Способ отображения гидроакустической информации
HYDROACOUSTIC INFORMATION DISPLAYING METHOD

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для отображения результатов обработки сигналов шумоизлучения и распознавания объектов.
Известен способ отображения и классификации, описанный в работе (В.В. Деев и др. "Анализ информации оператором - гидроакустиком", Ленинград Судостроение 1989 г. стр. 111), который содержит прием сигналов шумоизлучения шумящего объекта приемной антенной, вычисление оценки спектра принятых сигналов шумоизлучения, анализ спектрального состава, выделение дискретных составляющих, построение звукорядов, представление спектров на индикатор и принятие решения о классе шумящего объекта по особенностям спектрального состава принятых сигналов шумоизлучения.
Однако для современных объектов характерно уменьшение числа дискретных составляющих, в результате чего дискретные структуры спектров становятся малоинформативными, что делает классификацию по дискретным составляющим неэффективной.
Известен патент РФ 2156984 на способ получения информации о шумящем в море объекте и способ получения цветовых шкал для него.
В соответствии с этим способом осуществляют частотно-временную обработку сигнала с формированием трех частотных диапазонов, осуществляют индикацию на экране трассы сигналов, сигнал каждого частотного диапазона кодируют своим цветом, при этом яркость сигнала каждого частотного диапазона определяется уровнем сигнала этого диапазона, а результирующий цвет при соединении компонент в каждой точке экрана определяется соотношением уровней сигнала в частотных диапазонах, при этом класс шумящего объекта и оценка дистанции до него определяется путем сопоставления цвета индикаторной трассы сигнала с цветовыми шкалами классов шумящих объектов по дистанции, полученными расчетным путем для существующих гидрологических условий.
С использованием этого технического решения можно получить отображение цветовых образов на панорамном индикаторе и трассы всех наблюдаемых одновременно реальных объектов, к которым относятся сигналы шумоизлучения надводных кораблей и подводных лодок в координатах угол-время (далее сигналы шумоизлучения реальных объектов).
Недостатком данного способа является то, что при наличии кратковременных сигналов, которые обусловлены сигналами различных источников, принадлежащих морской биоакустике или сигналам торошения льда, весь панорамный индикатор заполняется случайными трассами, образующими случайную засветку на всей плоскости пространственных характеристик и времени наблюдения. В этом случае основная трасса, которая принадлежит искомой цели, плохо отображается на фоне случайных выбросов сигнала шумоизлучения источников морской биоакустики или торошения. Это связано с тем, что частотные диапазоны формируются стандартными полосовыми фильтрами, которые хорошо пропускают сигналы биоакустики и торошения, спектры которых совпадают со спектрами шумоизлучения реальных целей, поэтому достоверность выделения реальной цели на фоне помех будет низкой.
Известен способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морских объектов по патенту РФ №2546851, при котором прием сигнала шумоизлучения цели производят характеристиками направленности двух половин одной антенны (двумя полуантеннами), определяют сигнал суммы и сигнал разности этих полуантенн, определяют спектр сигнала и выделение дискретных составляющих по суммарному сигналу с выхода каждой полуантенны, сигнал преобразуют в цифровой вид и последовательными во времени наборами передают на обработку, проводят спектральный анализ каждой временной реализации на выходе каждой полуантенны на основе преобразования Фурье, определяют энергетический спектр сигнала шумоизлучения каждой временной реализации каждой полуантенны, суммируют спектры обеих полуантенн, накапливают и сглаживают суммарные спектры последовательности временных реализаций, определяют спектр разности спектров двух полуантенн, накапливают спектры разности спектров от двух полуантенн последовательности временных реализаций, определяют спектр сигнала как разность накопленной суммы спектров и накопленной разности спектров от двух полуантенн, определяют порог обнаружения, проводят анализ
полученного спектра сигналов, а о наличии дискретных составляющих судят по превышению порога обнаружения отдельными частотами спектра мощности шумоизлучения морского объекта.
Недостатком данного способа является то, что обработка сигналов шумоизлучения реальных целей и обработка сигналов морской биоакустики и сигналов торошения производятся по одним и тем же алгоритмам, и они отображаются на индикаторе одновременно, что затрудняют обнаружению реальных объектов.
Задачей изобретения является повышение достоверности отображения сигналов шумоизлучения реальных объектов при наличии в среде источников морской биоакустики и сигналов торошения льда.
Техническим результатом является отображение на индикаторе спектров сигналов шумоизлучения реальных объектов, которые имеют детерминированную составляющую, и исключение отображения спектров случайных источников шумоизлучения путем увеличения отношения сигнал/помеха.
