Способ определения местоположения объектов гидроакустической пассивной системой в условиях многомодового распространения звука
METHOD FOR DETERMINING THE LOCATION OF OBJECTS BY A HYDROACOUSTIC PASSIVE SYSTEM IN CONDITIONS OF MULTIMODE SOUND EMISSION

Заявляемый объект относится к области пассивной гидролокации и может быть использован, например, при создании системы мониторинга обстановки в охраняемой морской экономический зоне.
Как правило, комплекс задач, решаемых в известных гидроакустических пассивных системах мониторинга, включает только обнаружение сигналов шумоизлучения (ШИ) морских целей (т.е. обнаружение отметок) и измерение их пеленгов с использованием одиночных шумопеленгаторных станций. Современные гидроакустические пассивные системы мониторинга функционирующие в условиях «мелкого моря» имеют в своем составе антенны большого пространственного размера и осуществляют обнаружение шумящих объектов в зоне Френеля антенны. Основу описанных в известных источниках способов обнаружения сигналов шумоизлучения морских объектов (см., например, Колесникова И.К., Румынская И.А. Основы гидроакустики и гидроакустические станции. - Л.: Судостроение, 1970, - С. 250-255; Простаков А.Л. Электронный ключ к океану. - Л.: Судостроение, 1978. - С. 21-23; Гусев В.Г. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. - Л. Судостроение, 1988. - С. 47-51; Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1981. - С. 69-78, а также способы обнаружения сигналов шумоизлучения морских объектов по патентам РФ №2145426, 2316791 и 2373553) составляет совокупность операций,, обеспечивающих прием сигналов на фоне помех, измерение мощности предполагаемого (т.е. обнаруживаемого) сигнала в каждом направлении наблюдения и принятии решения об обнаружении отметок целей при превышении порога соответствующими результатами измерения мощности. Как отмечено выше, при обнаружении каждой отметки в известных аналогах реализуется измерение направления прихода соответствующего ей сигнала, т.е. ее пеленгование. Последняя операция описана, например, в цитированной выше книге Колесниковой И.К. и Румынской И.А. (см. с. 227…236).
Задача определения направления на морские объекты и дистанции до них по излученным ими шумовым гидроакустическим сигналам в условиях мелкого моря осложнена тем, что в низкочастотной области (до 200 Гц) имеется многомодовый характер распространения гидроакустических сигналов. Для снижения ошибок оценивания пеленга и дистанции требуется применять согласованную со средой обработку (см., например, Баронкин В.М. «Статистические методы анализа звуковых полей в океане» в кн. «Акустика океанической среды», М. «Наука» 1989, 186-202). Для построения согласованной обработки необходимо знать амплитудную и фазовую характеристики мод, для определения параметров мод в районе установки антенн шумопеленгаторных станций необходимо проводить специально организованные калибровочные работы, что не всегда возможно. Предлагаемый способ позволяет без проведения калибровочных работ провести согласование приемного тракта к условиям многомодового распространения гидроакустических сигналов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ обнаружения шумящих объектов, входящий в состав объекта по патенту РФ No 2526896 на «Способ определения местоположения объектов в пассивной системе мониторинга» (прототип). Ниже приводится сравнительно подробное описание прототипа до операции 5 включительно, далее приводятся операции, входящие в заявляемый объект Блок-схема прототипа представлена на фиг.1, где обозначены:
1 - прием сигналов (не менее чем) двумя приемными позициями;
2 - пространственная селекция;
3 - некогерентное накопление сигналов по времени;
4 - принятие решений об обнаружении отметок целей;
5 - формирование пеленгационных линий положения;
6 - определение расстояний между каждой из двух приемных позиций системы и точками пересечения пеленгационных линий положения;
7 - измерение уровней принимаемых сигналов, соответствующих обнаруженным отметкам;
8 - пересчет измеренных уровней к точкам пересечения пеленгационных линий положения;
9 - формирование функций разности результатов пересчета уровней сигналов;
10 - определение координат целей.
Недостатком прототипа является то, что для получения оценок дистанции до шумящего объекта необходимо использование более одной приемной позиции и в случае наличия в зоне обзора нескольких шумящих объектов возникает необходимость в проведении идентификации отметок. Предлагаемый способ позволяет выполнить оценку пеленга и дистанции до шумящего объекта в условиях многомодового распространения сигналов с одной приемной позиции за счет использования фокусировки с учетом кривизны фронта волны (см. например Евтютов А.П., Митько В.Б. «Инженерные расчеты в гидроакустике», Л.: Судостроение, 1988. - С. 25), при этом отпадает необходимость в проведении идентификации целей.
