СПОСОБ КЛАССИФИКАЦИИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ МОРСКОГО ОБЪЕКТА
METHOD OF CLASSIFICATION OF HYDROACOUSTIC SIGNALS OF SEA OBJECT NOISE EMISSION

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в задачах определения класса объекта при разработке гидроакустических систем.
В системах, использующих методы классификации по анализу шумоизлучения целей, используют признаки, основанные на особенностях спектрального состава сигнала, так называемого портрета. В.С. Бурдик “Анализ гидроакустических систем”. Л.: Судостроение, 1988 г., стр.322.
Известен способ классификации, описанный в работе В.В. Деева и др. “Анализ информации оператором-гидроакустиком”. Л.: Судостроение. 1990 г., стр.110-111).
Способ содержит следующие операции:
- выделение параметров сигнала шумоизлучения объекта из аддитивной смеси сигнала и помехи S(t)=A(t)+Y(t), где A(t) - мощность сигнала объекта, a Y(t) - мощность помехи (мешающий сигнал);
- деление исходной реализации сигнала S(t) на r отрезков длительности T;
k
- вычисление спектра Y(ω) по каждому такому отрезку, т.е. дискретное преобразование Фурье (БПФ) реализации на отрезке конечной длительности T;
k
- накопление (усреднение) спектров по r реализациям в - определение усредненной оценки Y′(ω);
k
k
- усреднение полученной на предыдущем этапе спектрограммы Y′(ω) по частотам с помощью прямоугольного окна - получение усредненной оценки Y”(ω);
л
- определение порога обнаружения α по правилу Неймана-Пирсона при задаваемой вероятности ложного обнаружения Р;
k
k
- нахождение отношения усредненных оценок Y(′ω) и Y”(ω)) и сравнение с пороговым значением α. Превышение порога обнаружения свидетельствует о наличии дискретной составляющей на данной частоте.
Информация о дискретных составляющих используется при решении задач распознавания (классификации) в качестве одного из основных признаков сигналов шумоизлучения различных объектов.
Недостатком этого способа является то, что антенна имеет боковые лепестки характеристики направленности. Поэтому при наблюдении за целью одновременно боковым полем характеристики направленности принимается сигнал шумоизлучения от помехи, которая включает в себя компоненты шумовой помехи, шумов моря и локальных помех судоходства. Уровень помехи будет складываться с уровнем обнаруженной цели, которая будет искажать реальные соотношения уровней и вносить дискретные составляющие, которые будут искажать результаты классификации.
Задачей изобретения является повышение вероятности правильной классификации шумоизлучения морского объекта.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении достоверного определения классификационных признаков сигналов шумоизлучения.
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mo>∑</mo><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>S</mi><msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>∑</mo><mn>2</mn></msubsup><msub><mrow /><mrow><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mo>,</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mi>S</mi><msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>∑</mo><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><mi>S</mi><msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Для обеспечения указанного технического результата в способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, включающий прием антенной сигналов шумоизлучения морского объекта в аддитивной смеси с помехой гидроакустической антенной, преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятых сигналов, накопление полученных спектров, сглаживание спектра по частоте, определение порога обнаружения исходя из вероятности ложных тревог и при превышении порога обнаружения текущего спектра на данной частоте принятии решения о наличии дискретной составляющей, по которой классифицируют морской объект, введены новые признаки, а именно сигналы шумоизлучения морского объекта в аддитивной смеси с помехой принимают двумя полуантеннами гидроакустической антенны, производят спектральную обработку принятых сигналов на выходах полуантенн, определяя суммарный спектр мощности
, находят разность
спектров мощности двух полуантенн, определяют разностный спектр
- спектр мощности шумоизлучения морского объекта, а о наличии дискретных составляющих судят при превышении порога обнаружения частотами спектра мощности шумоизлучения морского объекта.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Работа в условиях мешающего судоходства по малошумной цели сопряжена с трудностями, связанными с влиянием мешающих целей, принимаемых, как правило, по боковому полю характеристики направленности.
Этот процесс происходит одновременно с процессом работы по основному лепестку характеристики направленности. В этом случае сигнал на выходе сумматора содержит одновременно сигнал от цели и сигнал от мешающей цели. Предложенный способ позволяет разделить эти два сигнала на выходе системы обработки. Разностная характеристика направленности, которая формируется при вычитании сигнала одной полуантенны из сигнала второй полуантенны одной антенны, по центру имеет минимум, а по боковому полю будет приниматься сигнал в разностных характеристиках (В.Н. Тюлин. «Теория акустического пеленгования». 1954 г., стр.35). Таким образом, в канале разности будет присутствовать сигнал от мешающей цели, принимаемой по боковым лепесткам. Удалить мешающий сигнал из канала суммы невозможно, поскольку он аддитивно сложился с сигналом от цели. Однако после спектрального анализа спектр на выходе суммарного канала будет содержать сумму спектров двух целей, а спектр разностного канала будет содержать спектр мешающей цели, принимаемой по боковому полю при ориентации главного нуля разностной характеристики в направлении первого максимума суммарной характеристики направленности. Поэтому, если из спектра суммарной характеристики направленности вычесть спектр разностной характеристики направленности, где находится только спектр мешающей цели, то можно получить спектр цели, которая нас интересует.
Сущность изобретения поясняется фиг 1, где приведена блок-схема устройства, реализующего способ.
