигналов в высокочастотную область.

15. Узкополосный анализатор спектров.

16. Регистратор.

17. Передающий радиоблок.

18. Информационно-аналитический центр (ИАЦ).

19. Приемный радиоблок.

20. Блок системного анализа.

21. Передающий радиоблок.

22. Приемный радиоблок.

23. Контролируемая морская среда.

24. Морская поверхность.

На фиг. 2 приведена структурная схема с ее функциональными связями, отражающая способ формирования масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта, которая объединяет основную и n дополнительных систем, где:

1. Излучающий тракт основной системы.

1.1…1.n. Излучающие тракты дополнительных систем.

2. Приемный тракт основной системы.

2.1…2.n. Приемные тракты дополнительных систем.

3. Излучатель основной системы.

3.1…3.n. Излучатели дополнительных систем.

4, 5. Приемные преобразователи основной системы.

4.1…4.n, 5.1…5.n. Приемные преобразователи дополнительных систем.

18. Информационно-аналитический центр основной системы.

18.1…18.n. Информационно-аналитические центры дополнительных систем.

25. Единый информационно-аналитический центр (ЕИАЦ).

На фиг. 3 приведен уровень информационной волны разностной частоты, сформированной нелинейной областью кильватерного следа катера. Частота сигналов накачки морской среды составляла 1040 Гц и 960 Гц. Частота информационного сигнала разностной частоты составляла 80 Гц. Протяженность трассы приема-передачи сигналов составляла 25 км.

На фиг. 4 представлен спектр излучений судна, измеренный низкочастотным просветным методом, реализующим дальний параметрический прием взаимодействующих в морской среде акустических и электромагнитных волн. Частота подсветки среды Fa = 390 Гц, протяженность трассы 45 км. В спектре сигналов наблюдаются параметрические составляющие суммарной и разностной частоты от исходных частот акустической подсветки среды и электромагнитных излучений судна.

На фиг. 5 приведена спектрограмма шумового поля морского судна, на которой наблюдается гидродинамическое поле кильватерного следа и дискретная составляющая резонансных колебаний корпуса судна. Частота просветных сигналов составляла 400 Гц, протяженность просветной трассы составляла 30 км.

Общая структура распознающей сети представлена на фиг. 6. Нейроны, составляющие сеть, одинаковы и имеют функцию активации известного типа

где x_2n⁽ⁱ⁾, y_n⁽ⁱ⁾ и I_n⁽ⁱ⁾ - значения r - го входного сигнала, выходного сигнала и внешнего смещения n - го нейрона i - го слоя; N_i - число нейронов в i - м слое; i = 1, 2, 3.

На фиг. 7 и фиг. 8 представлены результаты вычислительного эксперимента по определению коэффициента распознавания (классификации), определяемого как отношение числа распознанных объектов к общему числу испытаний в процентах, для надводных и подводных объектов в условиях зашумления сигнала в диапазоне от -10 до 20 дБ. Как видно из рисунков, распознавание и классификация морских целей с помощью вычислительных операций сети персептрон позволяет повысить вероятность классификации как надводных, так и подводных целей на 5-7%.

На фиг. 9 приведена таблица интерпретации элементов выходного вектора распознавания гидроакустических сигналов по амплитудно-частотной характеристике.

Способ формирования масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта реализуется следующим образом.

Работа основной и дополнительных систем, входящих в состав масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта, выполняется единообразно. В качестве низкочастотных излучателей могут использоваться подводные звуковые маяки наведения типа ПЗМ-400. Излучающие и приемные тракты могут формироваться из существующих радиотехнических средств.

Как показано на фиг. 1 излучатель 3 и приемные преобразователи 4, 5 основной системы размещают в контролируемой морской среде 23 с учетом закономерностей многолучевого распространения волн. Между излучателем и двумя приемными преобразователями формируют рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и информационных волн 7, как две горизонтально разнесенные в зоне приема и совмещенные в зоне излучения параметрические антенны (см. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет лучевой картины» №2016616822 от 21.06.2016; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа имитационного моделирования процесса распространения гидроакустических сигналов» №2017664296 от 20.12.2017; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программно-вычислительный комплекс имитационного моделирования морской информационной ситуации при идентификации целей» №2018612944 от 01.03.2018).

Далее в излучающем тракте 1 генерируют сигналы накачки морской среды. Излучатель 3 озвучивает среду сигналами накачки стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц или линейно-частотно модулированными и (или) фазомодулированными сигналами, что обеспечивает дальний параметрический прием взаимодействующих волн в звуковом и инфразвуковом диапазонах частот.

