Результат интеллектуальной деятельности: Способ обнаружения шумящих объектов в мелком море

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

Известен способ обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне (патент РФ №2298203, МПК G01S 3/80, G01S 15/04, опубликован 27.04.2007 г.), включающий прием шумового сигнала звукового давления в горизонтальной плоскости, при котором осуществляют частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов звукового давления для каждого пространственного канала наблюдения в горизонтальной плоскости, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы звукового давления к помехе, осуществляют накопление на последовательных циклах обзора принятых нормированных шумовых сигналов звукового давления и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха, при этом осуществляют прием шумового сигнала звукового давления статическим вертикальным веером одновременно в нескольких направлениях вертикальной плоскости каждого пространственного канала наблюдения в составе статического веера в горизонтальной плоскости, оптимизируют прием каждым горизонтальным пространственным каналом путем выбора наиболее вероятных углов приема в вертикальной плоскости для существующих гидроакустических условий подводного наблюдения. Для этого измеряют волнение поверхности моря, измеряют скорость звука в воде в зависимости от глубины, рассчитывают в каждом вертикальном пространственном канале уровень шумового сигнала на различных расстояниях и глубинах от точки приема по измеренным данным и по известным характеристикам дна, решая уравнение гидроакустики в пассивном режиме для шумящего объекта с заданным уровнем шумоизлучения с учетом характеристик приемной системы, рассчитывают уровень шумов моря в каждом вертикальном пространственном канале с учетом характеристик приемной системы по измеренным данным и известным характеристикам дна. Затем нормируют относительно расчетных шумов моря в вертикальных пространственных каналах расчетные уровни шумовых сигналов в каждом пространственном канале, полученные для заданных расстояний до шумящего объекта и глубин, рассчитывают для каждого расстояния и глубины шумящего объекта в вертикальных пространственных каналах отношение сигнал-помеха. После чего осуществляют обработку принимаемых шумовых сигналов звукового давления 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 звукового давления вертикальных пространственных каналов. Для реализации данного способа введены новые операции, а именно:

- прием шумовых сигналов звукового давления статическим вертикальным веером одновременно в нескольких направлениях вертикальной плоскости каждого пространственного канала наблюдения в составе веера горизонтальной плоскости,

- оптимизация приема для каждого горизонтального пространственного канала в наклоненных по вертикали веерах путем выбора наиболее вероятных углов приема в существующих гидроакустических условиях наблюдения, для чего осуществляют:

- измерение скорости звука в воде в зависимости от глубины,

- измерение волнения поверхности моря,

- вычисление в каждом вертикально наклоненном пространственном канале уровня шумового сигнала звукового давления на различных расстояниях и глубинах от точки приема по измеренным данным и по известным характеристикам дна,

- вычисление уровня звукового давления для шумов моря в каждом вертикальном пространственном канале с учетом характеристик приемной системы по измеренным данным и по известным характеристикам дна,

- нормирование относительно расчетных шумов моря соответствующих вертикальных пространственных каналов расчетных уровней шумовых сигналов звукового давления в каждом пространственном канале, полученных для заданных расстояний до шумящего объекта и глубин, вычисление для каждого расстояния и глубины шумящего объекта в вертикальных пространственных каналах отношения сигнал-помеха,

- обработку принимаемых шумовых сигналов звукового давления с весами, пропорциональными расчетному отношению сигнал-помеха в вертикальных каналах, до межциклового накопления,

- суммирование с расчетными весами принятых нормированных к помехе шумовых сигналов звукового давления вертикальных пространственных каналов,

- регистрация картины совокупности принимаемых сигналов на выходе приемной системы для которых выполнены указанные выше процедуры.

Недостатком данного способа является малая помехоустойчивость и малая дальность действия приемной системы при работе на низких частотах, когда размер приемной системы соизмерим с длиной волны. В этом случае алгоритмы формирования пространственной направленности становятся неэффективными из-за дисперсионных искажений сигналов.

