Гидроакустический способ определения параметров цели при использовании взрывного сигнала с беспроводной системой связи
HYDRO ACOUSTIC METHOD FOR DETERMINING PURPOSE PARAMETERS WHEN USING AN EXPLOSIVE SIGNAL WITH A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения эхосигнала от объекта, измерения параметров обнаруженного объекта и его классификации при использовании взрывных сигналов с беспроводной системой связи.
Методы обнаружения и определения параметров при использовании детерминированных сигналов в гидролокаторах, установленных на подводных и надводных носителях широко применяются в гидроакустике.
Известен способ обнаружения объекта, основанный на приеме эхосигнала от объекта в смеси с помехой, который содержит спектральный анализ этого процесса, детектирование спектральных составляющих, интегрирование огибающей и обнаружение сигнала при сравнении с порогом, изложенный, например, в работе Евтютов Е.С.и Митько В.Б. "Примеры инженерных расчетов в гидроакустике", Судостроение 1981 г, с. 77. Способ реализует классификацию эхосигнала и помехи.
Подобный способ приведен в "Справочнике по гидроакустике", Судостроение 1988 г. стр. 27. При этом под спектральным анализом понимают, как правило, полосовую фильтрацию, выделяющую основную энергию электрического процесса. При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса ("Применение цифровой обработки сигналов", изд. Мир М. 1990 г. стр. 296).
Известен способ классификации эхосигнала гидролокатора по патенту РФ №2466419, содержащий излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала в смеси с шумовой помехой гидроакустической антенной, дискретизацию электрического сигнала, набор дискретизированных отсчетов электрического сигнала длительностью Т, полученных последовательно, через равные промежутки времени за все время обнаружения эхосигнала и проведение спектрального анализа полученных наборов дискретизированных отсчетов с использованием быстрого преобразования Фурье. Сдвиг наборов дискретизированных отсчетов осуществляют на время 1/4Т, по каждому набору определяют среднее значение всех спектральных отсчетов; также по каждому набору определяют спектральный отсчет с наибольшей амплитудой и определяют ширину спектра эхосигнала, по величине которой производят классификацию.
Недостатком этих способов является ограниченная мощность излучения и отсутствие скрытности при излучении зондирующего сигнала, что имеет первостепенное значение при работе с подводного носителя.
Известна практика использования взрывных сигналов в гидролокации при работе с надводного корабля при измерении распространения сигналов на большие расстояния, процедура которого достаточно подробно изложена в литературе («Физические основы подводной акустики» под ред. В.И. Мясищева М Сов. радио 1955 г стр. 258-345).
Обработка сигналов взрывных источников не требует вспомогательного оборудования и не имеет ограничения по глубине, что позволяет их использовать практически всегда при любом разрезе скорости звука, даже в условиях отрицательной рефракции. (Д. Вестон Взрывные источники звука. «Подводная акустика» М. МИР. 1965 г. стр. 63). Преимущества взрывных источников перед другими заключаются в том, что с их помощью можно получить информацию об объекте локации в широком диапазоне частот и на больших дистанциях. Кроме того, взрывные источники могут быть установлены заранее в любом районе и использованы в известное время для освещения подводной обстановки.
прям
прям
эхо
эхо
изм
прям
эхо
Известен способ измерения дистанции по патенту РФ №2541699. Способ содержит излучение взрывного сигнала, прием отраженного сигнала широкополосным приемником, многоканальный частотный анализ и отображение на индикаторе. В соответствии с известным способом измеряют зависимость скорости звука от глубины, измеряют уровень помехи в полосе приема, определяют порог, принимают сигнал прямого распространения, который превысил выбранный порог, определяют время приема сигнала прямого распространения от излучателя до приемника Т, измеряют спектр сигнала прямого распространения, превысившего порог, определяют ширину спектра сигнала прямого распространения в полосе приемного устройства Ф, принимают сигнал, отраженный от объекта, определяют время приема эхосигнала Т, измеряют спектр эхосигнала, определяют полосу спектральных составляющих превысивших порог Ф, определяют дистанция по формуле Д=К (Ф-Ф), где К - коэффициент, определяющий частотное затухание спектра при распространении.
Недостатком данного способа является то, что может иметь место большая ошибка измерения дистанции, связанная с коэффициентом частотного затухания в конкретном районе использования, значение которого не известно в точке приема. Кроме того, этот способ позволяет определять только дистанцию до цели, но не но не позволяет определять скорость цели.
