Способ обнаружения локального объекта на фоне распределенной помехи при бистатической гидролокации
METHOD OF DETECTING LOCAL OBJECT AGAINST BACKGROUND OF DISTRIBUTED INTERFERENCE IN BISTATIC SONAR

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения локальных объектов в условиях распределенных помех различного происхождения.
Под локальным объектом здесь понимается подводный или надводный объект искусственного происхождения ограниченного размера (корабль, подводный аппарат, буй, контейнер и т.п.), при этом объем объекта существенно меньше объема лоцируемого пространства, ограниченного телесным углом характеристики направленности приемо-излучающей антенны гидролокатора и отрезком дистанции, определяемым временем излучения зондирующего сигнала (ЗС).
Под распределенными помехами подразумеваются помехи, обусловленные реверберационными отражениями излучаемых сигналов от дна или поверхности моря, а также от звукорассеивающих слоев водной массы. Это может быть также береговая черта или подводная скала (гряда камнеобразований).
В зависимости от ракурса объекта по отношению к направлению излучения реальные объекты, как правило, имеют многобликовую структуру отраженного сигнала [1,2].
Амплитуды бликов для некоторых ракурсов объекта могут синфазно суммироваться, в этом случае эхосигнал от объекта может достигать максимального значения, соответствующего энергетической сумме бликовых отражений объекта, что, однако, является маловероятным событием, так как при многолучевом распространении звука в среде кроме суммирования бликов на входе приемной антенны будут суммироваться лучи от каждого блика, имеющие неопределенную фазу.
Как показывают расчеты, для тональных ЗС при определенных значениях радиальной скорости локального объекта, его ракурса и бликовой структуры эхосигнал может быть полностью подавлен вследствие интерференции. Кроме того, для разрешения бликов с использованием тональных сигналов акустическая протяженность импульсов должна быть как минимум в два раза меньше расстояния между бликами. Малая длительность излучаемых импульсов в свою очередь снижает энергетический потенциал гидролокатора.
При отражении эхосигналов от нелокальных протяженных объектов также может иметь место бликовая структура эхосигнала. Однако угловое пространственное распределение бликов носит, как правило, случайный характер. Применение широкополосных ЗС при использовании известных методов когерентной обработки и соответствующем разрешении по дистанции позволяет определить амплитуды отдельных бликов объекта.
Известны способы обнаружения локальных объектов [3], основанные на излучении и согласованной с излученным сигналом обработке путем свертки спектров излученного и принятого сигналов, определении максимальной амплитуды бликов эхосигнала и сравнении полученного отношения сигнал/помеха с заданным порогом обнаружения, связанным с вероятностью правильного обнаружения и вероятностью ложных тревог.
Однако максимальная амплитуда одного из бликов многобликового объекта в большинстве случаев при высокой интенсивности реверберационных помех и традиционных методах энергетического приема может не позволить решить задачу обнаружения локального объекта с заданной вероятностью правильного обнаружения.
Указанная проблема обнаружения локальных объектов при высокой интенсивности реверберационных помех характерна как для режима моностатической гидролокации, когда излучение и прием сигналов производится на одну приемо-излучающую антенну, а также для режима бистатической гидролокации, когда используются пространственно-разнесенные излучатель и одна либо несколько приемных антенн.
Одним из методов, которые могут в этом случае обеспечить обнаружение локального объекта на фоне пространственно-распределенных помех является корреляционная обработка сигналов, принимаемых одновременно в двух пространственных каналах, в которых присутствует эхосигнал от объекта обнаружения.
Из анализа уровня техники известен гидроакустический комплекс (ГАК) надводного корабля [4], в котором реализован способ обнаружения локальных объектов в режиме бистатической гидролокации.
Гидроакустический комплекс надводного корабля [4] содержит первую акустическую антенну, выполненную в виде излучателя, размещенного в буксируемом при помощи кабель-троса носителе и соединенного с выходом тракта излучения, и приемной гибкой протяженной буксируемой линейной антенны, подсоединенной к буксируемому носителю с помощью кабеля нулевой плавучести, выход которой соединен с входом первого тракта приема сигналов, также содержит вторую цилиндрическую акустическую антенну, размещенную в бульбовом или подкильном обтекателе надводного корабля, соединенную через коммутатор приема-передачи с выходом тракта излучения и с входом второго тракта приема сигналов, также содержит пульт управления и индикации, информационно соединенный с блоком вычисления дистанций в бистатическом режиме гидролокации.