Известен способ обнаружения шумящих объектов в мелком и глубоком море (патент РФ №2653189, МПК G01S 3/80, G01S 15/04, опубликован 07.05.2018 г.), включающий прием шумового сигнала комбинированным приемником, содержащим приемник звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости, в котором формируют методами частотно-временной обработки сигналов набор частотных каналов в заданном фиксированном частотном диапазоне в гидрофоном канале и в векторных каналах комбинированного приемника, вычисляют в каждом частотном канале комплексные амплитуды звукового давления, трех компонент вектора колебательной скорости, трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности и трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, для суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N),

усредняют за заранее определенный временной интервал Т₁, значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса (S+N),

выделяют из текущих значений суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха текущие значения помехи N,

вычисляют в каждом частотном канале текущие значения комплексных амплитуд звукового давления, трех компонент вектора колебательной скорости, текущие значения амплитуд трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности для помехи N,

усредняют за заранее определенный временной интервал Т₁, значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи N,

вычисляют в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал Т₂=10 T₁ текущие значения комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса (S+N),

вычисляют в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал Т₂=10 T₁ текущие значения комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи N,

нормируют квадрат звукового давления и компоненты комплексного вектора интенсивности, усредненные за время Т₁, вычисленные для суммарного процесса сигнал плюс помеха, на соответствующие значения квадрата звукового давления и компоненты комплексного вектора интенсивности, усредненные за время Т₁, вычисленные для помехи N,

нормируют вычисленные за время Т₂=10 T₁ текущие значения комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса (S+N) на соответствующие текущие значения комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи N,

вычисляют максимальное отношение сигнал/помеха из набора 21 информативных параметров, 7 информативных параметров для усредненных за время T₁ нормированных на помеху значений комплексного вектора интенсивности и квадрата звукового давления и 14 информативных параметров для усредненных за время Т₂=10 T₁ нормированных на помеху значений комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для комплексного вектора интенсивности и квадрата звукового давления,

принимают в качестве модельной статистики поля помехи в гидрофоном канале и в каналах вектора колебательной скорости гауссову статистику, принимают в качестве модельной статистики поля помехи в каналах вектора интенсивности лапласову статистику,

вычисляют на основе принятых статистик аналитическую зависимость вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги от порогового отношения сигнал-помеха по методу максимального правдоподобия,

и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного из набора 21 информативных параметров.

Данный способ является наиболее близким к заявленному изобретению и принят за прототип. Недостатком данного способа является малая помехоустойчивость и дальность действия на низких частотах, т.к. он не учитывает вихревую составляющую вектора интенсивности, роль которой возрастает с понижением частоты, а также недостаточная направленность приемной системы в векторных каналах.

Задачей заявляемого способа является повышение помехоустойчивости и дальности действия приемной системы на низких частотах в условиях мелкого моря путем формирования пространственных каналов комбинированного приемника с одностороннее направленностью, направленность которых не зависит от частоты, и увеличения на его выходе множества информативных параметров во всех сформированных пространственных каналах.

Для решения поставленной задачи в способе обнаружения шумящих объектов в мелком море в фиксированном частотном диапазоне, включающем прием шумового сигнала комбинированным приемником, содержащим приемник звукового давления и приемник вектора колебательной скорости, и последующую обработку шумового сигнала, в процессе которой

формируют методами частотно-временной обработки сигналов набор частотных каналов в заданном фиксированном частотном диапазоне в канале звукового давления и в векторных каналах комбинированного приемника, вычисляют в каждом частотном канале комплексные амплитуды звукового давления, трех компонент вектора колебательной скорости, трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности и трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, для суммарного процесса (S+N),

усредняют за заранее определенный временной интервал T₁, значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса (S+N),

выделяют из текущих значений суммарного случайного процесса (S+N), текущие значения помехи N,

вычисляют в каждом частотном канале текущие значения комплексных амплитуд звукового давления, трех компонент вектора колебательной скорости, текущие значения амплитуд трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности для помехи N,

