Способ пассивного определения координат источников гидроакустического излучения

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в пассивной гидролокации в зоне излучения источника с круговым (сферическим, цилиндрическим) волновым фронтом, а также в атмосферной акустике и пассивной радиолокации. В этой области техники актуальной является задача обнаружения и определения координат слабого источника излучения в присутствии сильного мешающего источника.

Известен способ [1, с. 28] пассивного определения направления на источник излучения с подавлением сильного мешающего сигнала в основном пространственном канале (ОК), для чего используется «опорный луч», ориентированный на локальный мешающий источник. Для ориентации суммируют сигналы приемников антенны с введением временных задержек, компенсирующих разность времен распространения сигнала от излучателя к приемникам. Сигналы с сумматора «опорного луча» используют для вычитания (режекции) мешающего сигнала в выходном сигнале каждого приемника ОК. Преимуществом этого способа является подавление мешающего сигнала в основном канале, что обеспечивает повышение выходного отношения сигнал/помеха, обнаружение слабого сигнала и определение его параметров. Недостатком этого способа является то, что для его использования требуется априорное знание не только направления на мешающий сигнал, но и на искомый слабый источник, которое до его обнаружения может быть неизвестно. Другой недостаток в том, что метод предназначен для «очистки» одного пространственного канала и для определения только одной координаты - направления при плосковолновом фронте сигналов. Способ не предусматривает функцию обзора и обнаружения в секторе направлений и интервале дистанций. Определение этим способом всех координат, в том числе дальности до источника в пределах зоны Френеля его поля, невозможно.

Известен способ определения направления α на объект [2, с. 255] с использованием антенной решетки из М приемных элементов, расположенной в плосковолновой зоне поля источника, на выходах которых имеет место смесь полезного сигнала и некоррелированной с ним мешающей локальной помехи. Метод приема основан на формировании веера характеристик направленности в окрестностях основного, «очищаемого» направления приема и в направлении на мешающий источник, оценке суммарного помехового сигнала в очищаемом направлении от локальных помех с других направлений α_j, и режекции (вычитании) его из процесса на выходе обычного устройства формирования характеристики направленности (ФХН). Преимуществом этого способа является повышение отношения сигнал/помеха слабого источника на выходе «очищаемого канала» и точности определения направления на него на фоне распределенной помехи и мешающего локального источника. Метод не требует априорного знания направления на слабый источник. Недостаток этого метода в том, что предназначен для «очистки» одного пространственного канала и для определения только одной координаты - направления при плосковолновом фронте сигналов. Определение этим способом всех координат, в том числе дальности до источника в зоне Френеля его поля, невозможно.

Известен «Способ пассивного определения координат движущегося источника излучения» [3], включающий функцию слежения по двум координатам с обратной связью приемной системой (ПС) из М антенн, М≥3, фокусирование антенн ПС в точку предполагаемого расположения источника - «опорную» точку (ОТ) и двухкоординатный дискриминатор отклонения точки фокусировки от фактического значения координат источника. «Опорную» точку на i-ом цикле получают путем динамического сглаживания последовательности измерений на предыдущих циклах и прогнозирования на текущий цикл известными методами сглаживания последовательностей [4] или рекуррентными методами (например «фильтр Калмана»). Преимущество данного способа в том, что он обеспечивает пассивное определение координат - направления и дальности, автоматическое сопровождение движущегося источника излучения М-антенной приемной системой в зоне Френеля и суммарный выходной сигнал ПС, сфокусированной в точку текущего положения сопровождаемого источника излучения. Недостатки данного способа заключаются в том, что он не обеспечивает функции наблюдения в поле обзора источников, интересующих оператора, а также надежного определения координат слабого источника в присутствии излучения сильного мешающего источника.

Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности общих признаков является «Способ пассивного определения координат источников излучения» [3], содержащий прием сигналов с круговым волновым фронтом линейной приемной системой (ПС) из М антенн (М≥3) с N_пр приемниками каждая, расположенных в пространстве известным образом, предварительную обработку включающую: синхронную дискретизацию, цифровое преобразование, циклическое дискретное преобразование Фурье (ПФ) выборок сигналов антенн объемом N_ПФ в массивы спектральных частотных отсчетов X_m(ƒ_k) в полосе приема ƒ_н≤ƒ_k≤ƒ_в, и двухкоординатный индикатор обзора в заданном секторе направлений <α_min, α_max> и интервале дальностей <D_min, D_max> с дискретной координатной сеткой (КС) <α_р, D_q> размером P×Q. Для каждого pq-го узла координатной сетки вычисляют по формулам тригонометрии время распространения сигнала t_m(α_p, D_q, r_m) к центрам каждой m-й антенны ПС с координатами ее центра r_m, (m=1, …, М). По выборкам сигналов М антенн определяют (М²-М)/2 попарных функций взаимной корреляции (ПВКФ) C_mn(τ) сигналов пар антенн путем определения взаимных спектров плотности мощности (ПВКФ), умножения на коэффициент частотной характеристики h_k и обратного преобразования Фурье всех ПВКФ и выполняют квадратичное детектирование выходных сигналов каждой антенны. Для каждого pq-го узла координатной сетки суммируют значения попарной взаимной корреляции сигналов всех (М²-М)/2 пар антенн путем считывания на шкале задержек τ (с применением интерполяции) значений полученных ПВКФ C_mn(τ) в точках τ=τ_mn(pq)=t_m(α_p, D_q, r_m) - t_n(α_p, D_q, r_n) и суммирования их удвоенного значения с результатами квадратичного детектирования сигналов каждой антенны, после чего все полученные суммарные значения для всех pq-x узлов выводят на координатную сетку индикатора. Координаты источников излучения определяют по положению максимумов сигнальных отметок на шкалах α и D координатной сетки индикатора.

Преимущество этого способа в том, что он обеспечивает одновременное наблюдение положения источников в двухкоординатном поле в заданных его границах по направлению и дальности. Недостатком является то, что при наличии в этом поле сильного мешающего источника (МИ) из-за высокого уровня боковых лепестков его сигнальной отметки сигнал слабого источника не наблюдается, не обнаруживается и определение его параметров невозможно.

Задачей изобретения является пассивное определение координат - направления и дальности слабого источника излучения М-антенной приемной системой в зоне Френеля при наличии в поле наблюдения сильного МИ.

Техническим результатом изобретения является обнаружение, наблюдение и определение координат (направления и дальности) местоположения слабого источника в зоне Френеля в присутствии сильного мешающего источника.

Для обеспечения указанного технического результата в способ пассивного определения координат источников гидроакустического излучения, включающий прием гидроакустических сигналов системой (ПС) из М антенн, М≥3, с N_пр приемниками каждая, расположенными в пространстве известным образом, предварительную обработку (ПО) сигналов приемников, образование на каждой антенне дискретного веера направленных каналов (НК) путем фазирования в направлениях α_mp и суммирования на каждой частоте ƒ_k сигналов N_пр приемников каждой m-й антенны в секторе обзора α_min<α_mp<α_max, (m=1, …, М, p=1, …, Р), и визуализацию на двухкоординатном индикаторе обзора в координатной сетке (КС) <α_р, D_q> размером P×Q (q=1, …, Q) с предварительным расчетом взаимной разности времен прихода сигнала к центрам каждой пары m-й и n-й антенн τ_mn(pq)=t_m(α_p,Dq,r_m) - t_n(α_p,D_q, r_n), введены следующие новые признаки: с выходов ПО приемников каждой из антенн ПС выполняют измерение мешающего сигнала (МИ), путем фокусирования ПС в точку текущего расположения МИ, для чего применяют измерение и автоматическое слежение за изменяющимися координатами МИ, а затем суммирование сфокусированных сигналов приемников ПС, выполняют режекцию выходных сигналов НК каждой антенны ПС от сигнала МИ путем взвешенного вычитания измеренного мешающего сигнала из выходных сигналов НК с весовыми коэффициентами, равными отношению оценки взаимного спектра плотности мощности сигналов каждого НК с сигналом МИ, на каждой частоте ƒ_k, к оценке спектра плотности мощности сигнала МИ, после чего формируют двухкоординатный индикаторный массив (ИМ) путем суммирования в каждой pq-й его ячейке результатов попарного перемножения на каждой частоте ƒ_k сигналов с выходов каждого р-го НК m-й антенны на комплексно-сопряженный сигнал р-го НК n-й антенны с компенсацией взаимных разностей времен прихода сигнала из pq-й точки расположения МИ к центрам каждой пары m-й и n-й антенн и выводят его на индикатор, а координаты искомого слабого источника излучения определяют по положению максимума сигнальной отметки, полученной предлагаемым здесь способом, на шкалах α и D координатной сетки индикатора.