из
0
пр
пр
из
0
эс
c
эс
из
c
c
0
0
Наиболее близким по количеству общих признаков к предлагаемому способу является гидроакустический способ измерения дистанции с использованием взрывного сигнала по патенту РФ №2546852. Способ содержит следующие операции: сигнал взрывного источника излучают на удалении от точки приема на фиксированной глубине и в фиксированное время Т, прием сигналов взрывного источника осуществляют статическим веером характеристик направленности, измеряют уровень помехи по всем пространственным каналам, выбирают порог, принимают сигнал прямого распространения от источника взрывного сигнала до точки приема, определяют направление прихода сигнала прямого распространения α, определяют время прихода сигнала прямого распространения Т, рассчитывают дистанцию от точки приема до источника взрывного сигнала d=(Т-Т)С, где С - скорость звука в воде, принимают эхосигнал, отраженный от объекта, определяют направление β прихода эхосигнала, определяют время прихода эхосигнала Т, определяют время распространения взрывного сигнала от источника до приемника t=(Т-Т), определяют дистанцию распространения сигнала от источника до приемника и от цели до точки приема R=C*t, определяют разность углов (α-β) между направлением «приемник - источник излучения» и направлением «приемник-цель», а дистанцию Д до цели определяют по формуле:
Этот способ позволяет получить оценку дистанции с погрешностью существенно меньше, чем предыдущий способ. Однако в этот способ, как и способ по патенту РФ №2541699, при обработке эхосигнала из всех параметров обнаруженного объекта позволяет определять только дистанцию, но не позволяет определять скорость обнаруженного объекта, что необходимо для определения класса объекта и его элементов движения.
Задачей предлагаемого способа является обеспечение измерения скорости движения объекта и классификации обнаруженного объекта по скорости движения при использовании взрывного сигнала с неизвестными координатами, но с известным фиксированным времени применения.
Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является определение скорости движения обнаруженного объекта и определения класса обнаруженного объекта.
из
макс
мин
пр
макс
мин
эхo
ср
ско
пор
ср
ско
макс
пор
макс
пор
эс
макс
зс
эс
cp
эс
cp
эс
Для обеспечения указанного технического результата в способ, содержащий излучение взрывного сигнала в фиксированное время Т, прием сигнала прямого распространения от источника взрывного сигнала до точки приема, прием эхосигнала, отраженного от объекта, определение дистанции, причем прием этих сигналов осуществляют статическим веером характеристик направленности, что позволяет определить направление на обнаруженный объект введены новые признаки, а именно определяют спектр сигнала прямого распространения, выбирают диапазон частот относительно частоты Fcp=1000 Гц из спектра сигнала прямого распространения полосой (F-F), формируют банк опорных частот в интервале смещения частоты, вызванное возможной скоростью движения объекта, определяют спектр принятого эхосигнала, выделяют диапазон частот полосой (F÷F) на частоте 1000 Гц, проводят взаимнокорреляционную обработку спектра эхосигнала и спектров с выхода банка опорных частот, из полученного массива взаимнокорреляционных функций определяют среднее значение их выбросов А и среднеквадратичное отклонение амплитуд этих выбросов А, выбирают значение порога по формуле А=2(А+А), выбирают выброс корреляционной функции с максимальной амплитудой А и сравнивают с А, если А>2А, принимают решение, что имеет место эхосигнал от цели, определяют частоту F по взамнокорреляционной функции с максимальной амплитудой А и скорость объекта по фомуле V=(F-1000)\0,69, если F>F объект подвижный и приближается, если F<Fобъект подвижный и удаляется, если F=Fcp, то объект неподвижный.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
Взрывные источники сигналов могут быть установлены различными способами: сбрасыванием с надводного корабля, сбрасыванием с самолета или вертолета. Может быть использован так же самоходный необитаемый подводный аппарат или взрывной источник может быть установлен самим носителем гидроакустических средств обнаружения. Каждый взрывной источник имеет датчик давления, который определяет глубину срабатывания и таймер, который определяет время срабатывания. Спектр, излучаемый взрывным источником, достаточно широк и занимает полосу от десятков Гц до десятков килогерц. (Д. Вестон Взрывные источники звука. «Подводная акустика» М МИР 1965 г. стр. 63), поэтому существующими гидроакустическими комплексами обработать весь диапазон частот взрывного сигнала невозможно. Как правило, максимум спектральной плотности расположен на частоте порядка 1000 Гц, а в дальнейшем спектральная плотность снижается практически линейно. Обнаружение взрывного сигнала производится по превышению временной функции порога в широкой полосе без оптимальной обработки. Длительность взрывного сигнала порядка 100 мс, что не позволяет определять временные классификационные параметры реальных объектов. Известны способы обнаружения и измерения параметров эхосигналов от объектов с использованием, так называемых, сложных сигналов к которым относятся псевдошумовые сигналы. При обработке таких сигналов на выходе формируется корреляционная функция эхосигнала и излученного зондирующего сигнала. Эти способы нашли применение в радиолокации и гидроакустике (Р. Бенжамин «Анализ радио и гидролокационных сигналов» Воениздат М. 1969). В работе рассмотрены основные свойства этих сигналов и виды внутренней модуляции, которая определяет функцию неопределенности эхо- сигнала на выходе системы обработки.