усредняют за заранее определенный временной интервал Т₁, значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи N, вводят новые операции, а именно: формируют с использованием смешанных аддитивно-мультипликативных алгоритмов обработки 8 пространственных каналов в горизонтальной плоскости для горизонтальной компоненты комплексного вектора интенсивности, 2 пространственных канала в вертикальной плоскости для вертикальной компоненты комплексного вектора интенсивности, 4 пространственных канала в горизонтальной плоскости для горизонтальной компоненты ротора вектора интенсивности, 1 пространственный канал в вертикальной плоскости для вертикальной компоненты ротора вектора интенсивности,

вычисляют и усредняют за время T₁ в каждом частотном канале квадрат звукового давления, квадраты 3 вещественных компонент вектора градиента давления и квадраты 3 мнимых компонент вектора градиента давления в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, комплексные амплитуды 10 компонент вектора интенсивности в 10 сформированных пространственных каналах, 5 вещественных амплитуд 5 компонент ротора вектора интенсивности в 5 сформированных пространственных каналах для суммарного процесса (S+N),

вычисляют и усредняют за время Т₁ в каждом частотном канале набор из 32 информативных параметров, включающий квадрат звукового давления, квадраты 3 вещественных компонент вектора градиента давления и квадраты 3 мнимых компонент вектора градиента давления в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, комплексные амплитуды 10 компонент вектора интенсивности в 10 сформированных пространственных каналах, 5 вещественных амплитуд 5 компонент ротора вектора интенсивности в 5 сформированных пространственных каналах для помехи N,

нормируют 32 информативных параметра, усредненные за время Т₁, вычисленные для суммарного процесса (S+N), на соответствующие значения 32 информативных параметра, усредненных за время T₁, вычисленные для помехи N,

вычисляют в каждом частотном канале максимальное отношение сигнал/помеха для 32 информативных параметров (S/N)_T1, усредненных за время T₁,

принимают в качестве модельной статистики поля помехи в канале звукового давления и в каналах вектора колебательной скорости гауссову статистику, принимают в качестве модельной статистики поля помехи в каналах вектора интенсивности и ротора вектора интенсивности лапласову статистику, вычисляют на основе принятых статистик аналитическую зависимость вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги от порогового отношения сигнал-помеха по методу максимального правдоподобия, и

принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного из набора 32 информативных параметров.

В предлагаемом способе существенными признаками, общими с прототипом, являются следующие операции:

- используют в качестве приемной системы комбинированный приемник, содержащий приемник звукового давления, трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости,

- формируют методами частотно-временной обработки сигналов набор частотных каналов в заданном фиксированном частотном диапазоне в векторных каналах комбинированного приемника,

вычисляют в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятых шумовых сигналов, текущие значения комплексных амплитуд трех компонент вектора колебательной скорости, текущие значения амплитуд трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности для суммарного процесса (S+N),

усредняют за заранее определенный временной интервал T₁ значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса (S+N),

- выделяют из текущих значений суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха текущие значения помехи N,

вычисляют в каждом частотном канале текущие значения комплексных амплитуд трех компонент вектора колебательной скорости, текущие значения амплитуд трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности для помехи N,

усредняют за заранее определенный временной интервал T₁ значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи N,

формируют в каждом частотном канале набор информативных параметров, усредненных за время для суммарного процесса (S+N),

формируют в каждом частотном канале набор информативных параметров, усредненных за время для помехи N,

нормируют информативные параметры, вычисленные для суммарного процесса (S+N), на соответствующие информативные параметры, вычисленные для помехи N,

вычисляют максимальное отношение сигнал/помеха из набора информативных параметров,

принимают в качестве модельной статистики поля помехи в канале звукового давления и в каналах вектора колебательной скорости гауссову статистику,

принимают в качестве модельной статистики поля помехи в каналах вектора интенсивности лапласову статистику,

вычисляют на основе принятых статистик аналитическую зависимость вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги от порогового отношения сигнал-помеха по методу максимального правдоподобия,

принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного из набора информативных параметров.