При измерении сигнала МИ целесообразно фазировать ПС в точку предполагаемого на данный момент расположения МИ <α_mМИ, D_МИ>, для чего на каждом цикле ПФ все приемники каждой m-й антенны сначала компенсируют традиционным способом, как для плосковолнового поля сигнала на направлениях α_mМИ и суммируют, получая вектор сигналов М антенн, направленных на МИ, затем вычисляют по формулам тригонометрии время t_m(α_mМИ, D_МИ, r_m) распространения сигнала от МИ к центрам каждой антенны ПС с координатами r_m(m=1, …, М), фазируют в точку <α_mМИ, D_МИ> эти суммарные сигналы М антенн, с коэффициентом компенсации времен t_m(α_mМИ, D_МИ, r_m) и суммируют их, получая сфокусированный сигнал ПС из предполагаемой точки расположения МИ.

Для отслеживания текущих координат точки предполагаемого расположения МИ <α_mМИ, D_МИ>, если она перемещается, может быть использовано фокусирование антенн ПС в предполагаемую на данном i-м цикле ПФ точку расположения МИ <α_опi, D_опi> {«опорную» точку (ОТ), получаемую путем динамического сглаживания [4] измерений по предыдущим циклам ПФ} и оценку величин δ_αi, δ_Di отклонения координат ОТ от неизвестного фактического значения координат МИ, используя выборку сигнала X_i текущего цикла ПФ и двухкоординатный дискриминатор направления α_МИ и дальности D_МИ. Определяют оценки α_i^*, D_i^*, корректируя α_опi, D_опi на величину δ_αi, δ_Di, соответственно, а текущие координаты источника излучения α_МИ(t_i), D_МИ(t_i) на момент i-го цикла и прогноз опорных значений α_опi+1, D_опi+1 на следующий (i+1)-й цикл определяют по результатам динамического сглаживания [4] последовательностей оценок координат на предыдущих циклах.

Для определения оценок отклонения δ_αi, δ_Di, на i-ом цикле ПФ используют (M²-M)/2 нечетных попарных взаимно-корреляционных функций (НВКФ) С'_mni (τ) сигналов m-ых и n-ых антенн (m, n=1, …, М, m<n) на дискретной шкале задержек τ, для чего определяют комплексные частотные элементы взаимного спектра плотности мощности (ВСПМ) каждой mn-й пары антенн i-го цикла, умножают на коэффициент частотной характеристики h_k и на частоту ƒ_k, выполняют их осреднение за J циклов ПФ, отдельно для реальной и мнимой части, и выполняют обратное преобразование Фурье. Затем сканируют величины α=α_r по r=±1, 2, … и D=D_s по s=±1, 2, … в окрестностях α_опi и D_опi с заданным шагом Δ_α и Δ_D соответственно, определяя по формулам тригонометрии в каждой точке сканирования значения τ_mni(α_r, D_опi) и τ_mni(α_опi, D_s) соответственно, весовые коэффициенты и w_αmnr и w_Dmns, равные производным w_αmnr=∂τ_mn(α_r, D_опi)/∂α и w_Dmns=∂τ_mn(α_опi, D_s)/∂D соответственно, и выходные значения дискриминаторов z^α(α_r) и z^D(D_s) соответственно, находят положения нулевых значений на шкалах α и D соответственно (используя интерполяцию) а отклонения δ_αi и δ_Di, определяют по отстоянию положения нулевых точек и от опорных значений α_опi, D_опi на шкалах α=α_r и D=D_s соответственно.