Сигнал прямого распространения от взрывного источника в полосе частот несколько сот Гц можно рассматривать как псевдошумовой сигнал.
Поэтому предлагается принять сигнал прямого распространения от взрывного источника, сделать спектральный анализ, в указанной полосе частот, и на основе сигнала прямого распространения сформировать банк опорных частот в интервале смещения частоты, вызванное возможной скоростью движения объекта. Использование такого метода обработки с формированием опорных сигналов для многоканальной обработки является известной операцией, которая применяется при разработке гидролокационных систем на основе цифровой обработки сигналов.(«Применение цифровой обработки сигналов» Мир. М. 1980 г. стр 366.) Такие широкополосные сигналы имеют кнопочную функцию неопределенности, обеспечивающие хорошее разрешение по времени. (В.А. Зарайский, A.M. Тюрин «Теория гидролокации» изд. ВМАОЛУ, Л. 1975 стр. 242). Как правило, обработка таких сигналов производится с использованием многоканальных корреляторов (там же стр. 255) или многоканальных согласованных фильтров (там же на стр. 333), количество каналов которых определяется диапазоном скоростей движения обнаруживаемых объектов и требуемой погрешностью измерения скорости.
пор
макс
пор
Известно, что недостатком всех псевдошумовых сложных сигналов является то, что выходная функция неопределенности, определяемая как совокупность корреляционных функций опорного сигнала и принятого сигнала на всей плоскости частота - время, имеет боковые выбросы, амплитуда которых может достигать значения 0,3 от основного максимума (Р. Бенжамин «Анализ радио и гидролокационных сигналов» Воениздат М. 1969 стр. 135), поэтому необходима процедура выбора порога связанная с боковыми выбросами взаимно корреляционной функции. Стандартная процедура выбор порога по корреляционной функции излученного сигнала и нормального шума не имеет смысла, поскольку боковые выбросы функции неопределенности при наличии сигнала всегда будут превышать амплитуду боковых выбросов сигнала и нормального стационарного шума. Поэтому порог А выбирается из среднего значения амплитуд боковых выбросов функции неопределенности принятого сигнала, которая формируется по взаимно-корреляционной функции на выходе многоканальной по частоте обработки. Выполнение условия А>2А гарантирует наличие реального сигнала при обработке, что решает задачу обнаружения реального сигнала на фоне выбросов корреляционной функции.
cp
Если гидролокатор неподвижен и объект локации неподвижен, то корреляции производится между излученным сигналом и принятым эхосигналом. Однако, такая ситуации практически никогда не встречается, и за счет собственного движения и движения цели происходит смещение спектра отраженного сигнала в соответствии с эффектом Доплера (там же стр.200), в результате чего спектры не совпадают и не образуется свернутая корреляционная функция. При этом скорость цели определяется по величине смещения спектра в соответствии с известной формулой V=(Fэxo-Fизл)\0,69Fизл. (Д.Ж. Уоррен Хортон «Основы гидролокации» Л. Судпромгиз 1961 г. стр. 450). В соответствии с этим может быть определен и диапазон частот смещения эхосигнала в соответствии с выбранными скоростями движения объекта. Именно поэтому используется при приеме многоканальная обработка по частоте, где каждый канал соответствует определенной скорости цели. В качестве средней частоты излученного сигнала F имеет смысл избрать среднюю частоту из выбранной полосы сигнала прямого распространения и относительно ее проводить классификацию по скорости.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
пр
0
макс
пор
отр
0
Устройство, (фиг. 1) содержит автономный источник 1 взрывного сигнала с известным временем излучения. Приемная часть устройства содержит последовательно соединенные приемную антенну 2, приемный блок 3, блок 4 формирования статический веер характеристик направленности и спецпроцессор 5. В состав спецпроцессора 5 входят последовательно соединенные блок 6 коммутации входных сигналов и измерения Т и угла прихода прямого сигнала α, блок 7 многоканальной корреляционной обработки, блок 8 выбора амплитуд выбросов корреляционной функции, блок 9 измерения А и сравнения с А, блок 10 измерения Т и угла прихода отраженного сигнала β, блок 11 определения дистанции, скорости и класса, блок 12 управления и отображения. Второй выход блока 6 через блок 13 измерения спектра прямого сигнала и выбор полосы обработки, соединен через блок 14 формирования банка опорных сигналов со вторым входом блока 7. Второй выход блока 8 через блок 15 измерения среднего значения и СКО выбросов и порога обнаружения связан со вторым входом блока 9, а второй выход блока 4 соединен со вторым входом блока 12, выход которого соединен со вторым входом спецпроцессора 5.
