Результат интеллектуальной деятельности: Устройство получения информации о шумящем в море объекте

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для определения параметров объектов, шумящих в море.

В понятие «информация о шумящем в море объекте» [1] вкладывают три основные характеристики: направление на шумящий объект, дистанция до объекта, класс шумности, под которым понимают разделение объектов на объекты малой шумности и объекты большой шумности. Для разделения объектов на классы шумности производят определение уровня шумности объекта в точке излучения. При этом предполагают, что к объектам малой шумности можно отнести подводные объекты, а к объектам большой шумности - боевые надводные корабли и гражданские суда. Понятно, что возможность определения глубины погружения объекта была бы желательна как для уточнения класса объекта, так и для получения более полной информации о нем.

Известно устройство [2] определения шумности объекта, основанное на оценке мощности принятого сигнала и дальнейшего пересчета этой оценки в предполагаемую точку излучения в горизонтальной плоскости. Для реализации такого подхода необходима предварительная оценка дистанции до шумящего объекта, которая используется как параметр. В устройстве не предполагается учет глубины погружения объекта, то есть не учитывается явление фокусировки сигнала после многолучевой рефракции в вертикальной плоскости при распространении в среде, которое может значительно изменять мощность сигнала, принятого с разных глубин погружения источника, при одном горизонтальном удалении.

Известно устройство [3] оценки дистанции до шумящего в море объекта, которое использует физическое явление частотно-зависимого затухания сигнала при распространении в среде. Устройство хорошо работает в мелком море, когда вследствие сильного влияния дна явлением рефракции лучей можно пренебречь. Однако в глубоком море, при наличии зональной структуры гидроакустического поля, явление рефракции проявляется сильно. В результате происходит фокусировка лучей, которая вносит вклад в численные параметры затухания сигнала, сравнимый по значению величин с параметрами частотно-зависимого затухания. При оценке дистанции до объекта будет допущена ошибка смещения, которая приведет к ошибке смещения при дальнейшем определении шумности объекта.

Известно устройство реализации способа получения информации о шумящих в море объектах [4], которое позволяет обнаружить объект и определить направление на него. Однако устройство не позволяет получить полную информацию о шумящем в море объекте, а именно дистанцию и глубину.

Наиболее близким аналогом по используемым признакам и решаемым задачам к предлагаемому изобретению является устройство получения информации о шумящем в море объекте [5], которое принято за прототип.

Устройство-прототип содержит следующие блоки: последовательно соединенные многоэлементную акустическую приемную антенну шумопеленгования, блок формирования веера характеристик направленности (ХН) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, блок полосовой фильтрации, детектор и накопитель, последовательно соединенные блок формирования двумерной функции меры сходства, блок совместного определения дистанции и глубины и блок определения шумности, последовательно соединенные блок измерения вертикального разреза скорости звука (ВРСЗ) и блок расчета поля, а также блок обнаружения объекта и определения направления на него.

Недостатком устройства-прототипа является то, что в нем получение информации о шумящем в море объекте осуществляется путем анализа замеренных значений отношения сигнал-помеха. Но для того, чтобы заранее вычислить априорно-неизвестную анизотропную распределенную по вертикали помеху, информации о ВРСЗ недостаточно. Необходимо также знание характера распределенной помехи, включающей в себя большое количество таких априорно неизвестных компонент, как шум моря, шум ветра, шум прибоя и др., а также шум носителя, включающий структурную помеху и шумы обтекания. Вследствие этого анизотропия распределенной помехи не может быть вычислена, следовательно, рассчитать заранее отношение сигнал/помеха исходя только из знания ВРСЗ и гипотезы о дальности и глубине объекта не представляется возможным, а ошибка расчетного определения отношения сигнал/помеха приводит к ошибкам при сопоставлении базы и замера, что может приводить к существенным ошибкам при получении информации о шумящем в море объекте.

Техническим результатом изобретения является повышение точности полученной информации о шумящем в море объекте, которое достигается за счет уменьшения влияния вертикально-анизотропной распределенной помехи.