Далее приводится описание прототипа. Отличие заявляемого объекта от прототипа заключается в использовании только одной приемной позиции.
Операция 1 (прием сигналов двумя (для прототипа) одной (для заявляемого объекта) приемными позициями) предусматривает преобразование акустических сигналов в каждой приемной позиции в электрические. В каждой из приемных позиций она реализуется, например, так же, как в объекте по патенту РФ №2316791, а именно гидроакустической антенной решеткой, содержащей, в частности, совокупность из N гидрофонов. См. также, например, А.П. Евтютов, В.Б. Митько. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л. Судостроение, 1981, с. 116, рис. 1.8).
Операция 2 (пространственная селекция) реализуется посредством формирования в приемной позиции веера приемных характеристик направленности (пространственных каналов обработки). Операция пространственной селекции показана на рис. 1.8. с. 15 (позиции 1 и 2) в «Справочнике по гидроакустике» А.В. Евтютова и др. Л. Судостроение. 1982. Блок-схема устройства формирования веера приемных характеристик направленности приведена в цитированном «Справочнике …» на рис. 1.10, с. 16. В итоге выполнения операции 2 в приемной позиции сформированы, например, временные реализации сигналов, соответствующих каждому пространственному каналу обработки. Совокупность выходов устройства, реализующего данную операцию (она показана на рис. 1.10 цитированного «Справочника …»), подключена к входам показанных на этом рисунке блоков фильтров 4; строго говоря, сигналы с отводов линий задержки (позиция 3 на рис. 1.10) передаются на входы фильтров 4 не непосредственно, а через сумматоры (на рис. 1.10. сумматоры не показаны; они заменены на этом рисунке сплошными и пунктирными прямыми линями, пересекающими совокупность регистров сдвига). На выходе каждого из упомянутых сумматоров формируется сигнал, соответствующий одному из пространственных каналов обработки.
Операция 3 (некогерентное накопление сигналов по времени) показана в цитированном «Справочнике …» на рис. 1.8 (позиции 3, 4 и 5) как совокупность операций полосовой фильтрации, детектирования и осреднения по времени, реализуемых в каждом пространственном канале обработки в приемной позиции.
Операция 4 (принятие решений об обнаружении отметок целей) в приемной позиции реализуется, например, аналогично объектам, описанным в цитированной выше книге Колесниковой И.К., Румынской И.А. Основы гидроакустики и гидроакустические станции. - Л.: Судостроение, 1970, - С. 250-255, упомянутым выше объектам по патентам РФ №2145426, 2316791 и 2373553, а также книге Тюрина A.M. и др. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1966, - С. 191-209, и предусматривает принятие решения об обнаружении отметок цели (или целей) при превышении порога соответствующими результатами выполнения операции некогерентного накопления сигналов по времени.
q
q
Операция 5 (формирование пеленгационной линии положения, т.е. определение углов между, например, осью начала отсчета пеленгов, ориентированной в направлении на Север, и направлением на отметку) реализуется согласно цитированной выше книге И.К. Колесниковой и И.А. Румынской (см. с. 227…236), или книге Э.Ф. Свиридова «Сравнительная эффективность моноимпульсных радиолокационных систем пеленгации». Л. Судостроение, 1964. Например, в варианте фазового пеленгования эта операция реализуется посредством измерения разности фаз сигналов, сформированных по двум половинам приемной антенны; возможен и вариант реализации операции пеленгования, приведенный в описании объекта по патенту РФ №2316791 (в описании данного изобретения это операция 3). В результате выполнения данной операции формируются пеленгационные линии положения, каждая из которых характеризуется параметром θ q - номер отметки, по которой сформирована пеленгационная линия положения в приемной позиции. Указанный угол θ, как отмечено выше, есть угол между упомянутой осью начала отсчета пеленгов и направлением из приемной позиции на q-ю отметку; каждый из указанных углов отсчитывается от упомянутой оси по часовой стрелке.
Операция 5 может выполняться над данными в тех пространственных каналах обработки (характеристиках направленности), в которых обнаружены отметки, и с учетом углов ориентации соответствующих этим канатам характеристик направленности. Этому соответствует показанная на фиг. 1 связь между операциями 4 и 5.