Выходные значения дискриминаторов z^α(α_r) и z^D(D_s) определяют путем считывания значений в точках τ=τ^α=_τmni(α_r, D_опi) и τ=τ^D=τ_mni(α_опi, D_s) соответственно (используя интерполяцию), и суммирования их по индексу mn в каждой точке α_r и D_s с весовыми коэффициентами w_αmnr и w_Dmns соответственно.

Для режекции сигнала МИ из выходных сигналов НК целесообразно на каждом i-м цикле ПФ выполнить оценку спектра плотности мощности (СПМ) P_ok сигнала МИ и взаимных спектров плотности мощности (ВСПМ) сигналов каждого НК с сигналом МИ C_ompk путем умножения на каждой частоте ƒ_k сигнала с выхода сумматора МИ y_oki на его сопряженное значение y^*_oki и затем осреднения за время Т_н, а измерения ВСПМ C_ompk производят путем умножения сигнала с выхода каждого р-го НК m-й антенны y_mpk(t) на комплексно-сопряженный сигнал с выхода сумматора МИ y^*_ok(t) и осреднения за время Режекцию выходных сигналов с сумматоров НК целесообразно выполнить на текущем цикле ПФ путем вычитания сигнала с выхода сумматора МИ из выходных сигналов НК на каждой частоте ƒ_k с коэффициентом, равным отношению величины ВСПМ сигналов каждого mp-го НК C_ompk к величине оценки СПМ сигнала МИ P_ok.

Сигналы НК, «очищенные» от сильной помехи, можно использовать для формирования двухкоординатного индикаторного массива. Например, путем попарного перемножения на i-ом цикле ПФ на каждой частоте ƒ_k сигналов с выходов каждого p-го НК m-й антенны на комплексно-сопряженный сигнал р-го НК n-й антенны с умножением на коэффициент частотной характеристики h_k и на коэффициент компенсации разности времен прихода сигнала к центрам m-й и n-й антенн. Затем выполняют суммирование по частоте ƒ_k (т.е. по k) и по индексу mn для каждого pq-го узла координатной сетки. Затем ИМ накапливают за заданное время Т (заданное число циклов ПФ) и выдают на индикатор, а координаты источника излучения определяют по положению максимума сигнальной отметки, полученной предлагаемым способом, на шкалах α и D координатной сетки индикатора.

Новизна предлагаемого решения заключается в том, что в известном способе пассивного определения координат источников излучения, содержащем прием сигналов М антеннами, М≥3, предварительную обработку сигналов приемников, образование на каждой антенне дискретного веера направленных каналов (НК) на каждой m-й антенне в направлениях α_mp в секторе обзора и визуализацию на двухкоординатном индикаторе обзора в координатной сетке (КС) <α_р, D_q> используют измерение сигнала сильного мешающего источника (МИ), путем слежения за точкой текущего расположения МИ и фокусирования ПС в эту точку <α_o, D_o>. Суммарный выходной сигнал измерения МИ используют для режекции мешающего сигнала в основных каналах. Для этого на каждой антенне ПС с выходов сумматора измерения МИ выполняют измерение спектра плотности мощности (СПМ) P_ok(α_o), а с выходов сумматоров НК антенн измеряют взаимные спектры плотности мощности (ВСПМ) C_mok(α_р) сигнала с выхода каждого р-го НК m-й антенны с сигналом с выхода сумматора измерения МИ. Сигналы с выходов всех каналов измерения P_ok(α_o) и C_mok(α_р) усредняют в течение заданного разработчиком времени накопления T_н. На каждом i-ом цикле ПФ в каждом из М × N_пк НК на каждой частоте ƒ_k производят режекцию сигнала сильного МИ путем вычитания его из сигнала с выхода сумматора каждого НК с коэффициентом, равным отношению C_mok(α_p) к P_ok(α_оп):