Для достижения данного технического результата в устройство получения информации о шумящем в море объекте, содержащее последовательно соединенные многоэлементную акустическую приемную антенну шумопеленгования, блок формирования веера характеристик направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, блок полосовой фильтрации, детектор и накопитель, также содержащее последовательно соединенные блок формирования двумерной функции меры сходства, блок совместного определения дистанции и глубины и блок определения шумности, также содержащее последовательно соединенные блок измерения вертикального разреза скорости звука и блок расчета поля, также содержащее блок обнаружения объекта с определением направления на него, введены новые признаки, а именно: блок формирования матрицы уровней замера и блок формирования матрицы уровней прогноза по сетке дистанция-глубина, при этом выход блока накопителя соединен с входом блока обнаружения объекта и определения направления на него, выход блока обнаружения объекта и определения направления на него соединен с входом блока формирования матрицы уровней замера, а первый и второй выходы блока формирования матрицы уровней замера соединены с первым входом блока формирования двумерной функции меры сходства и со вторым входом блока определения шумности, соответственно, выход блока расчета поля соединен с входом блока формирования матрицы уровней прогноза по сетке дистанция-глубина, а первый и второй выходы блока формирования матрицы уровней прогноза по сетке дистанция-глубина соединены со вторым входом блока формирования двумерной функции меры сходства и с третьим входом блока определения шумности, соответственно, при этом блок формирования матрицы уровней замера выполнен в виде вычислителя, реализующего расчет значений уровней сигнала для заданного набора частотных диапазонов в каждом из углов наклона характеристики направленности в вертикальной плоскости для каждого обнаруженного объекта, блок формирования матрицы уровней прогноза по сетке дистанция-глубина выполнен в виде вычислителя, который для каждой точки сетки по дистанции и глубине реализует расчет прогнозных значений уровней сигнала для того же набора частотных диапазонов и углов наклона характеристики направленности, что и блок формирования матрицы уровней замера.

Указанный технический результат достигается за счет того, что получение информации о шумящем в море объекте осуществляется путем анализа замеренных уровней сигнала, значения которых не зависят от величины и характера анизотропной распределенной помехи.

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, где приведена блок-схема предложенного устройства получения информации о шумящем в море объекте.

Заявленное устройство (Фиг. 1) содержит две ветки последовательно соединенных блоков.

В первой ветке последовательно соединены многоэлементная антенна шумопеленгования 1, блок 2 формирования веера характеристик направленности, блок 3 полосовой фильтрации, детектор 4, накопитель 5, блок 6 обнаружения объекта и определения направления на него, блок 10 формирования матрицы уровней замера, блок 11 формирования двумерной функции меры сходства, блок 12 совместного определения дистанции и глубины, блок 13 определения шумности. В первой ветке существует дополнительная связь между вторым выходом блока 10 и вторым входом блока 13.

Во второй ветке последовательно соединены блок 7 измерения вертикального распределения скорости звука, блок 8 расчета поля, блок 9 формирования матрицы уровней прогноза по сетке дистанция-глубина.

Две ветки устройства соединены между собой двумя линиями связи: первый выход блока 9 соединен со вторым входом блока 11, второй выход блока 9 соединен с третьим входом блока 13.

Практическое исполнение блоков, входящих в изобретение, известно из практики гидроакустики и реализуется на основе применения цифровых устройств.

Многоэлементная антенна шумопеленгования известна из [6], при этом антенные модули могут быть выполнены согласно [7], а блок формирования веера характеристик направленности согласно [8]. Блок измерения вертикального распределения скорости звука может быть выполнен согласно [9]. Выполнение блоков расчета поля, формирования двумерной функции меры сходства, совместного определения дистанции и глубины, а также определения шумности приведено в прототипе [5]. Остальные блоки, в том числе вновь создаваемые, могут быть выполнены в модулях программируемых процессоров сигналов и в модулях универсальной части цифрового вычислительного комплекса [10].

Работа устройства осуществляется следующим образом. Шумовой сигнал объектов, принятый антенной 1, поступает в блок 2, в котором формируется веер характеристик направленности (каналы наблюдения) в горизонтальной плоскости (каналы по горизонту) и вертикальной плоскости (каналы по углу места). Далее сигналы всех каналов наблюдения независимо поступают в блок полосовой фильтрации, в котором осуществляется полосовая фильтрация с формированием частотных диапазонов в каждом канале наблюдения. В блоках 4, 5 производится квадратичное детектирование и накопление сигнала во времени. В блоке 6 осуществляется обнаружение объекта и определение направления на него. В блоке 10 для каждого обнаруженного объекта формируется матрица уровней замера, состоящая из значений уровней сигнала в совокупности частотных диапазонов во всех каналах по углу места.

В дальнейшую обработку в блок 11 поступают матрицы уровней замеров, относящихся к обнаруженным объектам. По каждому объекту ведется независимая параллельная обработка в блоках 11, 12, 13.

В блоке 7 производится измерение скорости звука в зависимости от глубины в месте акватории, в котором находится носитель устройства. Таблица измеренных значений скорости звука поступает в блок 8, в котором производится расчет траекторий звуковых лучей в плоскости дистанция-глубина и расчет аномалии распространения сигнала вдоль траектории каждого луча. В блоке 9, куда поступает аномалия распространения сигнала, производится формирование матрицы уровней прогноза по сетке дистанция-глубина. Матрица уровней прогноза в каждой точке сетки содержит значения прогнозных уровней сигнала для совокупности частотных диапазонов приемной части устройства для всех каналов устройства по углу места. При расчете прогноза уровней сигнала учитываются как аномалия распространения сигнала в текущих гидролого-акустических условиях, так и частотно-зависимое затухание сигнала в среде. Расчет производится для единичной шумности сигнала в источнике.

