СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ШУМЯЩЕМ В МОРЕ ОБЪЕКТЕ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦВЕТОВЫХ ШКАЛ ДЛЯ НЕГО

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в системах шумопеленгования. Обычно в понятие "информация о шумящем в море объекте" вкладывают три основные характеристики:
- собственно наличие (обнаружение) объекта в море и направление на него;
- определение класса объекта (например, сильношумящий, слабошумящий);
- определение дистанции до объекта.

Известен способ обнаружения и определения дистанции до цели, использующий характерную особенность распространения звука в море - многолучевость, при этом прием сигнала в пассивном режиме осуществляют одной антенной с различных углов в вертикальной плоскости, а также физически (геометрически) эквивалентный ему способ, использующий прием сигнала на две антенны, разнесенные в пространстве (В.С. Бурдик, "Анализ гидроакустических систем".- Л.: Судостроение, 1988, с. 377).

Следует отметить, что в заявляемом способе прием осуществляют одной антенной (не разнесенный прием).

Известен способ распознавания морских объектов, т.е. определение класса шумящего объекта, основанный на формировании признаковых описаний сигналов с использованием особенностей спектрального состава шумоизлучения объектов различных классов с представлением оператору результатов спектрального, корреляционного, взаимокорреляционного и взаимоспектрального анализов принятого сигнала в различных частотных диапазонах гидроакустических станций (В.В. Деев, Ю.Б. Забродин и др. "Анализ информации оператором-гидроакустиком".- Л. : Судостроение, 1989, с. 109). Способ сложный, требует применения сложной дорогостоящей аппаратуры и не позволяет получить сведений о дистанции.

В шумопеленговании методы совместного определения класса источника шумового сигнала и дистанции до него в настоящее время не известны.

Таким образом, желательно иметь способ получения информации о шумящем в море объекте, который одновременно позволил бы определить класс шумящего объекта и дальность до него и при этом не содержал бы сложных и дорогостоящих в реализации операций корреляционного, спектрального, взаимокорреляционного анализа и т.п.

Наиболее близким по технической сущности (по числу совпадающих операций) к предлагаемому является способ шумопеленгования, в соответствии с которым с помощью индикации в каждом (одном) частотном диапазоне принятого сигнала производят обнаружение трассы сигнала шумящего объекта (А.П. Евтютов, А.С. Колесников и др. Справочник по гидроакустике.- Л.: Судостроение, c. 14, 15).

Этот способ содержит следующие операции:
- прием гидроакустического шумового сигнала с помощью сформированных характеристик направленности антенны;
- частотно-временная обработка сигнала, включающая формирование частотных диапазонов, детектирование, временное осреднение;
- индикация на экране трассы сигналов шумящего объекта в каждом частотном диапазоне.

Задачей изобретения является обеспечение возможности одновременного обнаружения, классификации и определения дистанции до шумящего объекта.

Для решения поставленной задачи в способ получения информации о шумящем объекте, содержащий прием гидроакустического шумового сигнала, частотно-временную обработку сигнала с формированием частотных диапазонов, детектирование и осреднение сигналов в частотных диапазонах, индикацию трассы сигналов в каждом частотном диапазоне, введены новые операции:
- перед индикацией сигнал каждого частотного диапазона кодируют своим цветом, при этом яркость каждой цветовой компоненты определяется уровнем сигнала в соответствующем частотном диапазоне, а соединение цветовых компонент в цветное представление производят, например, так же, как на экране цветного кинескопа;
- производят индикацию цветового изображения сигнала шумящего объекта во времени, при этом результирующий цвет в каждой точке экрана при индикации определяется соотношением уровней сигнала в частотных диапазонах (индикаторная трасса цели);
- определение класса шумящего объекта и оценка дистанции до него путем сопоставления цвета индикаторной трасcы сигнала объекта с цветовыми шкалами шумящих объектов разных классов по дистанции.

Известно, что основными причинами потерь энергии гидроакустического сигнала с расстоянием в воде (затухания сигнала) являются расширение фронта волны, рассеяние и поглощение. На частотах 1-5 кГц и более основной вклад в затухание (без учета расширения фронта волны) вносит поглощение, которое по своей физической природе является частотно-зависимым и определяет закон спада спектра шумоизлучения от расстояния. При этом потери энергии при распространении являются аддитивными независимо от механизма их возникновения. В связи с этим эмпирически разработана формула для коэффициента пространственного затухания энергии при распространении (β), учитывающая все факторы поглощения энергии.

