Способ определения класса шумящего морского объекта

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим комплексам (ГАК), оснащенным пассивным и активным режимами работы и предназначенным для обнаружения подводных (ПО) и надводных (НО) объектов.

Наиболее сложной задачей, решаемой такими ГАК, является классификация объекта, обнаруженного в пассивном режиме их работы.

Методы классификации шумящих морских объектов (далее - объектов) в пассивном режиме работы ГАК приведены в работах [1-6]. Недостатком большинства из них является то, что они не применимы при малых отношениях сигнал/помеха (ОСП), т.е. на предельных дальностях их обнаружения.

В качестве прототипа выберем способ классификации обнаруженного шумящего объекта, описанный в [5]. Он включает измерение уровня и скорости изменения пеленга шумового сигнала на выходе приемного тракта ГАК и принятие решения о классе цели с учетом текущих гидроакустических условий.

Достоинством прототипа является его простота, а недостатком то, что во многих случаях (особенно на предельных дальностях обнаружения объектов) скорость изменения пеленга с необходимой точностью измерить не удается ввиду того, что изменение пеленга за приемлемое время в этих случаях меньше ошибки измерения пеленга. Как правило, классификация ? шумящих объектов на предельных дистанциях их обнаружения не превышает 0,7, что не в полной мере отвечает потребностям практики.

Ввиду этого актуальной является разработка способов классификации объектов, работоспособных в более широком диапазоне условий и, особенно, при малых ОСП и за короткое время с момента обнаружения шума объекта.

Решаемая техническая проблема - повышение эффективности классификации морских объектов.

Достигаемый технический результат - повышение вероятности правильной классификации на предельных дистанциях обнаружения объекта.

Технический результат достигается тем, что для классификации цели привлекается активный режим работы ГАК, который позволяет непосредственно после обнаружения объекта в пассивном режиме измерить дистанцию до обнаруженного объекта и с ее использованием принять решение о классе объекта.

Идея предлагаемого способа базируется на известном факте [1,7], заключающемся в том, что шумность надводного объекта существенно превышает шумность подводного объекта, в результате чего НО в одних и тех же условиях обнаруживается на бóльших дистанциях, чем ПО. Учитывая это, можно рассчитать предположительные интервалы дистанций обнаружения ПО и НО в пассивном режиме работы конкретного ГАК в текущих гидроакустических условиях. Тогда, обнаружив объект в пассивном режиме и измерив фактическую дистанцию до него в активном режиме, можно определить в какой из областей находится обнаруженный объект и тем самым принять решение о его классе.

Сущность изобретения заключается в том, что непосредственно после обнаружения морского шумящего объекта в пассивном режиме измеряют дистанцию до него в активном режиме и принимают решение о классе объекта с использованием измеренной дистанции и плотностей распределения вероятностей дистанций обнаружения каждого из распознаваемых классов объектов в пассивном режиме, рассчитываемых с учетом плотностей распределения вероятностей шумности, наклона спектра шума и глубины погружения объекта, а также вертикального распределения скорости звука и волнения поверхности моря в районе плавания.

Обоснуем реализуемость и эффективность данного способа.

Дистанция обнаружения объекта в пассивном режиме шумопеленгования (ШП) определяется путем решения относительно дистанции трансцендентного уравнения [8]:

(1)

где

- ОСП на выходе приемного тракта ШП, называемое выходным либо индикаторным ОСП, рассчитываемое по формуле:

(2)

- время накопления сигнала, с;

- соответственно нижняя и верхняя граничные частоты рабочего диапазона частот приемного тракта, Гц;

- приведенная шумность объекта класса , Па/√Гц;

- частота приведения ( Гц);

- наклон спектра шума объекта класса , дБ/октава;

- рассчитываемая с использованием лучевой программы расчета поля [9] передаточная характеристика гидроакустического канала и приемного тракта, т.е. нормированный отклик на частоте на шум объекта класса , расположенного на глубине и дистанции от приемной антенны (далее - антенны);

- спектральная плотность мощности распределенной помехи на частоте на выходе приемного тракта, Па²/Гц, рассчитываемая по формуле [10]:

(3)

- приведенный уровень шумов носителя ГАК на входе антенны, Па/√Гц;

- наклон спектра шумов носителя ГАК, дБ/октава;

- приведенный уровень шумов моря на входе антенны, Па/√Гц;

- наклон спектра шумов моря, дБ/октава;

- коэффициент концентрации приемной антенны на частоте , безразмерная величина [10];

- рассчитываемый с использованием лучевой программы расчета поля коэффициент помехоустойчивости к анизотропным шумам моря приемной антенны на частоте [11];

- пороговое значение ОСП, рассчитываемое исходя из заданных вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги по формуле [8]:

(4)

- функция, обратная нормальной функции распределения вида:

(5)

- заданные вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги соответственно.