В блок 11 для каждого объекта, обнаруженного в блоке 6, поступают две матрицы: из блока 10 матрица уровней замера, из блока 9 матрица уровней прогноза по сетке дистанция-глубина. В блоке 11 осуществляется расчет совокупности мер сходства между матрицей уровней замера и матрицей уровней прогноза для каждой из точек сетки дистанция-глубина, в результате чего формируется двумерная функция меры сходства в зависимости от двух величин - дистанции и глубины. В качестве мер сходства может использоваться любая из известных мер сходства, например, коэффициент корреляции или евклидово расстояние. Поскольку значения элементов матрицы уровней замера не зависят от величины и характера анизотропной распределенной помехи, вычисленная двумерная функция меры сходства также не зависит от анизотропии распределенной помехи и не имеет искажений, обусловленных ее наличием.

Из блока 11 функция мер сходства поступает в блок 12, реализующий поиск аргументов двумерной функции мер сходства, при которых она имеет экстремум: максимум при использовании коэффициента корреляции или минимум при использовании евклидова расстояния. Полученные аргументы функции мер сходства являются оценками параметров дистанции до объекта и глубины погружения объекта.

В блок 13 поступают: из блока 10 матрица уровней замера, из блока 9 матрицы уровней прогноза по сетке дистанция-глубина, из блока 12 полученные оценки дистанции и глубины. В блоке 13 производится выбор матрицы уровней прогноза, соответствующей полученным значениям дистанции и глубины, выбор частотного диапазона и канала по углу места, в которых значение уровня в матрице замера максимально, и расчет шумности объекта путем деления выбранного значения уровня из матрицы замера на выбранное значение уровня в матрице прогноза.

Итак, использование в блоке 11 для сопоставления с расчетными значениями замеренных уровней сигнала, не зависящих от анизотропной распределенной помехи, обеспечивает повышение точности полученной информации о шумящем в море объекте по сравнению с прототипом.

Таким образом, поставленная задача успешно решается.

Источники информации

1. Величкин С.М., Миронов Д.Д., Антипов В.А., Зеленкова И.Д., Перельмутер Ю.С. Патент РФ №2156984 от 27.09.2000. Способ получения информации о шумящем в море объекте и способ получения цветовых шкал для него. МПК G01S 3/84.

2. Кобылянский В.В. Разработка алгоритмов классификации шумовых гидроакустических сигналов на основе использования акустико-конструктивных характеристик объектов излучения и моделей среды. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Л.: ЦНИИ «Морфизприбор». 1982.

3. Голубев А.Г., Мисюченко И.Л. Патент РФ №2128848 от 10.04.1999. Способ измерения дальности до источника шумоизлучения. МПК G01S.

4. Антипов В.А., Величкин С.М., Обчинец О.Г., Пастор А.Ю., Подгайский Ю.П., Янпольская А.А. Патент РФ №2353946 от 27.04.2009. Способ получения информации о шумящих в море объектах. МПК G01S 3/80.

5. Зеленкова И.Д., Волкова А.А., Никулин М.Н. Патент РФ №2590933 от 10.07.2016. Устройство получения информации о шумящем в море объекте. МПК G01S 3/80.

6. Литвиненко С.Л. Патент РФ №2515133 от 10.05.2014. Сферическая гидроакустическая антенна. МПК G01S 15/00.

7. Смарышев М.Д., Черняховский А.Е., Иванов A.M., Шатохин А.В., Селезнев И.А., Никандров В.А., Маляров К.В., Барсуков Ю.В. Патент РФ №2539819 от 27.01.2015. Антенный модуль с цифровым выходом. МПК H04R 1/44.

8. Баскин В.В., Гришман Г.Д., Казаков М.Н., Криницкий A.M., Леоненок Б.И., Смарышев М.Д. Патент РФ №2293449 от 10.02.2007. Способ формирования частотно независимой характеристики направленности рабочим сектором многоэлементной гидроакустической приемной круговой антенны. МПК H04R 1/44, G01S 15/02.

9. Полканов К.И., Романов В.Ю., Смелов Д.А. Патент РФ №2208223 от 10.07.2003. Измеритель скорости звука в жидких средах. МПК G01H 5/00.

10. Бетелин В.Б., Капустин Г.И., Кокурин В.А., Корякин Ю.А., Лисе А.Р., Немытов А.И., Першин А.С., Рыжиков А.В., Челпанов А.В., Шалин С.А. Патент РФ №2207620 от 10.03.2003. Цифровой вычислительный комплекс для обработки сигналов в гидроакустических системах. МПК G06F 15/16, G01S 15/88.