Данная операция 5 в вариантах классического, например амплитудного моноимпульсного пеленгования, выполняется над результатами выполнения операции 2 (этот вариант связи между операциями 2 и 5 на фиг. 1, а также и фиг. 2 не показан), а в случае ее выполнения на основе соотношения уровней результатов некогерентного накопления сигналов по времени (как это описано, например, в книге «Применение цифровой обработки сигналов» под ред. Э. Оппенгейма. М. Мир, 1980, с. 325 или в описании объекта по патенту РФ №2316791 на «Способ обнаружения сигналов шумоизлучения морских объектов) - над результатами выполнения операции 3; в последнем случае указанные уровни результатов некогерентного накопления сигналов по времени, вырабатываемые при выполнении операции 3, либо передаются на вход операции 5 по показанной на фиг. 1 (а также фиг. 2) связи, либо транслируются операцией 4 на вход операции 5. Указанные варианты реализации операции формирование пеленгационных линий положения (над результатами выполнения операции либо 2, либо 3) между собой эквивалентны.
Блок-схема заявляемого объекта представлена на фиг. 2. Операции 1…5 блок-схемы на фиг. 2 по своим названиям, выполняемым функциям и взаимодействию между собой совпадают с операциями прототипа, фигурирующими под соответствующими номерами 1-5 на блок-схеме фиг. 1. за исключением того, что прототип использует две приемные позиции, а заявляемый объект - одну. Новые в сравнении с прототипом операции на фиг. 2 обозначены:
6 - построение матрицы по дальностям фокусировки в направлении сформированных пеленгационных линий положения для набора значений скорости звука;
7 - определение дистанции до объекта;
8 - формирование уточненной пеленгационной линии положения с использованием эффективного значения скорости звука;
9 - определение координат шумящего объекта.
i
j
q
i
j
Операция 6 (построение матрицы по дальности в направлении сформированных пеленгационных линий положения для набора значений скорости звука) реализуется следующим образом. В направлении сформированных пеленгационных линий положения проводится формирование характеристик направленности для различных дальностей фокусировки с учетом кривизны фронта волны (см. например Евтютов А.П., Митько В.Б. «Инженерные расчеты в гидроакустике», Л.: Судостроение, 1988. - С. 25). Для каждого значения дальности R фокусировка производится для набора значений скорости звука - C(ƒ). Строится матрица значений величины отклика антенны G(ƒ,θ,R,C) (формула 1) для I значений дальности фокусировки с шагом ΔR и j значений скорости звука с шагом ΔС.
k
где: Х(ƒ) - вектор входного сигнала на частоте ƒ для антенны, состоящей из N приемников;
q
θ - направление сформированных пеленгационных линий положения;
n
n
х, у - координаты n-го гидрофона на декартовой плоскости;
j
нач.
кон.
кон.
нач.
C(ƒ) - значения скорости звука, для которых производится формирование характеристики направленности антенны приемной позиции, лежащие в диапазоне от С до С, I=(С-С)/ΔС.
maxi
maxj
иш
maxi
эф
нач.
maxj
Операция 7 (определение дистанции до объекта). В матрице определяется номер строки и столбца максимального элемента M, M (значение близко к единице). По номеру строки определяется расстояние до источника шумоизлучения R=ΔR⋅M, по номеру столбца определяется эффективное значение скорости звука С(ƒ)=C+ΔC⋅M, наилучшим образом подходящее для формирования характеристики направленности в данных гидролого-акустических условиях, при данных взаимных расположениях антенны приемной позиции и источника шумоизлучения (в смысле максимального значения отношения сигнал/помеха на выходе пассивной системы мониторинга).
q
эф
иш.
Операция 8 (формирование уточненной пеленгационной линии положения с использованием эффективного значения скорости звука). Вычисляется столбец матрицы G(ƒ,θ) (формула 2) для определенных в операции 7 эффективного значения скорости звука С и расстояния до источника шумоизлучения R:
Указанная процедура убирает смещение оценки пеленга на шумящий источник, достигающее иногда 20°-40°, как указывается в статье В.Н. Кравченко, А.В. Гринюк «О возможности согласованной с гидроакустическим волноводом обработки сигналов в мелком море» (Труды XIII всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». С. 89. СПб. 2016.
Операция 9 (определение координат шумящего объекта). Определяются координаты шумящего объекта в полярных координатах по известному углу пеленгационной линии положения шумящего объекта и дистанции до него.