- Отличительными существенными признаками предлагаемого способа являются следующие операции:

формируют в каждом частотном канале 8 пространственных каналов для горизонтальной компоненты вектора интенсивности и 2 пространственных канала для вертикальной компоненты вектора интенсивности, формируют в каждом частотном канале 5 пространственных каналов для горизонтальной компоненты ротора вектора интенсивности и 1 пространственный канал для вертикальной компоненты ротора вектора интенсивности,

вычисляют в каждом частотном канале во всех сформированных пространственных каналах 32 информативных параметра, усредненных за время Т₁, для суммарного процесса (S+N),

вычисляют в каждом частотном канале во всех сформированных пространственных каналах 32 информативных параметра, усредненных за время Т₁, для помехи N,

нормируют 32 информативных параметра, усредненные за время Т₁, вычисленные для суммарного процесса (S+N), на соответствующие значения 32 информативных параметра, усредненных за время Т₁, вычисленные для помехи N,

вычисляют в каждом частотном канале максимальное отношение сигнал/помеха из суммарного набора 32 отношений сигнал-помеха, вычисленных для 32 информативных параметров (S/N), усредненных за время T₁,

и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного из набора 32 информативных параметров.

Таким образом, именно такая совокупность существенных признаков заявленного способа позволяет сформировать с использованием смешанных алгоритмов аддитивно-мультипликативной обработки множество пространственных каналов, существенно увеличить множество информативных параметров и, соответственно, повысить помехоустойчивость и дальность действия приемной системы.

Новизна предлагаемого способа заключается в том, что в нем с использованием смешанных алгоритмов аддитивно-мультипликативной обработки сигналов сформированы 10 пространственных каналов для вектора интенсивности и 5 пространственных каналов для ротора вектора интенсивности. Это позволило сформировать 32 информативных параметра, усредненных за время Т₁, вычисленных отдельно для суммарного процесса (S+N) и для помехи N, и увеличенный набор отношений сигнал-помеха, среди которых выбирается информативный параметр, которому соответствует максимальное отношение сигнал-помеха. Увеличение числа информационных каналов, обладающих направленностью на любых, сколь угодно низких частотах, увеличивает помехоустойчивость комбинированного приемника и дальность действия приемной системы в режиме обнаружения слабых сигналов. При этом в полном наборе информативных параметров для потенциальной составляющей вектора интенсивности, для звукового давления и для градиента звукового давления велико отношение сигнал-помеха в зонах интерференционных максимумов, для вихревой составляющей вектора интенсивности и для ротора вектора интенсивности велико отношение сигнал-помеха в зонах интерференционных минимумов.

Блок-схема, поясняющая заявленный способ обнаружения, приведена на чертеже, где обозначены следующие элементы:

1 - комбинированный приемник,

2 - анализатор спектра суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N),

3 - блок выделения шумовой помехи (N),

4 - блок формирования пространственных каналов,

5 - блок формирования набора М информативных параметров для суммарного процесса (S+N),

6 - блок формирования набора М информативных параметров для шумовой помехи (N),

7 - блок формирования отношения сигнал/помеха по каждому информативному параметру (S/N)_m, m=1-M,

8 - компаратор, выбирающий информативный параметр с максимальным отношением (S/N)_max,

9 - автоматический обнаружитель порогового типа, устанавливающий пороговое значение отношения (S/N)₀,

10 - визуальный обнаружитель (планшет), формирующий сонограмму процесса обнаружения в координатах частота-время наблюдения.