Устройство, реализующее способ, содержит гидроакустическую антенну 1, разделенную на две идентичные полуантенны A1 и A2, имеющие самостоятельные выходы. Устройство (фиг.1) имеет две последовательные цепи, одна из которых включает последовательно соединенные полуантенну А1, блок 2 АЦП1, блок 4 БПФ1, блок 5 суммирования спектров и блок 8 накопления суммарных спектров.
Пример выполнения заявленного способа описан на примере устройства, его реализующего (Фиг.1), а вторая включает последовательно соединенные полуантенну А2, блок 3 АЦП2, блок 5 БПФ2, блок 7 разности спектров и блок 9 накопления разностных спектров. Выходы блоков 8 и 9 соединены с входами блока 10 определения спектра сигнала, выход которого соединен с входом блока 11 обнаружения дискретных составляющих (ДС). Второй выход блока 4 соединен со вторым входом блока 7, а второй выход блока 5 соединен со вторым входом блока 6. Выход блока 11 соединен со входом бока 12 классификации.
Блоки 2 и 3 могут быть выполнены так, как это описано в Справочнике «Цифровая обработка сигналов» изд. Радио и связь 1985 г., стр.91, блоки 4 и 5 - например, как это описано в Справочнике «Цифровая обработка сигналов». Изд. Радио и связь 1985 г., стр.14. Блоки 8 и 9 описаны, например, в книге А.А. Харкевича «Борьба с помехой». Москва: Наука, 1965 г., стр.70-71.
Реализацию способа целесообразно описать на примере работы устройства (фиг.1). Блок 11 может быть выполнен так, как это описано в книге A.M. Тюрина «Введение в теорию статистических методов в гидроакустике» Л. 1963 г., стр.127-128.
1
2
1
2
1
1
2
2
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mo>∑</mo><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>S</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>∑</mo></msub><mo>+</mo><mi>J</mi><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup><mi>S</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>∑</mo></msub></mrow>
<mrow><mi>Re</mi><mi>S</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>∑</mo></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>J</mi><mi>m</mi><mi>S</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>∑</mo></msub><mo>=</mo><mi>J</mi><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>J</mi><msub><mi>m</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
Сигналы S(t) и S(t) с выходов блока 1 полуантенн А1 и А2 поступают соответственно на вход блока 2 АЦП1 и блока 3 АЦП2, где АЦП1 и АЦП2 - аналого-цифровые преобразователи. Сигналы S(k) и S(k) из АЦП2 и АЦП3 в виде дискретных отсчетов поступают соответственно в блок 4 БПФ1 и блок 5 БПФ2 для получения комплексных спектров полуантенн А1 и А2. В блок 6 поступают вещественные (Re) и мнимые (Jm) отсчеты реализации комплексного спектра сигнала полуантенны А1 из блока 4 и вещественные (Re) и мнимые (Jm) отсчеты реализации комплексного спектра сигнала полуантенны А2 из блока 5. В блоке 6 определяется суммарный спектр мощности двух полуантенн:
, где
,
, который поступает в блок 8 накопления суммарных спектров.
1
1
2
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>S</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>Δ</mi></msub><mo>+</mo><mi>J</mi><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup><mi>S</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>Δ</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>Re</mi><mi>S</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>Δ</mi></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mrow><mi>Re</mi></mrow><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>J</mi><mi>m</mi><mi>S</mi><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>Δ</mi></msub><mo>=</mo><mi>J</mi><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>J</mi><msub><mi>m</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
В блок 7 разности спектров поступают вещественные (Re) и мнимые (Jm) отсчеты r-ой реализации комплексного спектра сигнала полуантенны А1 из блока 4 и вещественные (Re2) и мнимые (Jm) отсчеты r-ой реализации комплексного спектра сигнала полуантенны А2 из блока 5. В блоке 7 определяется спектр разности мощности двух полуантенн:
, где
,
, который поступает в блок 9 накопления разности спектров.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
В блоке 8 накопления суммарных спектров определяется усредненный (накопленный) спектр
суммарных спектров мощности (А.А. Харкевич «Борьба с помехой». Москва: Наука,  1965 г, стр.70).
<mrow><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
В блоке 9 накопления разности спектра определяется накопленный спектр
разности спектров мощности.
В блок 10 определения спектра сигнала из блока 8 поступает накопленный спектр мощности суммарного сигнала, а из блока 9 поступает накопленный спектр мощности канала разности.
Вычисляется разностный спектр мощности (спектр сигнала цели):
<mrow><mover accent="true"><mrow><msup><mi>S</mi><mn>2</mn></msup><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>∑</mo><mo>−</mo><mi>Δ</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Разностный спектр мощности передается в блок 11 обнаружения ДС для сглаживания прямоугольным окном, выработки порога обнаружения исходя из заданной вероятности ложных тревог (A.M. Тюрин. Введение в теорию статистических методов в гидроакустике. Л., 1963 г., стр.127-128).
Все превысившие порог дискретные составляющие передаются в блок 12 классификации для выработки классификационных признаков по спектру сигнала.
Таким образом, технический результат, заключающийся в устранении влияния спектра помехи, принимаемой по боковому полю характеристики направленности, и обеспечении правильного определения классификационных спектральных признаков, принимаемых по основному лепестку характеристики направленности, достигнут.