Способ обработки гидролокационной информации
METHOD OF PROCESSING SONAR INFORMATION

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при проектировании и разработке систем активной гидролокации.
Известна навигационная гидроакустическая станция освещения ближней обстановки (НГАС ОБО) по патенту РФ №2225991 от 24.12.2001 г. Станция реализует следующую последовательность операций: излучение сигнала, прием эхо-сигнала, предварительную обработку, измерение параметров эхо-сигнала, определение классификационных признаков, измерение скорости звука, прослушивание сигнала шумоизлучения, классификацию целей по измеренным классификационным признакам и отображение на индикаторе.
Недостатком этого технического решения является то, что измерение параметров и принятие решения производится оператором по виду отображаемых отметок на яркостном индикаторе и это может приводить к ошибкам, связанным с его квалификацией и психологическими особенностями.
Известен гидролокационный способ обнаружения подводных объектов в контролируемой акватории по патенту РФ №2242021, содержащий облучение водного пространства, прием эхо-сигналов, фильтрацию и отображение на экране двухкоординатного индикатора, который формирует трассы, образованные яркостными отметками, и по наклону трасс производит классификацию объектов.
Недостатком данного технического предложения является отсутствие автоматического обнаружения объектов и измерения параметров эхо-сигнала по визуальному отображению временных реализаций эхо-сигнала.
Известен способ обработки гидролокационной информации по патенту РФ №2529441, содержащий излучение сигнала, прием отраженного эхо-сигнала, формирование веера статических характеристик направленности, цифровую многоканальную обработку, отображение на индикаторе в яркостном виде всего массива обработки, определение порога, пороговое обнаружение эхо-сигнала, определение эхо-сигналов, превысивших порог по всей шкале дистанции, формирование строба по каждому обнаружению, автоматическое определение классификационных признаков по каждому обнаружению, формирование банка классификации по каждой обнаруженной цели и отображение на индикаторе табло результатов классификации. Этот способ является наиболее близким аналогом и может быть выбран в качестве прототипа.
Недостатком данного способа является то, что оператору не предоставляется визуальная временная реализация эхо-сигналов, принадлежащих цели, выбранной для классификации. Как правило, оператору предоставляется отображение от всех целей в виде ярких точек, разной интенсивности по всем пространственным каналам и по всей шкале дальности на индикаторе обнаружения и оператор должен выбрать цель по виду яркостной отметки. Пороговое обнаружение эхо-сигнала цели и классификация по некоторым классификационным признакам для известных целей не обеспечивают требуемой достоверности классификации в условиях априорной неопределенности. Визуальная информация по изменению амплитуды по времени и по пространству структуры эхо-сигнала, которая может быть использована оператором для классификации конкретной цели, не представляется, а в табло результатов отображаются только результаты автоматического измерения и принятия решения.
Задачей изобретения является повышение достоверности классификации эхо-сигналов от целей в условиях априорной неопределенности по помеховой ситуации, условиям работы и не известным классам.
Технический результат заключается в обеспечении оператора визуальной информацией по структуре эхо-сигнала по времени и по пространству для анализа и корректировки результатов автоматической классификации.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что в способ обработки гидролокационной информации, содержащий излучение сигнала, прием отраженного эхо-сигнала сформированным веером статических характеристик направленности, с образованием пространственных каналов, цифровую многоканальную обработку, отображение массива последовательных временных реализаций в яркостном виде за все время распространения по всем пространственным каналам, формирование банка классификации, управление и отображение, введены новые операции, а именно определяют коэффициенты корреляции (КК) между последовательными временными реализациями соседних пространственных каналов, определяют соседние пространственные каналы с коэффициентом корреляции КК>0,5, суммируют амплитуды временных отсчетов соседних пространственных каналов с КК>0,5, нормируют амплитуды полученной суммарной временной реализации на число соседних пространственных каналов с КК>0,5, определяют временное положение максимальной амплитуды эхо-сигнала по каждой обнаруженной цели, значение которой определяется временем обнаружения, запоминают массивы суммарных временных реализаций амплитудной структуры эхо-сигнала по всем обнаруженным целям, отображают оператору суммарные временные реализации амплитудной структуры всех обнаруженных целей на данном цикле излучения - прием, для одной выбранной оператором конкретной цели формируют массив амплитудных временных реализаций по нескольким пространственным каналам с коэффициентом корреляции КК>0,5, для этих пространственных каналов формируют массив последовательных амплитудных временных реализаций до и после временной реализации с максимальной амплитудой по одному циклу излучение - прием для выбранной цели, по этим амплитудным временным и пространственным реализациям амплитудной структуры эхо-сигнала оператор корректирует автоматическое решение о классе цели, откорректированное решение отображают на табло результатов.