Приемные тракты многоканальных антенн, как правило, включают блок формирования веера статических характеристик направленности приемного тракта гидролокатора и блок многоканальной обработки сигналов [5].
Способ обнаружения локальных объектов при бистатической гидролокации с использованием указанного ГАК [4] реализуется следующим образом.
Подводное контролируемое пространство облучают гидроакустическим сигналом с использованием излучателя и тракта излучения, принимают отраженные от объекта обнаружения эхосигналы одновременно первой и второй акустическими антеннами, производят обработку принятых сигналов соответственно первым и вторым многоканальными трактами приема сигналов, приемные каналы которых образуют веер статических характеристик направленности.
В каждом приемном канале первого и второго многоканальных трактов приема сигналов производят обработку временных реализаций принятых эхосигналов, определяют максимальный уровень эхосигнала и сравнивают полученное отношение сигнал/помеха с порогом обнаружения. При излучении сложных зондирующих сигналов обработку временных реализаций принятых эхосигналов в каждом приемном канале первого и второго приемных трактов производят известным способом [3] определения модулей взаимно-ковариационной функций принятого и излученного сигналов путем обратного преобразования Фурье свертки спектра принятого эхосигнала с комплексно-сопряженным спектром излученного сигнала.
пр
В случае превышения отношения сигнал/помеха в приемном канале заданного порога принимают решение об обнаружении локального объекта. Вычисление дистанции до объекта Д производится в блоке вычисления дистанций в бистатическом режиме гидролокации по формуле
где: с - скорость звука в воде,
n
t - время от момента излучения до момента прихода n-го эхосигнала,
L - расстояние между акустическими центрами излучателя и приемной антенны,
хн
Q - курсовой угол направления оси ХН приемного канала.
Недостатком способа обнаружения локального объекта при бистатической гидролокации, реализованного в ГАК НК [5] и выбранного в качестве прототипа, является недостаточная помехоустойчивость в условиях интенсивных реверберационных помех и низком уровне эхосигнала при многобликовой структуре объекта обнаружения.
Задача предполагаемого изобретения заключается в повышении эффективности обнаружения локальных многобликовых объектов при бистатической гидролокации в условиях интенсивных реверберационных помех.
Техническим результатом от использования предлагаемого способа является повышение помехоустойчивости бистатического гидролокатора обнаружения локальных объектов в условиях интенсивных реверберационных помех и низком уровне эхосигнала при многобликовой структуре объекта обнаружения.
Для достижения указанного технического результата в способ обнаружения локального объекта при бистатической гидролокации, содержащий излучение сложного зондирующего сигнала, прием эхосигнала одновременно первым и вторым многоканальными приемными трактами, пространственные приемные каналы которых образуют веер статических характеристик направленности, набор временных реализаций в каждом приемном канале, определение в каждом приемном канале в каждой временной реализации первого и второго приемных трактов модулей взаимно-ковариационной функции принятого и излученного сигналов путем обратного преобразования Фурье свертки спектра принятого эхосигнала с комплексно-сопряженным спектром излученного сигнала, определение дистанции для каждой временной реализации в каждом приемном канале, введены новые признаки, заключающиеся в том, что для каждого приемного тракта определяют приемные каналы, нацеленные по углу и по дистанции на ожидаемое местоположение объекта обнаружения, определяют корреляционную связь огибающих временных реализаций приемных каналов первого и второго приемных трактов, нацеленных по углу и по дистанции на ожидаемое местоположение объекта обнаружения, на основе вычисления максимума модуля взаимно-ковариационной функции между огибающими принятых эхосигналов для каждой пары выбранных приемных каналов, определяют среднее значение по всем максимумам, нормируют все максимумы взаимно-ковариационных функций на их среднее значение, а решение о наличии локального объекта принимают в случае превышения нормированных максимумов взаимно-ковариационных функций уровня заданного порога не более чем в N приемных каналах, иначе принимают решение об обнаружении нелокального объекта.
Значение N определяют предварительно расчетно-экспериментальным путем в зависимости от ширины характеристик направленности выбранных приемных каналов и уровня заданного порога обнаружения.
