СПОСОБ КЛАССИФИКАЦИИ ЭХО-СИГНАЛА ГИДРОЛОКАТОРА
METHOD OF CLASSIFYING SONAR ECHO SIGNAL

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем классификации объектов, обнаруженных при работе в режиме гидролокации.
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.
Аналогичный способ обнаружения эхосигнала, основанный на классификации эхосигнала и помехи, изложен в книге B.C.Бурдик "Анализ гидроакустических систем", Судостроение, 1988 г., стр.347. Этот способ содержит многоканальную по частоте фильтрацию, детектирование, выделение огибающей и сравнение с порогом.
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).
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является способ обнаружения эхосигнала на фоне нормального стационарного шума, рассмотренный в книге Л.Рабинер, Б.Гоулд «Теория и применение цифровой обработки сигналов», Мир, М., 1978 г.
Способ содержит следующие операции:
- излучение зондирующего сигнала длительностью Т на известной частоте,
- прием эхосигнала в смеси с шумовой помехой,
- дискретизацию электрического сигнала,
- набор входных дискретизированных отсчетов длительностью Т,
- определение энергетического спектра с помощью БПФ,
- сдвиг набора электрического сигнала по времени,
- многократное повторение процедуры набора сдвинутых во времени входных дискретизированных отсчетов длительностью Т,
- определение энергетического спектра,
- выбор набора с максимальной энергией сигнала;
- принятие решения об обнаружении по набору с максимальной энергией сигнала.
Данный способ позволяет классифицировать сигнал и помеху при сравнении измеренной амплитуды с порогом. При превышении амплитуды выбранного порога принимается решение в пользу эхосигнала. Это не всегда соответствует действительности. При работе в условиях поверхностной и донной реверберации амплитуда сигнала от реверберации превышает не только выбранный порог, но и амплитуды эхосигнала от цели, что увеличивает вероятность ложной тревоги. Увеличение величины порога может привести только к снижению вероятности обнаружения эхосигнала от цели, т.е. не позволяет произвести классификацию сигнала от цели и помеху.
Таким образом, основным недостатком прототипа и других рассмотренных способов является невозможность классификации сигнала от цели и сигнала реверберации, которая имеет энергетические характеристики, сопоставимые с эхосигналом от цели. Кроме того, при увеличении уровня помехи на входе приемного тракта или при наличии нестационарной помехи имеют место ложные выбросы, которые также увеличивают вероятность ложной тревоги.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение классификации эхосигнала на фоне помехи реверберационной или шумовой.
Для решения поставленной задачи в способ классификации эхосигнала гидролокатора, 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; введены новые признаки, а именно сдвиг наборов дискретизированных отсчетов осуществляют на время 1/4Т, по каждому набору определяют среднее значение всех спектральных отсчетов; по каждому набору определяют спектральный отсчет с наибольшей амплитудой, в каждом наборе сравнивают наибольшую амплитуду спектрального отсчета с порогом, выбранным по среднему значению, полученному при суммировании всех спектральных отсчетов всех наборов, в каждом наборе, имеющем спектральный отсчет, наибольшая амплитуда которого превысила порог, определяют ширину спектра эхосигнала, как количество спектральных отсчетов, превысивших порог, в этих наборах запоминают наибольшую амплитуду спектрального отсчета, номер спектрального отсчета и ширину спектра, соответствующего наибольшему спектральному отсчету, сравнивают номера спектральных отсчетов в соседних последующих во времени наборах, сравнивают наибольшие амплитуды спектральных отсчетов в этих наборах, определяют набор с максимальной амплитудой спектрального отсчета; принимают решение в пользу эхосигнала от цели, если номера спектральных отсчетов с наибольшими амплитудами в пределах наборов соседних набору с максимальной амплитудой спектрального отсчета отличаются не более чем на ±2 отсчета, ширина спектра набора с максимальной амплитудой меньше чем 2/Т, и наибольшие амплитуды спектральных отсчетов наборов, соседних набору с максимальной амплитудой спектрального отсчета, меньше максимальной амплитуды спектрального отсчета выбранного набора, а ширина спектра соседних наборов больше 2/Т; в противном случае принимается решение в пользу помехи.
Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение классификации эхосигнала от объекта и от реверберационной и шумовой помехи, что приводит к снижению вероятности ложной тревоги.
Поясним достижение указанного результата.
Полагая, что эхосигнал, отраженный от объекта, имеет огибающую колокольной формы, спектральную плотность такого радиоимпульса можно получить, используя преобразование Фурье, и эквивалентная ширина спектра колокольного радиоимпульса может быть определена по формуле (А.М.Тюрин. Введение в теорию статистических методов в гидроакустике. Л.: 1963 г., изд. ВМОЛА, стр.100)
где Т - длительность зондирующего сигнала. Свойства функции неопределенности сигналов и аналитические соотношения между длительностью сигнала и шириной спектра сигнала достаточно подробно рассмотрены в научной литературе. (Д.Е.Вакман «Сложные сигналы и принцип неопределенности в радиолокации». М.: 1965 г., Сов. радио, стр.84, 111). Таким образом, ширина спектра эхосигнала от реального объекта ограниченной протяженности будет обратно пропорциональна длительности излученного сигнала. Поскольку обработка сигнала производится со сдвигом Т/4, то решение принимается по максимуму из соседних наборов, в которые попал эхосигнал от объекта. Положение эхосигнала случайно, поскольку имеет место взаимное перемещение гидролокатора и объекта классификации. Если длительность входного набора содержит эхосигнал меньше половины его длительности, то полоса эхосигнала будет достигать величины не более 2/Т.
Известно, что эхосигнал реверберации представляет собой сумму элементарных отражателей с различными амплитудами и различной длительностью
(см. Ольшевский В.В. Статистические свойства морской реверберации. М.: Наука, 1966 г.). Эхосигнал реверберации формируется как сумма эхосигналов от элементарных отражателей, имеющих различную длительность и различную амплитуду, что приводит к искажению фронта плоской волны. При использовании цифровой обработки эхосигнала осуществляется набор входной информации определенной длительности, равной длительности эхосигнала. Размеры длительности эхосигналов реверберации, попадающих в интервал набора входной реализации, являются случайными и равномерно распределены в пределах интервала набора входной реализации, равной длительности зондирующего сигнала. Можно оценить наиболее вероятную величину длительности эхосигнала реверберации в интервале набора входной реализации, и ее разброс, что позволит определить ширину спектра эхосигнала, отраженного от дна, от берегового шельфа или от поверхности моря.
В отсутствии измеренных априорных данных о характере распределения длительностей в интервале набора, распределение оценки длительности, попадающей в интервал набора, можно положить равновероятным.
Начало каждого сигнала в первом временном наборе может быть равномерно распределено в интервале от 0 до Т/4, а ширина спектра такого сигнала будет пропорциональна интервалу от 4/Т и реально до 10/Т. Поскольку число отражателей реверберации велико, то среднее значение ширины спектра эхосигнала реверберации будет больше или равно 7/Т.
При этом происходит суммирование эхосигналов от большого числа отражателей с разными эквивалентными радиусами, случайно расположенными в пространстве, частично попадающими в строб набора информации. Именно они, части этих эхосигналов, определяют ширину спектра реверберации при каждом очередном наборе входной информации. Поэтому ширина спектра реверберации существенно шире, чем ширина спектра эхосигнала, что может быть использовано для классификации наибольшего спектрального отсчета, обусловленного реверберацией.
Рассмотрим ширину полосы спектра шума на выходе полосового фильтра, представляющего собой входной тракт приемного устройства гидролокатора. Полоса приемного тракта существенно больше, чем полоса зондирующего сигнала. Полоса приемного тракта должна обеспечить прием эхосигнала во всем диапазоне скоростей движения носителя гидролокатора и с учетом скорости перемещения объекта локации, и может быть в десятки раз быть больше полосы эхосигнала, отраженного от реального объекта. При воздействии на входе приемного устройства помехи ложный сигнал на выходе приемного устройства будет иметь ширину спектра, равную полосе приемного устройства.