На различных режимах движения морские цели 6 генерируют излучения, приводящие к изменению величины характеристик проводящей жидкости (плотности и (или) температуры и (или) теплоемкости и т.д.), которые в зависимости от их физической сущности модулируют сигналы накачки морской среды. Являясь неразрывно связанной компонентой информационной волны модуляционные составляющие переносятся на большие расстояния (десятки-сотни км). В спектре информационной волны появляются низкочастотные и высокочастотные составляющие, как результат амплитудно-фазовой модуляции низкочастотной волны накачки морской среды излучениями и полями источников волн.

Сигналы с приемных преобразователей 4 и 5 по кабельным линиям поступают на вход двухканального широкополосного усилителя 12 приемного тракта 2, где их усиливают в полосе параметрического преобразования, а затем измеряют разность фаз (блок 13), переносят частотно-временной масштаб сигналов в высокочастотную область (блок 14), проводят узкополосный спектральный анализ (блок 15) и выделяют признаки информационных волн, а именно амплитудно-фазовую модуляцию низкочастотной волны накачки среды излучениями и полями морских целей.

Операция преобразования частотно-временного масштаба сигнала в блоке 14 увеличивает концентрацию энергии нелинейно преобразованных сигналов и эффективность выделения из них признаков полей, генерируемых морскими целями.

Операции спектрального анализа в блоке 15 выделяют дискретные составляющие суммарной или разностной частоты в узкополосных спектрах нелинейно преобразованных сигналов, являющихся признаками проявления информационных волн, а именно амплитудно-фазовой модуляции низкочастотной волны накачки морской среды излучениями и полями источников волн.

Амплитудно-частотные характеристики сигналов объекта (обнаруженной морской цели), полученные с помощью узкополосного спектрального анализа в приемном тракте 2, подают на вход регистратора 16, а также через передающий радиоблок 17 приемного тракта 2 и приемный радиоблок 19 ИАЦ 18 на вход блока системного анализа 20 ИАЦ 18, где запускают вычислительные операции искусственной нейронной сети, с помощью которых проводят математическую обработку образов спектрограмм объектов и сравнивают степень принадлежности анализируемой области спектра базовым данным. После чего выполняют следующие операции с данными - записывают, накапливают и обновляют библиотеки портретов объектов классификации.

Далее формируют управляющий сигнал и передают с выхода блока 20 ИАЦ 18 через передающий радиоблок 21 ИАЦ 18 и приемный радиоблок 22 излучающего тракта 1 на вход соответствующего генератора сигналов накачки 8 или 9 излучающего тракта 1, что позволяет генерировать сигналы накачки морской среды с учетом гидролого-акустических условий распространения волн в морской среде и обнаруженных объектов.

Задача классификации морских целей решается с помощью трехслойной нейронной сети, которая распознает семь объектов и позволяет выделить один неизвестный класс, что в перспективе позволит значительно расширить круг классифицируемых морских целей. Настройка весовых коэффициентов распознающей сети определяется алгоритмом обратного распространения ошибки. Основная идея алгоритма состоит в распространении сигналов ошибки от выходов сети к её входам, в направлении, обратном прямому распространению сигналов в обычном режиме работы. Для возможности применения метода обратного распространения ошибки необходимо, чтобы передаточная функция нейронов была дифференцируема (см. Пятакович В.А., Василенко А.М. Предварительная обработка информации нейроноподобным категоризатором при распознавании образов морских объектов. Подводное морское оружие. - СПб: 2017. - Вып. 1 (32). - С. 31-34; Пятакович В.А., Василенко А.М. Перспективы и ограничения использования геометрических методов распознавания акустических образов морских объектов применительно к задаче управления нейросетевой экспертной системой. Фундаментальные исследования. - М: 2017. - № 7. - С. 65-70).

Анализ низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной составляющих амплитудно-частотной характеристики производится раздельно, так как генеральные признаки для различных типов объектов могут находиться в различных частотных диапазонах. Как показано на фиг. 6, на каждый нейрон первого слоя через синапсы с весами {T_ij⁽¹⁾}, i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3 подаются все компоненты входного вектора На каждый нейрон второго слоя через синапсы с весами {T_ij⁽²⁾}, i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3 подаются выходные сигналы первого слоя. На каждый нейрон третьего слоя через синапсы с весами {T_ij⁽³⁾}, i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3 подаются выходные сигналы второго слоя. Значения выходного сигнала третьего слоя распознающей сети образуют вектор решений , элементы которого представлены в табл. 1 на фиг. 9.

Масштабирование основной системы дополнительными системами обеспечивает на смежных и (или) отдаленных акваториях дальний параметрический прием волн в звуковом и инфразвуковом диапазонах частот с применением передачи данных из морской среды в атмосферу и обратно, а также увеличение емкости информации об источниках полей различной физической природы и гидролого-акустических условиях распространения сигналов в морской среде.

Для чего n дополнительных систем пространственно разносят в пределах смежных и (или) отдаленных акваторий и вводят единый информационно-аналитический центр (ЕИАЦ), управляющий работой основной и n дополнительных систем.