Заявленный способ реализуется следующей последовательностью действий. Сигнал от шумящего объекта принимается комбинированным приемником 1, с выхода которого сигналы звукового давления и компонент вектора градиента давления поступают в блок 2 - анализатора спектра суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N). В этом блоке:

- формируют методами частотно-временной обработки сигналов набор частотных каналов в заданном фиксированном частотном диапазоне,

- вычисляют в каждом частотном канале комплексные амплитуды звукового давления, трех компонент вектора градиента давления, в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, для суммарного процесса (S+N)

где - комплексные амплитуды звукового давления и вектора градиента давления, соответственно,

Вычисленные в блоке 2 сигналы поступают на вход блока 3 выделения шумовой помехи (N) по алгоритму (1)

где f₀ - средняя частота канала, Δf₀ - заранее определенная полоса усреднения, примерно на порядок превышающая ширину дискретной составляющей Δf в спектре суммарного процесса (S+N), A_S+N, A_N - любой из перечисленных выше параметров звукового поля, вычисленный для суммарного процесса (S+N) и для помехи N.

Сформированные в блоках 2, 3 сигналы поступают в блоки 4 формирования пространственных каналов, в котором

- вычисляют в каждом частотном канале комплексные амплитуды вектора колебательной скорости и вектора интенсивности в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, для суммарного процесса (S+N) и для помехи N по формулам

- вычисляют в каждом частотном канале две горизонтальные компоненты вектора колебательной скорости в повернутой на 45° системе координат (α, β) для суммарного процесса (S+N) и для помехи N по формулам

где комплексные амплитуды спектральных составляющих на частоте со на расстоянии r(t) для компонент вектора колебательной скорости в локальной системе координат (х,у), связанной с приемником, ϕ₀ угол поворота,

С выхода блока 4 сигналы поступают в блоки 5, 6 формирования набора усредненных за время T₁ информативных параметров, в котором

- вычисляют и усредняют за время T₁ компоненты вектора интенсивности I_α, I_β в повернутой системе координат (α, β) для суммарного процесса (S+N) и для помехи N по формулам

p(ω,r(t)) - комплексная амплитуда спектральной составляющей на частоте ω на расстоянии r(t) для звукового давления,

- вычисляют и усредняют за время T₁ для суммарного процесса (S+N) и для помехи N величины

где чувствительность приемника звукового давления и приемника колебательной скорости на частоте ω соответственно, I_1x,I_ly,I_2x,I_2y - горизонтальные компоненты вещественной и мнимой составляющих вектора интенсивности в локальной системе координат, связанной с приемником, которым соответствует статический веер характеристик направленности в горизонтальной плоскости вида

где ϕ, θ - азимутальный угол и угол места,

- вычисляют величины

которым соответствует статический веер характеристик направленности в вертикальной плоскости вида

для вещественной и мнимой составляющих вертикальной компоненты вектора интенсивности

- вычисляют вещественные и мнимые составляющие вектора интенсивности во всех 10-пространственных каналах (4), (6) для суммарного процесса (S+N) и для помехи N,

- вычисляют и усредняют за время T₁ 6 квадратичных компонент вектора градиента давления по формулам

- вычисляют и усредняют за время T₁ 5 компонент ротора вектора интенсивности и квадрат звукового давления по формулам

С выходов блоков 5, 6 сигналы, сформированные по алгоритмам (3), (5), (7), (8) информативные параметры поступают на вход блока 7 формирования отношения сигнал/помеха (S/N)_m по каждому информативному параметру A_m (m=1-32). Для этого усредненные за время T₁ информативные параметры, сформированные в блоке 5, центрируют и нормируют на соответствующие параметры A_m, вычисленные в блоке 6 для помехи N.

При выборе интервала усреднения T₁ учитывают, что время усреднения Т₁, необходимое для усреднения изотропной составляющей помехи, должно составлять порядка 50-60 с, Сформированные в блока 7 нормированные параметры (S/N)_m поступают на вход блока 8 - компаратора, в котором вычисляют максимальное отношение сигнал/помеха по одному из 32 параметров. Вычисленные максимальные значения отношения сигнал/помеха сравниваются с заданным в блоке 9 пороговым значением отношения сигнал/помеха и отображаются в блоке 10, который представляет собой визуальный обнаружитель (планшет), формирующий сонограмму процесса обнаружения в координатах частота-время наблюдения.