Таким образом за счет введения новых признаков при высоком уровне корреляционной связи бликовой структуры эхосигналов одного и того же объекта обнаружения в выбранных приемных каналах многоканальных приемных трактов предлагаемый способ обнаружения позволяет повысить помехоустойчивость бистатического гидролокатора.
Сущность изобретения поясняется фиг 1-6, где на фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ бистатической гидролокации, на фиг. 2 приведена блок-схема варианта блока выбора приемных каналов первого и второго приемного трактов для реализации предлагаемого способа бистатической гидролокации.
На фиг. 3 приведен пример размещения излучателя и приемных антенн ГАК НК при бистатической гидролокации, где 1 - излучатель, 4 - первая приемная антенна (ГПБЛА), 7 - вторая приемная антенна, размещенная в бульбовом или подкильном обтекателе надводного корабля, L1, L2 - горизонтальные проекции расстояния между акустическими центрами первой и второй антеннами и излучателем.
1
1
2
2
На фиг. 4 показана горизонтальная проекция координат объекта обнаружения относительно излучателя и выбранных приемных каналов первого и второго приемных трактов, нацеленных на местоположение объекта обнаружения, при этом обозначено: О -объект обнаружения, А1 - первая акустическая антенна, И - излучатель, А2 - вторая акустическая антенна, Д, КУ - дистанция и курсовой угол оси ХН приемного канала первого приемного тракта при обнаружении объекта О, Д, КУ - дистанция и курсовой угол оси ХН приемного канала второго приемного тракта при обнаружении объекта О, Ди - дистанция от излучателя до объекта обнаружения О.
На фиг. 5 приведен результат моделирования эхосигнала однобликового объекта (а) и ВКФ огибающих эхосигналов (б) в выбранных приемных каналах первого и второго приемного трактов, нацеленных на местоположение объекта обнаружения, на фиг. 6 - результат моделирования эхосигнала многобликового объекта (а) и ВКФ огибающих эхосигналов (б) в выбранных приемных каналах первого и второго приемного трактов, нацеленных на местоположение объекта обнаружения.
Предложенный способ реализуется с помощью устройства, представленного на фиг. 1, 2 устройства.
Устройство (фиг. 1) содержит излучатель 1, усилитель мощности 2, задающий генератор 3, первую приемную антенну 4, первый блок 5 формирования ХН, первый блок 6 многоканальной обработки сигналов, вторую приемную антенну 7, второй блок 8 формирования ХН, второй блок 9 многоканальной обработки сигналов, блок 10 выбора временных последовательностей пары приемных каналов первого и второго приемных трактов, блок 11 вычисления модулей взаимно-ковариационных функций между огибающими принятых эхосигналов для каждой пары выбранных пространственных каналов, блок 12 выбора максимума и нормирования, блок 13 установки порога обнаружения, блок 14 принятия решения об обнаружении локального объекта.
Излучатель 1 через усилитель мощности 2 соединен с первым выходом задающего генератора 3. Первая приемная антенна 4 через последовательно соединенные первый блок 5 формирования ХН и первый блок 6 многоканальной обработки сигналов подключена на первый вход блока 10 выбора временных последовательностей пары приемных каналов первого и второго приемных трактов, нацеленных на ожидаемое местоположение объекта обнаружения.
Вторая приемная антенна 7 через последовательно соединенные второй блок 8 формирования ХН и второй блок 6 многоканальной обработки сигналов подключена на второй вход блока 10 выбора временных последовательностей пары приемных каналов первого и второго приемных трактов, нацеленных на ожидаемое местоположение объекта обнаружения.
Выход блока 10 выбора временных последовательностей пары приемных каналов через последовательно соединенные блок 11 вычисления модулей взаимно-ковариационных функций между огибающими принятых эхосигналов для каждой пары выбранных пространственных каналов и блок 12 выбора максимума и нормирования подключен к первому входу блока 14 принятия решения об обнаружении локального объекта, на второй вход которого подключен выход блока 13 установки порога обнаружения.
Блок 10 (фиг. 2) выбора временных последовательностей пары приемных каналов первого и второго приемных трактов содержит первое 15 и второе 16 буферные запоминающие устройства (БЗУ), блок 17 расчета дистанций при бистатической гидролокации (БГЛ) и блок 18 отождествления временных последовательностей двух приемных каналов, нацеленных на ожидаемое местоположение объекта обнаружения.