пр
0
пор
ср
ско
макс
пор
макс
мак
эc
cp
эc
cp
э.c
Устройство работает следующим образом. Блок 12 включает систему в нужное время, проверяет его работоспособность и отображает результаты измерений. Источник взрывного сигнала работает в своем штатном режиме и излучает сигналы периодически в известные моменты времени. Антенна 2 принимает сигнал прямого распространения, который усиливается в блоке 3, преобразуется в цифровой вид и поступает в блок 4 формирователя статического веера характеристик направленности и далее в блок 5 спецпроцессора. Спецпроцессор является известным устройством, который предназначен для обработки информации в цифровом виде и содержит последовательное решение задач связанных с поступающей информацией. В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную по частоте обработку и обнаружение сигнала, а также измерение амплитуд эхосигналов и временных отсчетов, и принятие решения о цели. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в литературе. (Ю.А. Корякин, С.А.Смирнов, Г.В.Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт - Петербург.« Наука.» 2004 г. Стр. 95-99, стр. 237-255). Использование цифровой техники позволяет оперативно обрабатывать информацию любой сложности на основе разработанных алгоритмов. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в книге «Применение цифровой обработки сигналов» п\р Оппенгейма М. Мир. 1980 г. В блок 6 производится обнаружение сигнала прямого распространения, измерения времени прихода сигнала прямого распространения Т, угла прихода прямого сигнала α и переключение на режим обработки входных сигналов. Эти операции известны и используются в прототипе. Блок 6 представляет собой пороговый усилитель, который срабатывает при приходе сигнала прямого распространения, амплитуда которого существенно больше, чем амплитуда отраженных сигналов. Этот сигнал позволяет измерить время прихода по переднему входному фронту, а по номеру характеристики направленности определяется угол прихода прямого сигнала. Прямой сигнал большой амплитуды передается в блок 13 спектрального анализа, где определяется спектр входного сигнала. Как правило, спектр взрывного сигнала достаточно широкий, но для работы выбирается на частоте 1000 гц только часть спектра принятого сигнала в полосе удобной для дальнейшей обработки. Блок 13 может быть выполнен на основе известной процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра сигнала.(«Применение цифровой обработки сигналов», изд. Мир М. 1990 г. стр. 296). Вполне достаточно для дальнейшей обработки является полоса порядка 300-400 Гц, что может быть откорректировано по результатам работы. Поскольку скорость движения обнаруживаемого объекта не известна, то необходима взаимно-корреляционная обработка в определенном диапазоне скоростей движения, для чего формируется банк опорных частот в интервале смещения частоты, вызванное возможной скоростью движения объекта, что и производится в блоке 14, выход которого соединен с блоком 7 многоканальной корреляционной обработки, где проводится взаимнокорреляционная обработка принятых спектров эхосигналов с опорными частотами банка. После приема сигнала прямого распространения в блоке 6 осуществляется коммутация, которая автоматически включает в блоке 7 обработку приходящих из блока 4 эхосигналов. Измерение взаимно-корреляционной функции и определение коэффициента корреляции между процессами - известные операции, которое характеризуют степень схожести двух сигналов, и достаточно часто используются в современной технике. (Дж. Бендат, А. Пирсол «Измерение и анализ случайных процессов» Мир М 1971 стр. 44-47, стр. 196). На выходе блока 7 образуется массив корреляционных функций, которые могут содержать эхосигнал. При наличии эхосигнала корреляционная функция имеет максимальное значение, которое априорно не известно, но может быть определено при сравнении амплитуды выброса корреляционной функции с порогом, который можно выбрать по среднему значению всех выбросов корреляционной функции с учетом среднеквадратичного отклонения амплитуд всего массива выбросов корреляционной функции А=2(А+А), что определяется в блоке 15. Величина равная А>А, будет гарантировать факт наличия эхосигнала. Для этого значения А определяется момент времени и характеристика направленности, где обнаружен эхосигнал, что определит направление приема эхосигнала. Таким образом, будут получены все данные для определения дистанции по известной в прототипе формуле, а скорость объекта можно определить по частоте опорного сигнала, которому соответствует положение Ас.В блоке 11 производится определение оценки дистанции и скорости по упрощенной формуле с учетом частоты выбора спектра обработки V=(Fэ.c-1000)\0,69 и класса обнаруженного объекта, которые передаются в блок 12 управления и отображения. Классификация осуществляется по правилу: если F>F объект подвижный и приближается, если F<F объект подвижный и удаляется, если F=Fcp, то объект неподвижный. На второй вход блока 12 предается вся входная информация с выхода блока 4 без обработки для представления оператору.
Таким образом, используя последовательную процедуру обработки поступающих временных реализаций, определения корреляционных функций с использованием многоканальной корреляционной обработки можно определять скорость обнаруженного объекта при применении взрывного сигнала и провести классификацию обнаруженного объекта по скорости.