Двухкоординатный индикаторный массив организуют путем попарного перемножения на i-ом цикле ПФ и обработки на каждой частоте ƒ_k сигналов с выходов каждого р-го НК m-й антенны на комплексно-сопряженный сигнал р-го НК n-й антенны с умножением на коэффициент частотной характеристики h_k и на коэффициент компенсации разности времен прихода сигнала к центрам m-й и n-й антенн и затем суммирования по частоте ƒ_k (т.е. по k), затем суммирования по индексу mn для каждого pq-го узла координатной сетки:

Затем ИМ накапливают за заданное время Т (заданное число циклов ПФ) и выводят его на индикатор, а координаты источника излучения определяют по положению максимума сигнальной отметки, полученной предлагаемым способом, на шкалах α и D координатной сетки индикатора.

Введение новых признаков обеспечивает пассивное обнаружение, наблюдение и определение координат (направления и дальности) слабого источника излучения М-антенной ПС в зоне Френеля при наличии в поле наблюдения сильного мешающего источника.

Сущность изобретения поясняется рисунками фиг. 1÷4. На фиг. 1 показана схема устройства пассивного определения координат источника гидроакустического излучения, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 2 - аксонометрическое изображение индикаторного массива при наличии в поле наблюдения двух источников излучения с обработкой по способу прототипа (а) и по предлагаемому способу (б). На фиг. 3 - индикаторная картина при обработке по способу прототипа (а) и по предлагаемому способу (б). На фиг 2 и 3: 10 - главный лепесток сигнальной отметки МИ (на фиг. 2б он режектирован), 11 - место расположения сигнальной отметки (СО) источника S (на фиг. 2а и 3а он не наблюдается, подавлен помехой), 12 - поле суммарной помехи (фоновый шум акватории + шум МИ), 13 - поле фонового шума (он виден на фиг. 2б и 3б, т.к. шум МИ режектирован). На фиг. 4 - сечения индикаторного массива: а- по направлению α и б - по дальности D при обработке по способу прототипа (верхние графики, с шумом МИ) и по предлагаемому способу (нижние графики, где шум МИ режектирован). Для наглядности графики обработки по прототипу (верхние) и по предлагаемому способу (нижние) приведены на одной шкале и в логарифмическом масштабе.

Устройство (фиг. 1), реализующее заявленный способ содержит: 1 - ПС из М антенн А₁÷А_М с N_пр приемниками каждая и с модулями предварительной обработки; 2 - канал измерения МИ, включающий: формирователь 2.1 характеристик направленности (ФХН) антенн ПС в направлении α_МИ и фазирование ПС в точку <α_МИ, D_МИ> и двухкоординатный дискриминатор 2.2 определения и слежения за координатами МИ; 3 - формирователь характеристик направленности вееров НК 8.1÷8.М на каждой антенне, 9.1÷9М - направления на МИ характеристик направленности измерения МИ на каждой антенне; 4 - модуль оценки ВСПМ сигналов с выходов НК с сигналом с выхода измерения МИ; 5 - модуль оценки СПМ сигнала МИ P_ok(α_o); 6 - модуль режекции сигнала МИ из сигналов НК; 7 - блок формирования индикаторного массива: 7.1 - вычислитель, 7.2 - блок формирования индикаторного массива, 7.3 - индикатор, 7.4 - блок управления.

Реализацию предлагаемого способа пассивного определения координат источника гидроакустического излучения удобно показать на примере работы устройства, схема которого изображена на фиг. 1.

Приемная система ПС 1 из М антенн (А₁÷А_М) по N_пр элементов каждая принимает акустические сигналы, содержащие распределенные шумы акватории и шумы локальных источников излучения, преобразует их в электрические сигналы и подвергает предварительной обработке, включающей: синхронную дискретизацию, цифровое преобразование, циклическое дискретное преобразование Фурье в полосе приема ƒ_н≤ƒ_k≤ƒ_в. Эти сигналы поступают параллельно на входы ФХН МИ 2.1 блока 2 и на блок 3 - формирования вееров ФХН НК на каждой антенне.