Для достижения заявленного технического результата в способ, содержащий прием сигнала шумоизлучения многоканальной гидроакустической антенной со статическим веером характеристик направленности (ХН), преобразование принятого сигнала в цифровой вид и последовательными во времени наборами передачу на обработку, спектральный анализ каждой временной реализации на выходе каждого пространственного канала на основе преобразования Фурье, отображение уровня сигнала на экран индикатора введены новые признаки, а именно: выбирают после преобразования Фурье реальные и мнимые части спектра, соответствующие набранному временному интервалу, запоминают реальные и мнимые части спектра набранного временного интервала, повторяют определение в каждом последующем временном интервале набор дискретизированных отсчетов и запоминание реальных и мнимых частей, производят суммирование реальных частей спектра и мнимых частей спектра в набранных временных интервалах, возводят в квадрат сумму реальных частей спектра, возводят в квадрат сумму мнимых частей спектра, для определения энергетического спектра складывают квадраты суммированных реальных и мнимых частей, извлекают квадратный корень и определяют амплитудный спектр сигнала, после чего по каждому пространственному каналу формируют частотные диапазоны, измеряют уровень
сигнала в каждом частотном диапазоне, и выводят полученные амплитудные спектры сигнала в каждом частотном диапазоне для отображения на индикатор.
Наилучший результат получается, если устанавливают исходный уровень накопления, измеряют уровень сигнала в высокочастотном диапазоне, последовательно увеличивают число накоплений, измеряя уровень сигнала а также определяя и запоминая разность сигналов между предыдущим и последующим накоплениями, до тех пор пока, пока разность не начнет уменьшаться, при этом последнее число накоплений считают оптимальным для существующих скоростей движения обнаружителя и источника шумоизлучения.
Поясним сущность предлагаемого технического решения.
При работе системы шумопеленгования в реальных условиях возникают ситуации, когда одновременно с приемом сигнала шумоизлучения реальных объектов на вход гидроакустической антенны станции шумопеленгования поступают сигналы неизвестного происхождения, которые вызываются различными обитателями морских глубин, а так же звуковыми сигналами, вызванными торошением льда в северных широтах. В работе В.Н Таволга «Морская биоакустика». Судостроение. Л. 1969 г. представлен большой объем исследований по характеру сигналов шумоизлучения, принадлежащих морской биоакустике.
Как правило, частотные спектры шумоизлучения морской биоакустики совпадают с диапазоном частот работы станций шумопеленгования, что приводит к искажению достоверности обнаружения сигналов шумоизлучения реальных объектов. Поэтому при работе в таких условиях возникает задача автоматического отображения на экране индикатора только сигналов шумоизлучения реальных объектов и удаления с экрана отображения всех сигналов, не принадлежащих реальным объектам. Исходными параметрами для классификации можно выбрать определенные свойства сигналов шумоизлучения, которые принадлежат реальным объектам. К таким параметрам относятся, прежде всего, стабильное стационарное шумоизлучение, стабильные частотные диапазоны сигнала шумоизлучения, стабильные уровни сигналов шумоизлучения больше порога, длительное время существования сигнала шумоизлучения на фиксированном направлении. Как правило, достаточный мешающий уровень может быть создан при одновременном излучении большого числа источников морской биоакустики, которые имеют некоторое случайное компактное положение
и случайность одновременного излучения. Поэтому уровень шумоизлучения этих сигналов имеет большой разброс по пространству и по уровню. Но самое главное это то, что их спектральный состав случаен и не имеет детерминированных составляющих, которые присущи реальным объектам шумоизлучения. Все это сказывается на стабильности их статистических характеристик, определяемых во времени. Сигнал шумоизлучения реальных техногенных объектов, к которым относятся надводные корабли и подводные лодки более стабилен по частоте, что объясняется стабильной работой механизмов при равномерном и прямолинейном движении с постоянной скоростью.
При использовании цифровой обработки спектральный анализ производится с использованием дискретного преобразования Фурье, частным случаем которого является процедура быстрого преобразования Фурье. Прием и обнаружение сигнала осуществляется с выхода всех характеристик направленности антенны с последующим спектральным анализом. В заявленном способе в результате цифрового спектрального анализа производят определение реальной части спектра, которая содержит положительную и отрицательную составляющую, определение мнимой части спектра, которая содержит положительную и отрицательную составляющую. (Ж. Макс «Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях». ч.2 Мир. М. 1983 стр. 89).
Известно, что, если суммировать случайные процессы, который имеют нулевое среднее значение, то суммарный процесс так же будет иметь нулевое среднее значение. (A.M. Заездный «Основы расчетов по статистической радиотехнике». М. Связь 1969 г., стр. 37).