Из рассмотрения формул (1)-(5) следует, что в них от класса объекта зависят только 3 параметра:

- приведенная шумность объекта ;

- наклон спектра шума объекта ;

- глубина погружения объекта .

Если задаться плотностями распределения вероятностей (ПРВ) шумности , наклона спектра шума , глубины погружения , то можно рассчитать ПРВ дистанции обнаружения объекта каждого класса и .

Сделать это можно путем вычисления для каждого из двух классов и каждого из дискретных значений дистанции гистограммы дистанции обнаружения объекта, вычисляемой путем решения уравнения (1) при переборе значений , , в соответствии с их ПРВ , , .

На фиг.1 в качестве примера приведены ПРВ подводного объекта и надводного объекта, рассчитанные при следующих исходных данных:

- гидроакустические условия - мелкое море с глубиной 200 м, зима, сплошная акустическая освещенность, волнение моря 3 балла;

- ПРВ приведенных шумностей:

для подводного объекта ;

для надводного объекта ;

где - равномерная ПРВ в интервале ;

- наклон спектра шумоизлучения ПО и НО в звуковом диапазоне частот можно принять равной -6 дБ/октава;

- ПРВ глубины погружения подводного объекта ;

- приведенный уровень шумов носителя ГАК на входе антенны
=20 дБ;

- приведенный уровень шумов моря на входе антенны =33 дБ;

- наклон спектра шумов носителя ГАК и шумов моря
=-6 дБ/октава;

- вероятность правильного обнаружения =0,9:

- вероятность ложной тревоги =10^-4:

- глубина погружения носителя ГАК 50 м;

- прием осуществляется на бортовую антенну шириной 10 м и высотой
3 м в диапазоне частот 0,5-7 кГц, разбитом на 3 поддиапазона.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

1) В районе плавания периодически измеряются вертикальное распределение скорости звука и волнение поверхности моря и описанным выше способом рассчитываются ПРВ дистанций обнаружения ПО и НО и .

2) При обнаружении шумящего объекта измеряется дистанция до него в активном режиме работы ГАК.

3) Вычисляются апостериорные вероятности принадлежности обнаруженного объекта классам ПО и НО [12]:

(6)

4) В качестве класса обнаруженного объекта принимается класс, которому соответствует бóльшая апостериорная вероятность.

Оценим эффективность предлагаемого способа в описанных выше условиях. Рассмотрим 2 случая: обнаружение ПО и обнаружение НО.

Шумности подводного и надводного объектов и глубину погружения ПО выберем случайным образом с использованием их ПРВ. Датчик равномерно распределенных случайных чисел выдал следующие значения:

- шумность подводного объекта 61 дБ, глубина погружения 76 м;

- шумность надводного объекта 92 дБ.

В первом случае в результате применения активного режима было установлена, что дистанция обнаружения подводного объекта в пассивном режиме составила =19,4 км.

По формуле (6) с использованием ПРВ дистанции обнаружения ПО и НО, изображенных на фиг.1, получаем:

(7)

Таким образом, в первом случае обнаруженный в пассивном режиме объект является подводным с вероятностью 0,991, что соответствует истине.

Во втором случае в результате применения активного режима было установлено, что дистанция обнаружения надводного объекта в пассивном режиме составила =74,2 км.

По формуле (6) с использованием ПРВ дистанции обнаружения ПО и НО, изображенных на фиг.1, получаем:

(8)

Таким образом, во втором случае обнаруженный в пассивном режиме объект является надводным с вероятностью 1, что также соответствует истине.

Таким образом, предлагаемый способ совместного использования пассивного и активного режимов обеспечивает существенное повышение вероятности классификации шумящих объектов по сравнению с использованием только пассивного режима. Отсюда можно сделать вывод, что заявленный технический результат достигнут.

Источники информации:

1. Телятников В.И. Методы и устройства классификации гидроакустических сигналов // Зарубежная радиоэлектроника, 1979, №9, с.19-38.

2. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы // СПб.: Наука, 2004.

3. Патент РФ №2681432.

4. Патент РФ №2681526.

5. Патент РФ №2685419.

6. Патент РФ №2692839.

7. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики //Л.: Судостроение, 1978.

8. Справочник по гидроакустике. Л., Судостроение, 1988.

9. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств // Л.: Судостроение, 1976.

10. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны // Л.: Судостроение, 1984.

11. Акустика океана под ред. Л.М.Бреховских // М.: Наука, 1974.

12. Кендал М., Стьюарт А. Статистические выводы и связи // М.: Наука, 1973.