Таким образом, используя оценку ширины спектра эхосигнала, можно классифицировать эхосигналы от локальных объектов (буи, корабли, батискафы, платформы и т.д.) от реверберации донной и поверхностной, и от интенсивных шумов, поступающих на вход приемного устройства тракта гидролокации.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена блок-схема устройства, реализующего способ.
Устройство содержит антенну 1, генератор 2 зондирующего сигнала, приемное устройство 3, включающее аналого-цифровые преобразователи, выход которого соединен с входом блока 4 спектрального анализа БПФ с фиксированным интервалом набора, первый выход которого соединен со входом блока 6 обнаружения сигнала, а второй выход через блок 5 выработки порога соединен со вторым входом блока 6 обнаружения сигнала. Первый выход блока 6 через блок 7 определения номера отсчета соединен с первым входом блока 10 и далее с блоком 11 принятия решения. Второй выход блока 6 через блок 8 определения максимума соединен со вторым входом блока 10. Третий выход блока 6 через блок 9 определения ширины спектра соединен с третьим входом блока 10 формирования классификационных признаков.
Антенна 1 и генератор 2 известные устройства, которые содержаться во всех гидролокаторах. Приемное устройство 3 является известным устройством, основные принципы которого достаточно подробно рассмотрены в известной литературе B.C.Бурдик "Анализ гидроакустических систем". Судостроение, 1988 г., стр.347, и содержит дискретизатор, многоканальную по частоте фильтрацию, детектирование, выделение огибающей и сравнение с порогом. Блок 4 спектрального анализа может быть реализован различными системами. 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. 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 амплитуды эхосигнала, номера отсчета и оценки ширины спектра. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в книге «Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма, М.: Мир 1980 г. Блок 11 принятия решения может быть выполнен по схеме блока распознавания, представленного на стр.107. или стр.116 книги А.Н.Яковлев, Г.П.Каблов. «Гидролокаторы ближнего действия». Л.: Судостроение, 1985, или реализован на спецпроцессорах в цифровом виде (см. Ю.А.Корякин, С.А.Смирнов, Г.В.Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. Санкт-Петербург, «Наука», 2004 г., стр.281).
Рассмотрим предлагаемый способ на примере работы приведенного на фиг.1 устройства. Работа устройства происходит в следующей последовательности.
На вход приемного устройства 3 с гидроакустической антенны 1 поступает электрический сигнал, который дискретизируется и подается на блок 4 спектрального анализа БПФ. В блоке 4 осуществляется выборка входной реализации с заданным интервалом 1/4Т сдвига во времени. С первого выхода блока 4 полученные оценки спектров поступают в блок 6 обнаружения спектрального отсчета сигнала, а со второго выхода в блок 5 выработки порога. Выработка порога осуществляется как среднее значение спектральной плотности по результатам оценки всех спектральных составляющих с выхода БПФ. В блоке 6 обнаружения эхосигнала производится сравнение амплитуды отсчетов спектров с выбранным порогом. Результат обнаружения передается в блок 7 определения номера отсчета, в блок 8 определения максимума амплитуды и в блок 9 определения ширины спектра, который определяет число соседних спектральных составляющих, которые превысили порог. Полученные в блоке 7, в блоке 8 и в блоке 9 оценки поступают в блок 10 формирования классификационных признаков. В блоке 10 производится выбор отсчета с максимальной амплитудой, сравнение амплитуды измеренного отсчета с амплитудами этого же отсчета в соседних временных наборах, сравнение измеренной ширины спектра с пороговым значением, сравнение измеренной ширины спектра с шириной спектра в соседних временных наборах для выделенного отсчета с максимальной амплитудой. Сформированные классификационные признаки поступают в блок 11 принятия решения, где, на основании совокупности полученных оценок, выносится решение, к какому классу объектов классификации относится полученный спектр эхосигнала - к помехе или к эхосигналу от объекта.
Таким образом, обеспечивается решение задачи классификации принятого эхосигнала на эхосигнал от объекта и на реверберационную или шумовую помеху, что снижает вероятность ложной тревоги.