Реальная часть спектра содержит положительную и отрицательную величину, и мнимая часть спектра также содержит положительную и отрицательную величину. Это единый сигнальный выброс, который имеет нарастающее положительное значение, резко переходящее через ноль в отрицательное значение. При наличии случайной помехи или случайного сигнала шумоизлучения морской биоакустики образуется случайный набор таких сигнальных положительных и отрицательных выбросов с нулевым средним значением по всем значениям спектра в полосе обработки. При суммировании образуется суммарный процесс так же с нулевым средним значением. При этом для случайной помехи в процессе накопления положительные значения реальной составляющей спектра одного временного интервала складываются с
отрицательным значением реальной составляющей спектра другого временного интервала, и они вычитаются. Так же происходит и для мнимой составляющей спектра помехи. В дальнейшем такая сумма реальных выбросов с нулевым средним и сумма мнимых выбросов с нулевым средним возводится в квадрат и складывается. Полученный энергетический спектр помехи имеет положительное значение, которое не превышает положительное значение одиночного спектра на входе накопителя, поскольку среднее значения составляющих равны нулю, а дисперсия в N раз меньше, чем для спектра одиночного временного интервала (A.M. Заездный там же). Поэтому использование предлагаемой процедуры определения спектра увеличивает отношение сигнал/помеха по сравнению с традиционными методами определения спектра и методом, приведенным в прототипе.
Для сигнала шумоизлучения объекта амплитуды в последовательных наборах будут когерентными, поэтому суммарная амплитуда будет равна сумме амплитуд спектральных составляющих. Таким образом, амплитуды сигнальных спектральных составляющих будут накапливаться в силу когерентности при суммировании, и суммарная амплитуда будет расти, а амплитуды спектральных составляющих помехи случайные и среднее значение суммарной амплитуды сигналов биоакустики и помехи сигналов торошения льда будет равна нулю. Поэтому не произойдет накопление помехи при суммировании спектров последовательных временных реализаций сигналов шумоизлучения морской биоакустики.
С выхода каждого пространственного канала выделенный суммарный амплитудный комплексный спектр разделяется на частотные диапазоны. Сумма амплитуд спектральных составляющих определяет уровень сигнала шумоизлучения, который подается на яркостной индикатор и последовательно во времени отображается информация в яркостном виде в выбранных частотных диапазонах. Поскольку сигналы биоакустики случайные по спектру, то они не будут отображаться на индикаторе. На индикаторе будут отображаться только спектры шумоизлучения реальных объектов. Частотные диапазоны формируются в зависимости от возможностей используемых антенн. Как правило, используют три частотных диапазона (см. выше Патент РФ 2156984). Время накопления позволяет увеличить отношения сигнал/помеха, где уровень помехи не зависит от числа накоплений, что обеспечивается предлагаемой процедурой обработки
спектра. При совместном перемещении источника шумоизлучения и системы шумопеленгования вследствие эффекта Доплера происходит изменение частоты спектра, поэтому при накоплении увеличение отношения сигнал/помеха происходит до тех пор, пока последовательные спектры совпадают. Смещение спектра принятого сигнала пропорциональна радиальной скорости цели в соответствии с эффектом Доплера (Дж.Хортон «Основы гидролокации» Судостроение Л. 1961 г. стр. 450).
Как только последовательные спектры перестают совпадать, то отношение сигнал/помеха падает. Поэтому число накоплений связано со скоростью взаимного перемещения. В предлагаемой процедуре обработки уровень помехи является величиной постоянной, поэтому если при накоплении уровень сигнала растет, то это означает, что частотные спектры в последовательных временных интервалах одинаковые и от скорости движения не зависят. Наиболее чувствительно скорость движения влияет на спектры высокочастотного диапазона, поэтому целесообразно определять время накопления по увеличению уровня сигнала на выходе высокочастотного диапазона. Устанавливается исходное время накопление, измеряется уровень сигнала при каждом накоплении, если происходит увеличение уровня сигнала на одну и ту же величину, то означает, что число накоплений можно увеличивать, если величина уменьшается, то это означает, что число накопление достигло оптимального значения.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена блок схема устройства, реализующая предлагаемый способ отображения.
Устройство (фиг. 1) содержит станцию 1 шумопеленгования с антенной, имеющей статический веер характеристик направленности и аналого-цифровой преобразователь АЦП. Станция 1 соединена со спецпроцессором 2, в состав которого входят последовательно соединенные блок 3 набора дискретизированных отсчетов и блок 4 БПФ, первый выход которого соединен с входом последовательной цепи, состоящей из блока 5 выбора реальной части спектра, блока 6 накопления реальной части спектра, блока 7 возведения в квадрат реальной части спектра. Второй выход блока 4 БПФ соединен с входом последовательной цепи, состоящей из блока 8 выбора мнимой части спектра, блока 9 накопления мнимой части спектра, блок 10 возведения в квадрат мнимой части спектра. Выходы блоков 7 и 11 соединены соответственно с первым и
вторым входами блока 11 определения комплексного энергетического спектра, выход которого через блок 12 формирования частотных диапазонов комплексных спектров соединен со входом блока 13 отображения сигналов шумоизлучения на индикаторе. Второй выход блока12 через блок 14 определения числа накоплений соединен с блоком 1 станции шумопеоленгования.