Блок 2 осуществляет измерение сигнала ПС, сфокусированной в точку расположения сильного МИ, и автоматическое слежение за его координатами (АСК МИ). АСК МИ не подвержен преобразованиям сигналов, производимых далее в НК. Автоматически определяемые и сопровождаемые координаты МИ α_МИ, D_МИ передаются в блок управления 7.4.

В блоке 3 на каждой антенне выполняется формирование вееров ХН НК, каждый из которых скомпенсирован на одно из дискретных направлений α_р в заданном поле обзора α_min<α_p<α_max.

С выходов блока 2 измерения МИ сигналы ПС, сфокусированной в точку расположения МИ поступают в блок 5 - измерения спектра плотности мощности (СПМ) P_ok(α_o), в блок 4 измерения взаимных спектров плотности мощности (ВСПМ) C_mok(α_р) сигналов с выходов каждого р-го НК m-й антенны с сигналом с выхода сумматора МИ с осреднением их за заданное время Т_н, и в блок 6 - режекции МИ.

С выходов сумматоров ФХН НК блока 3 поступают в блок 4 и в блок 6, где на каждом цикле ПФ выполняют режекцию (на всех частотах ƒ_k) сигнала МИ из сигналов всех НК всех антенн путем вычитания сигнала МИ с весом P_ok(α_o)/C_mok(α_p) из сигналов НК. «Очищенные» таким образом сигналы ПК всех антенн ПС поступают в блок 7, где в 7.2 выполняют формирование индикаторного массива, индикацию 7.3 и определение координат источника по шкалам координатной сетки индикатора и управление 7.4, обеспечивающее назначение некоторой сигнальной отметки (СО) как МИ, сектор поиска в ее окрестностях СО слабых источников и управление параметрами основного канала 3÷7.

Работоспособность предлагаемого способа пассивного определения координат иллюстрирует численный пример, визуальные и количественные результаты которого показаны на рисунках и графиках фиг. 2-4.

В численном примере использованы:

Количество антенн М=5; Базовый размер ПС В = 60 м (4×15 м); Число приемников в каждой антенне N_пр=20, интервал между приемниками d≈λ_в/2, где λ_в - длина волны на верхней частоте диапазона приема.

Координаты МИ: <16°, 6.0 км> ; координаты интересующего слабого источника <18°, 2.2 км>

В точке приема уровень МИ больше уровня S в 6 раз (по напряжению), полоса частот слабого сигнала и МИ 3.0÷8.0 кГц.

Соотношение уровней сигналов (S и МИ) и фоновой распределенной помехи в точке приема: p_s/p_ф=0.5; р_МИ/p_ф=3.

Результат режектирования сильного МИ по предлагаемому способу:

- уменьшение уровня СО сильного МИ и поля его боковых лепестков в ≈22 раза, практически до уровня фоновой помехи (фиг. 2, 3).

- Уменьшение уровня суммарной помехи (фоновой + шум МИ) в секторе наблюдения в ≈25.12 раза (фиг. 4), возможность наблюдения и других слабых источников в этом секторе. Следует подчеркнуть, что блок 2 фиг. 1 автоматического слежения за координатами МИ не подвержен преобразованиям подавления МИ, производимых далее в блоках 3,4 и 6 и выдает неискаженные данные о МИ в блок управления 7.4.

- Устойчивое восстановление СО слабого сигнала интересующего источника на индикаторе и определение его координат: фиг. 4а - направления, 4б - дальности, нижние графики.

Использованные источники

1. Г.С. Малышкин. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Том 1. Сс. 33-43. СПб, ОАО «Концерн «Электроприбор». 2011.

2. Способ пассивного определения координат движущегося источника излучения. Патент №2507831. Россия. ОАО «Концерн «Океанприбор». МПК J01S 3/80. Дата регистрации 29.06.2017 г.

3. Способ пассивного определения координат источников излучения. Патент №2507531. Россия. ОАО «Концерн «Океанприбор». МПК G01S 3/80. Приоритет 08.11.2012, зарегистрирован 20.02.14 г.

4. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. М.: Сов. радио. 1967.