При измерениях в море было установлено, что гипотеза о сферическом законе расширения фронта волны с учетом поглощения обеспечивает приемлемое соответствие полученным данным для самых разных условий. Таким образом, в пределах обычно большого разброса результатов измерений допущение о суммарном действии сферического закона и поглощения дает удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

С учетом сказанного квадрат давления поля, создаваемого шумоизлучением источника, в точке приема (на дистанции обнаружения) при сферическом законе распространения сигнала в однородной среде определяется формулой

где P_пр(r) - уровень акустического давления в точке приема;
P_o - приведенный уровень шумоизлучения источника (на расстоянии 1 м в полосе 1 Гц на частоте 1 кГц);
r - дистанция обнаружения (распространения);
β - коэффициент пространственного затухания, для оценочных расчетов часто используют эмпирическую формулу Шихи и Хелли (1957 г.)
β = 0,036•f^3/2дБ/км,
где f - частота шумоизлучения источника.

Известно, что приведенные уровни шумоизлучения объектов различных классов отличаются на 20 дБ и более и как следствие отличаются предельные дальности их энергетического обнаружения (до 10 раз).

Следовательно, если даже в источнике шумовые сигналы объектов различных классов имеют близкие по форме спектры (законы спада 6 дБ/октаву), то при их обнаружении на предельных дистанциях за счет частотно-зависимого затухания при распространении законы спада их спектров будут отличаться на 5-8 дБ.

Используемой характеристикой оценки формы (закона спада) спектра объекта выбрано соотношение уровней принятого сигнала в трех частотных диапазонах, на которые разбит весь диапазон принимаемого сигнала. Как следует из всего вышесказанного, данное соотношение для объектов различных классов на предельных дистанциях их обнаружения будет различно, а при обнаружении объектов разных классов на близких по значению дистанциях значения данного соотношения будут также различны.

Следовательно, при введении цветового кодирования сигнала, принятого в каждом из ЧД, такого, что яркость каждой цветовой компоненты зависит от уровня сигнала, с последующим соединением их в цветное изображение на индикаторе, можно утверждать, что цвет свечения индикаторной трассы объекта, отражающий значение соотношения уровней сигнала в ЧД, несет информацию о дистанции до шумящего объекта и его классе.

Получение информации о дистанции и классе шумящего объекта в предлагаемом способе осуществляют путем сопоставления цвета трассы сигнала с цветовыми шкалами классов по дистанции, полученными для существующих гидроакустических условий.

Цветовые шкалы классов получают способом, содержащим следующие операции:
- измеряют зависимость скорости звука в воде от глубины;
- измеряют волнение на поверхности моря;
- по измеренным данным и по известным характеристикам дна рассчитывают акустическое поле сигналов разных классов шумящих объектов в каждом частотном диапазоне по дистанции.

Расчет производят, например, методом расчета акустического поля, изложенным в "Справочнике по гидроакустике", Л.: Судостроение, 1982, с. 102,103.

Сущность приближенного метода расчета состоит в вычислении аномалии распространения, т.е., если интенсивность поля в однородной безграничной среде определяется соотношением

где I_o - интенсивность источника на расстоянии r_o, в реальных средах выражение (2) имеет вид
I_p=I(r)•A(r), (3)
где A(r) - величина аномалии распространения,
для некогерентного суммирования аномалия рассчитывается по формуле
(4)
где F_j - фактор аномалии (фокусировки) j-го луча, определяемый степенью рефракции акустических лучей.

Он рассчивается на расстоянии r от источника при угле выхода луча из источника θ_иj по формуле

h_и - глубина погружения источника;
h_пр - глубина погружения приемника;
θ_прj - угол скольжения луча на горизонте приемника;
где K_Пj - коэффициент отражения по интенсивности от поверхности j-гo луча.