С использованием предлагаемого устройства реализация способа происходит следующим образом. Станция шумопеленгования принимает сигналы шумоизлучения с использованием статического веера характеристик направленности и преобразует входные временные реализации каждого канала в цифровой вид для дальнейшей обработки. Такого типы станции шумопеленгованиия являются известными устройствами, которые нашли широкое применение в гидроакустической аппаратуре и достаточно полно и подробно на современном уровне рассмотрены в книге (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт-Петербург «Наука» 2004 г.) Станция использует статический веер характеристик направленности для обзора по всему пространству и аналогово-цифровой преобразователь АЦП. Принципы цифрового преобразование и обработки достаточно подробно приведены в работе («Применение цифровой обработки сигналов» п\р Оппенгейма М. Мир 1980 г. стр. 389-436.) 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. 1980 г. стр. 296.) 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 обработку и обнаружение сигнала, а также измерение спектров сигнала шумоизлучения, и процедуры анализа спектров. Вопросы реализации спецпроцессоров достаточно подробно рассмотрены в книге (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт-Петербург «Наука»2004 г. стр. 281). Дискретизированные отсчеты входных сигналов по всем пространственным каналам последовательно во времени поступают на блок 3 спецпроцессора 2, где производится набор временных интервалов дискретизированных отсчетов. Длина интервала определяется
производительность процедуры БПФ и разрешающей способностью по частоте. С выходы блока 3 временные наборы последовательно поступают в блок 4 БПФ, который производит спектральный анализ набранной временной реализации. Это стандартная процедура, которая используется для определения энергетического спектра входного процесса. На выходе блока 4 формируются реальные и мнимые составляющие комплексного спектра набранной временной реализации. Их особенность заключается в том, что они знакопеременные. Поэтому в блок 5 выбирают реальную часть спектра и передают далее в блок 6, где происходит накопление реальной части. В том случае, когда реальная часть спектра принадлежит сигналу от объекта, то в ней присутствует детерминированная составляющая, которая повторяется в последовательных временных интервалах, и она когерентно накапливается. В том случае, если поступает реальная часть случайного спектра сигнала морской биоакустики, то она не накапливается, поскольку спектральные составляющие в последовательных временных интервалах расположены случайно и имеют нулевое среднее значение. Накопленная реальная часть спектра возводится в квадрат в блоке 7 и образуется положительное значение накопленной реальной части спектра. Аналогично с выхода блока 4 в блоке 8 выбирается мнимая часть спектра и далее в блоке 9 происходит накопление и в блоке 10 возведения в квадрат мнимой части спектра. Здесь так же происходит накопления мнимой части спектра действительного объекта шумозлучения, и не происходит накопление мнимой части спектра помехи. После возведения в квадрат реальной и мнимой части спектра результаты подаются в блок 11, где производится определение накопленного энергетического комплексного спектра. В блоке 12 формируются частотные диапазоны, значения которых поступает на блок 13 представления энергии каждого частотного диапазона на индикатор отображения. Второй выход блока 12 через блок 14 определения числа накоплений соединен со входом блока!
Наилучший результат получается, если устанавливают исходный уровень накопления N=10, измеряют уровень сигнала в высокочастотном диапазоне, последовательно увеличивают число накоплений, до 12, измеряя уровень сигнала а также определяя и запоминая разность сигналов между предыдущим и последующим накоплениями, снова увеличивают число накоплений до 14 измеряют уровень сигнала, измеряют разность запоминают разность, если разность не уменьшилась, то увеличивают число накоплений до тех пор пока,
пока разность не начнет уменьшаться, при этом последнее число накоплений считают оптимальным для существующих скоростей движения обнаружителя и источника шумоизлучения.
Блок 14 представляет собой арифметическое устройства, решающую задачу сравнение разности нескольких последовательных чисел, которая может быть решена спецпроцессоре. (А.Б. Сергиенко Цифровая обработка сигналов СПб. «БХВ - Петербург» 2011 г.)
Таким образом, обеспечивается исключение отображения спектральной составляющей сигналов биоакустики и сигналов торошения льда, уменьшения времени обработки сигналов шумоизлучения и оптимизирует число накоплений спектра, что позволит выполнить решение поставленной задачи.