Первые входы первого 15 и второго 16 БЗУ подключены соответственно к первому и второму входам блока 10, а вторые входы блоков 15 и 16 БЗУ подключены к выходу блока 17 расчета дистанций при БГЛ. Выходы блоков 15 и 16 БЗУ подключены соответственно на первый и второй входы блока 18 отождествления временных последовательностей двух приемных каналов. Выход блока 18 является выходом блока 10 выбора временных последовательностей пары приемных каналов первой и второй приемных антенн, нацеленных на ожидаемое местоположение объекта обнаружения.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
Сформированный в задающем генераторе 3 зондирующий сигнал через усилитель мощности 2 подается на излучатель 1 и излучается в водную среду.
Эхосигналы, принимаемые первой приемной антенной 4 через последовательно соединенные первый блок 5 формирования ХН поступают на вход первого блока 6 многоканальной обработки сигналов.
В блоке 6 производится вычисление комплексно-сопряженного спектра зондирующего сигнала, комплексное перемножение его со спектрами сигналов приемных каналов с последующим обратным преобразованием Фурье и вычислением модулей взаимно-ковариационных функций принятого и излученного сигналов. Таким образом, на выходе блока 6 получают набор временных реализаций огибающих эхосигналов в каждом приемном канале первого приемного тракта для всех интервалов дистанции обнаружения.
Аналогичным образом эхосигналы, принимаемые второй приемной антенной 7 через последовательно соединенные второй блок 8 формирования ХН поступают на вход второго блока 9 многоканальной обработки сигналов. В блоке 9 также производится вычисление комплексно-сопряженного спектра зондирующего сигнала, комплексное перемножение его со спектрами сигналов приемных каналов с последующим обратным преобразованием Фурье и вычислением модулей взаимно-ковариационных функций принятого и излученного сигналов. На выходе блока 9 также получают набор временных реализаций огибающих эхосигналов в каждом приемном канале второго приемного тракта для всех интервалов дистанции обнаружения.
В блоке 10 (фиг. 2) производится запоминание временных реализаций огибающих эхосигналов в каждом приемном канале первого и второго приемных трактов соответственно в первом блоке 15 и втором блоке 16 БЗУ для всех интервалов дистанции обнаружения, рассчитанных в блоке 17. В блоке 18 производится отождествление временных последовательностей двух приемных каналов, нацеленных по курсовому углу и по дистанции на ожидаемое местоположение объекта обнаружения.
С выхода блока 10 устройства (фиг. 1) огибающие эхосигналов выбранной пары приемных каналов поступают в блок 11 вычисления модулей взаимно-ковариационных функций между огибающими принятых эхосигналов, далее результаты расчетов поступают в блок 12, где производится выбор максимального значения в каждом из наборов модулей взаимно-ковариационных функций, определение среднего значения по всем максимумам и нормирование всех максимумов взаимно-ковариационных функций на их среднее значение.
С выхода блока 12 нормированные максимальные значения модулей взаимно-ковариационных функций между огибающими принятых эхосигналов для каждой пары выбранных пространственных каналов поступают на вход блока 14, где производится сравнение каждого значения с порогом обнаружения, поступающим из блока 13, и в случае превышения принимается решение об обнаружении эхосигнала.
В случае превышения нормированных максимумов взаимно-ковариационных функций уровня выбранного порога не более чем в N приемных каналах, принимают решение о наличии локального объекта. Если число нормированных максимумов взаимно-ковариационных функций, превышающих уровень выбранного порога, больше заранее заданного значения N, принимают решение об обнаружении нелокального объекта.
Реализацию предлагаемого способа рассмотрим на примере размещения излучателя и приемных антенн ГАК НК при бистатической гидролокации, показанном на фиг. 3. На фиг.4 показана горизонтальная проекция координат объекта обнаружения относительно излучателя и выбранных приемных каналов первого и второго приемных трактов, нацеленных на местоположение объекта обнаружения.
1
2
1
2
Для выявления приемных каналов, нацеленных на объект обнаружения «О» определим соотношения между Д, Д, КУ и КУ (фиг. 4).