Поясним физическую сущность изобретения. Объекты, которые могут быть обнаружены гидролокатором, имеют различные физические характеристики. Объекты могут находиться на поверхности, или могут быть погружены на различную глубину, или просто располагаться на дне. Эхо-сигналы от этих объектов будут различаться по своим амплитудным, пространственным и временным характеристикам. Для определения этих характеристик используется многоканальный прием эхо-сигнала статическим веером характеристик направленности, что обеспечивает пространственную селекцию обнаруженных объектов по всем пространственным каналам. Эхо-сигнал от объекта как конфигурация амплитудных отсчетов может находиться в нескольких пространственных каналах, поскольку они перекрываются, и число этих каналов определяет угловую протяженность объекта. При этом, как правило, локальные отражатели принадлежат к классу отражателей искусственного происхождения. Поскольку локальный отражатель находится в дальнем поле и имеет ограниченные размеры, то эхо-сигнал от такого отражателя представляет плоскую, мало искаженную волну и будет приниматься несколькими характеристиками направленности одновременно и, соответственно, энергетические характеристики эхо-сигнала будут по физическим свойствам достаточно близкими в нескольких соседних пространственных каналах. Поэтому если использовать узкие характеристики направленности, то эхо-сигналы, принимаемые ими, будут похожими и коэффициент корреляции между временными реализациями будет достаточно высоким. Отражение от поверхности и от дна, образующее реверберационную помеху, не имеет таких свойств. Единственным способом, который позволит отличить наличие когерентного локального отражателя является корреляционная обработка временных реализаций, принимаемых одновременно в соседних пространственных каналах. Таким образом, для реализации предлагаемого метода обработки необходим прием эхо-сигнала веером статических характеристик направленности, определение степени корреляционной связи между каналами и определение числа каналов, в которых эта связь существует. Число каналов, между которыми определится высокий коэффициент корреляции, и будет характеризовать угловую протяженность объекта. Если произвести суммирование временных отсчетов эхо-сигналов тех пространственных соседних каналов, между временными реализациями которых коэффициент корреляции превышает 0,5, то можно получить более достоверную суммарную временную протяженность объекта, которая отличается от временной радиальной протяженности, измеренной в одной характеристике направленности.
Наличие коэффициента корреляции больше 0,5 является критерием обнаружения локального объекта искусственного происхождения, что исключает целый класс отражений от дна и превышение порога уровнем реверберации. Дополнительную информацию могут предоставить амплитудная временная структура эхо-сигнала искусственного происхождения, отраженного от объекта, имеющая большую протяженность по дальности, и сопутствующие ему отражатели, которые могут быть определены по пространству, по дальности.
Для этого используется временное положение максимальной амплитуды суммарного эхо-сигнала, относительно которой до начала отбирают несколько временных последовательных реализаций и после которой отбирают несколько последовательных временных реализаций. Таким образом, отображается структура эхо-сигнала и сопутствующие ему отражатели по дальности. Аналогично относительно максимальной амплитуды эхо-сигнала формируется амплитудный массив временных реализаций по соседним пространственным каналам, который определяет угловую протяженность цели и наличие пространственных отражателей. Таким образом, оператору предоставляется три амплитудных временных массива, которые отображают структуру эхо-сигнала, полученную по одному циклу излучения - прием. Первый массив - это суммарная временная реализация по соседним пространственным каналам, второй массив - последовательность временных реализаций по дальности относительно временного положения максимальной амплитуды, третий массив - временные реализации по соседним пространственным каналам с КК>0,5. Эти массивы отображаются одновременно с отображением всех целей на яркостном экране, но в другом месте или на другом экране. Сравнивая результаты автоматического измерения классификационных признаков в табло результатов, оператор может принять решение на основе автоматических измерений и на основе анализа пространственных и временных реализаций амплитудной структуры эхо-сигнала. Эти временные реализации и откорректированное решение оператора запоминаются в банке классификации по выбранной цели.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена блок-схема системы, реализующей предлагаемый способ.