На фиг. 2 показано, что дополнительные системы снабжают излучающими 1.1…1.n и приемными 2.1…2.n трактами, блоки которых соединены и функционируют как в излучающем 1 и приемном трактах 2 основной системы, а также информационно-аналитическими центрами 18.1…18.n, блоки которых соединены и функционируют как в ИАЦ 18 основной системы.

Дополнительные системы снабжают также излучателями 3.1…3.n и приемными преобразователями 4.1…4.n, 5.1…5.n, которые размещают в морской среде и соединяют с излучающим 1.1…1.n и приемным 2.1…2.n трактами соответственно, рабочими зонами 7.1…7.n нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн, которые формируют в виде двух горизонтально-разнесенных в точках приема и совмещенных в точке излучения параметрических антенн.

Выходы приемных трактов основной и дополнительных систем
2, 2.1…2.n через передающие радиоблоки соединяют с входами ИАЦ
18, 18.1…18.n соответственно, выходы которых посредством линий радиосвязи соединяют с входами ЕИАЦ 25, через который пополняют библиотеки портретов объектов классификации, которые формируют в ИАЦ 18, 18.1…18.n., а также осуществляют управление работой масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта.

В ЕИАЦ 25 формируют управляющие сигналы, которые по каналам радиосвязи передают с выходов ЕИАЦ 25 в излучающие тракты 1, 1.1…1.n основной и n дополнительных систем на вход соответствующих генераторов сигналов для корректировки их параметров с учетом гидролого-акустических условий распространения волн в морской среде и обнаруженных объектов.

Таким образом, используя способ формирования масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта можно обеспечить на смежных и (или) отдаленных акваториях дальний параметрический прием волн в звуковом и инфразвуковом диапазонах частот с применением передачи данных из морской среды в атмосферу и обратно, а также классифицировать обнаруженные объекты на основе вычислительных операций искусственных нейронных сетей и библиотек математически обработанных образов спектрограмм морских целей.

Способ и реализующая его система промышленно применима, так как для ее создания используются распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.

Способ формирования масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта, заключающийся в формировании основной системы, для чего один излучатель и два приемных преобразователя размещают на противоположных границах среды и формируют между ними рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн из двух горизонтально разнесенных в зоне приема и совмещенных в зоне излучения параметрических антенн; далее нелинейно преобразованные волны принимают и передают в приемный тракт, где сигналы усиливают в полосе параметрического преобразования волн, измеряют их разность фаз, преобразуют частотно-временной масштаб сигналов в высокочастотную область, измеряют их узкополосные спектры и регистрируют; далее сигналы с выхода анализатора спектров передают по каналу радиосвязи в информационно-аналитический центр, где проводят идентификацию информационных волн, по результатам которой вводят необходимую корректуру и передают сигналы обратно в излучающий тракт для управления процессом излучения волн накачки морской среды, отличающийся тем, что основную систему масштабируют, для чего вводят n дополнительных систем, которые пространственно разносят в пределах смежных и/или отдаленных акваторий; кроме того, дополнительно вводят единый информационно-аналитический центр (ЕИАЦ), управляющий работой основной и n дополнительных систем; при этом в каждую дополнительную систему включают излучающие и приемные тракты, излучатель и два приемных преобразователя, которые размещают в морской среде и соединяют кабелем с излучающим и приемным трактами соответственно, а также рабочие зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн, которые формируют в морской среде в виде двух горизонтально-разнесенных в точках приема и совмещенных в точках излучения параметрических антенн, для чего среду озвучивают сигналами накачки, которые генерируют в излучающих трактах; далее сигналы принимают и посредством кабелей передают в приемные тракты, где сигналы усиливают в полосе параметрического преобразования волн, измеряют их разность фаз, преобразуют частотно-временной масштаб сигналов в высокочастотную область, измеряют узкополосные спектры, выделяют дискретные составляющие суммарной или разностной частоты как признаки проявления амплитудно-фазовой модуляции низкочастотной волны накачки среды излучениями и полями морских целей, далее сигналы передают на вход регистратора, а также на вход блоков системного анализа информационно-аналитических центров, где с использованием вычислительных операций искусственных нейронных сетей проводят математическую обработку образов спектрограмм объектов и сравнивают степень принадлежности анализируемой области спектра базовым данным, после чего записывают, накапливают и обновляют данные библиотеки портретов объектов классификации, затем сигналы с выходов информационно-аналитических центров основной и n дополнительных систем по каналам радиосвязи передают в ЕИАЦ, через который пополняют библиотеки портретов объектов классификации информационно-аналитических центров основной и n дополнительных систем, а также формируют сигналы, которые по каналам радиосвязи передают с выходов ЕИАЦ в излучающие тракты основной и n дополнительных систем на вход соответствующих генераторов сигналов накачки морской среды для корректировки их параметров с учетом гидролого-акустических условий распространения волн в морской среде и обнаруженных объектов.