1
Обозначим , где с - скорость звука в воде, t - время от момента излучения до момента прихода эхосигнала на антенну А1, тогда
2
Аналогично для второй антенны , где t - время от момента излучения до момента прихода эхосигнала на антенну А2, тогда
Также из теоремы косинусов для треугольника ОА1А2 получаем
2
Из теоремы синусов , где угол β=180-КУ, тогда
В блоке 17 производится расчет дистанций по формулам (2) и (3). Структура и функционирование блока 17 аналогичны блоку расчета дистанций в режиме БГЛ ГАК НК [5].
В блоке 18 производится отождествление временных последовательностей двух приемных каналов, нацеленных на ожидаемое местоположение объекта обнаружения по формулам (4) и (5).
2
1
Как видно из фиг. 4, в общем случае эхосигналы, принимаемые первой и второй антенной, могут иметь отражения с разными ракурсами объекта обнаружения. Однако, как указывается в [1,2], бликовая структура объектов достаточно устойчива в пределах углов лоцирования до 10 градусов, т.е. эффективность предлагаемого способа будет максимальной, если угол γ<10°, где угол γ=КУ - КУ (см. фиг. 4).
Таким образом, минимальную дистанцию обнаружения локального объекта следует выбирать таким образом, чтобы Д>L/tgγ, где γ=10°.
Сущность предлагаемого способа не изменится, если в качестве излучателя при бистатической гидролокации будет использоваться вторая цилиндрическая акустическая антенна, соединенная через коммутатор приема-передачи с выходом тракта излучения.
Реализация блоков устройств, приведенных на фиг. 1, 2 может быть выполнена аналогично устройствам, описанным в известной литературе [3,5-7].
Технический результат от использования предлагаемого способа подтверждается моделированием работы приведенного на фиг. 1 устройства.
На фиг. 5 приведен результат моделирования эхосигнала однобликового объекта (а) в приемном канале и ВКФ огибающих эхосигналов (б) того же объекта в соответствующих приемных каналах первого и второго приемных трактов. Как видно из фиг. 5, при уровне порога Uпор=7 максимум эхосигнала и максимум ВКФ огибающих превышают значение порога. Таким образом, для однобликового объекта высокий уровень эхосигнала позволяет обнаруживать эхосигнал как в предлагаемом способе обнаружения, так и в способе-прототипе при классической обработке сигналов.
На фиг. 6 приведен результат моделирования для тех же условий эхосигнала шестибликового объекта (а), а также вычисления ВКФ огибающих эхосигналов (б) того же объекта в выбранных приемных каналах. Как видно из фиг. 6а, уровень бликов эхосигнала уменьшается и при том же уровне порога Uпор=7 амплитуда максимального блика эхосигнала уже не превышает порог и в способе-прототипе этот эхосигнал не будет обнаружен. В то же время максимум ВКФ огибающих эхосигналов (фиг. 6б) в выбранных приемных каналах первого и второго многоканальных приемных трактов, нацеленных на область ожидаемого местоположения объекта обнаружения, превышает значение порога Uпор=7 и решение об обнаружении локального объекта в предлагаемом способе может быть принято, что подтверждает достижение заявленного технического результата.
Источники информации
1. А.А. Илларионов, С.В. Козловский, В.П. Чернов. Экспериментальная оценка бистатической силы цели при различных видах зондирующих сигналов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематич. вып. «Экология 2013 - море и человек», Технологический институт Южного Федерального Университета г. Таганрог, вып. 9 (146), 2013. - С. 160-165.
2. В.С. Давыдов. Физико-математические основы многоальтернативного распознавания и идентификации гидролокационных полей тел сложной геометрической формы // Успехи физических наук. Том 178, №11, ноябрь 2008 г.
3. «Применение цифровой обработки сигналов» под ред. Э. Оппенгейма, М., Мир, 1980, с. 428.
4. Патент RU 137 126 U1 от 01.07.2013 г., МПК G01S 15/87 (2006.1), опубликовано 27.01.2014 г., бюл. №3.
5. А.В. Рыжиков, Ю.В. Барсуков. Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике. Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007 г.
6. Л.В. Орлов. А.А. Шабров. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота // Л., Судостроение, 1982 г.
7. В.С. Бурдик. Анализ гидроакустических систем // Л., Судостроение, 1988 г.