Для j-гo луча, падающего на поверхность под углом скольжения θ_пj, коэффициент может быть рассчитан по формуле
K_Пj= exp[2•(-0,3•k•H•sinθ_Пj)] (6)
k = 2π/λ - волновое число,
H - высота волны в зависимости от силы ветрового волнения, в баллах; где К_Дj - коэффициент отражения по интенсивности от дна j-гo луча, при угле скольжения у дна θ_Дj, для районов с плоским дном он может быть рассчитан по формуле

ρ и c - плотность и скорость звука в придонном слое воды;
ρ₁ и c₁ - плотность и скорость звука в поверхностном слое грунта;
где R_l(θ_прj) - характеристика направленности антенны в вертикальной плоскости;
где n и m - число отражений j-го луча от поверхности и дна соответственно;
где N - число лучей, приходящих в точку наблюдения.

В соответствии с выражениями (2)-(7) производят расчет аномалии распространения, расчет потерь на распространение в реальной среде.

Расчет уровня акустического давления (акустического поля сигнала) в точке приема производится по формуле
N_пр(r)=S+N_о(r)+A'(r) (8)
где N_пр(r)= 20Ig[P_пр(r)/P_одБ] - уровень акустического давления (в дБ) в реальной океанической среде в точке приема;
S = 20Ig(P_о/P_одБ) - уровень излучения на единичном расстоянии от источника:
N_о(r) - потери на распространение, учитывающие сферическое расхождение фронта волны и километрическое затухание акустических сигналов (β);
A'(r) ≈ 10lgA(r) - аномалия распространения, выраженная в дБ.

Для определения возможности обнаружения шумящего объекта в пассивном режиме по дистанции решают уравнение гидроакустики, которое связывает технические характеристики гидроакустической аппаратуры, параметры шумящего объекта взаимодействия, характер его расположения относительно приемной антенны и границ среды и особенности распространения сигналов и шумов в океане.

УИ-ПР-УШ-ПН+ПО = УП + ПО, где
УИ - интенсивность шумоизлучения на акустической оси в 1 м от источника;
ПР - потери при распространении звука в морской среде;
УП = УШ - ПН - интенсивность помех на выходе приемника, равная разности интенсивности шумов (УШ) и показателя направленности (ПН);
ПО - порог обнаружения: отношение мощности сигнала определенной формы к мощности помехи. Все упомянутые расчеты могут быть проведены по алгоритмам, например, приведенным в книге "Дальность действия гидроакустических средств", Л.: Судостроение, 1981.

Полученные расчетные уровни сигналов в трех ЧД в каждой точке по дистанции для каждого класса объектов, где возможно их обнаружение гидроакустической аппаратурой, преобразуют из цифровой формы в аналоговую и передают на прединдикаторную обработку (такую же, как в основном способе), т.е. в каждом частотном диапазоне сигналы кодируют своим цветом так, что яркость каждой цветной компоненты определяется мощностью сигналов. По результатам решения уравнения гидроакустики в каждой точке по дистанции три цветовые компоненты соединяют в цветное представление на экране, и полученное изображение цветовой шкалы для данного класса шумящего объекта в зависимости от дистанции запоминают.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ получения информации о шумящем в море объекте.

На фиг. 2 приведена блок-схема устройства получения цветовых шкал для первого способа.

Первый способ может быть реализован в устройстве, изображенном на фиг. 1. Шумовой сигнал принимается антенной 1, сигнал с выхода антенны передается в блок 2 формирования диаграмм направленности, с выхода блока 2 сигнал поступает на вход трехполосного диапазонного фильтра блокa 3 и далее сигналы в трех частотных диапазонах через блоки детектирования 4 и накопления (осреднения) 5 поступают на вход блока цветового кодирования 6. Изображение трассы сигнала получают на экране электронной лучевой трехцветной трубки 7 (индикатор). Способ получения цветовых шкал может быть реализован устройством для получения цветовых шкал, представленнoм на фиг. 2. Оно содержит вычислительное устройство 8, которое рассчитывает акустическое поле сигналов и решает уравнение гидроакустики по данным, поступающим:
- от устройства измерения зависимости скорости звука от глубины 9 (в качестве такого устройства может быть применен измеритель XSV ВМФ США);
- от измерителя волнения поверхности моря 10;
- от районированного банка характеристик дна 11 (Океанографические таблицы.- Л.: Гидрометиздат, 1975).

С выхода вычислительного устройства 8 сигналы в трех частотных диапазонах через блок 12 преобразования цифровой формы сигналов в аналоговую передаются в блок цветного кодирования 6 и затем на индикатор 7. Полученное изображение цветной шкалы в зависимости от дистанции заносится в блок видеопамяти 13.