Гидролокатор 1 через спецпроцессор 2, в состав которого входят последовательно соединенные блок 3 многоканальной обработки по пространственным каналам, блок 4 формирования массива пространственной обработки, блок 5 определения коэффициентов корреляции между пространственными каналами, блок 6 выбора каналов с коэффициентами корреляции больше 0,5, блок 7 формирования массива суммарной протяженности, блок 8 формирования массива пространственной временной протяженности, блок 9 формирования массива последовательной временной протяженности, блок 10 формирования табло результатов, последовательно соединен с блоком 11 формирования банка обнаруженных объектов и блоком 12 управления и отображения, который соединен двусторонней связью со входом гидролокатора 1. Второй выход блока 4 соединен со вторым входом блока 12, а второй выход блока 7 соединен со вторым входом блока 10, третий вход которого соединен со вторым выходом блока 8.
Реализацию предлагаемого способа целесообразно продемонстрировать на примере работы системы (фиг. 1).
С блока 12 управления поступает сигнал в гидролокатор 1, который работает в своем штатном режиме. В составе любого гидролокатора входят приемно-излучающая антенна, коммутатор приема передачи, генератор, система формирования характеристики направленности и система предварительной обработки, результаты которой отображаются в блоке управления и отображения, который также осуществляет управлением работы гидролокатора. Гидролокатор со спецпроцессором обработки является известным устройством (используется в прототипе), формирует зондирующий сигнал, излучает его в водную среду, принимает эхо-сигнал, производит фильтрацию принятого сигнала, формирует характеристики направленности в приеме с требуемой шириной характеристики направленности. Спецпроцессор 2 принятия решения осуществляет пространственную и временную обработку поступившей информации с целью автоматического обнаружения эхо-сигнала в пространственных каналах и измерения основных классификационных признаков эхо-сигнала. В блоке 3 осуществляется последовательное формирование принятых цифровых массивов и подготовка их для последующей обработки по всем пространственным каналам статического веера характеристик направленности в блоке 4. Из блока 4 поступившая временная и последовательная пространственная информация без предварительной обработки передается в блок 12 на систему отображения для предоставления оператору на индикаторе в яркостном виде. В этом же блоке 4 формируются временные массивы для последовательного определения коэффициентов корреляции по последовательным пространственным каналам. В блоке 5 осуществляется выбор последовательных временных интервалов соседних пространственных каналов из всего массива и определение коэффициента корреляции между ними. Определение коэффициента корреляции является известной операцией, которая осуществляется во всех современных цифровых устройствах с использованием стандартных процедур. Практически все указанные процедуры могут быть реализованы на спецпроцессорах и современных компьютерах, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. (А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. СПб.: БХВ-Петербург, 2011 г.). Полученные значения коэффициентов корреляции поступают в блок 6, где осуществляется выбор временных интервалов, коэффициент корреляции между которыми превысил порог 0,5 в соседних пространственных каналов. По выделенным массивам блока 7 производится суммирование временных отсчетов соседних пространственных каналов, где формируется суммарная временная протяженность объекта. Для формирования единого масштаба измерения здесь же производится и нормирование суммарных амплитуд к числу суммируемых пространственных каналов. Эта реализация передается в блок 10 формирования табло результатов по объекту. В блоке 8 производится формирование пространственных временных реализаций, которые отображают эхо-сигналы в нескольких соседних пространственных каналах, соответствующих временному положению максимальной амплитуды эхо-сигнала. В блоке 9 формируется массив последовательных временных реализаций эхо-сигнала относительно максимальной амплитуды.
В настоящее время в существующих гидролокаторах оператору предоставляется информация в яркостном виде о всех целях, эхо-сигналы от которых поступили по всем пространственным каналам за все время распространения по шкале дистанции. Это объясняется тем, что в другом виде все цели по всем координатам отобразить невозможно из-за большого объема информации. Однако для решения задач классификации необходима более подробная и целенаправленная информация именно для конкретной выбранной цели. Оператор по виду трех массивов временной реализации амплитудной структуры эхо-сигнала может принять решение о классе цели. Это позволит оценивать оператором визуальную классификационную информацию для анализа и проверки правильности автоматического измерения и автоматического принятия решения, а также принимать решения оператором по виду особенностей временных и пространственных характеристик эхо-сигналов, которые не выделены автоматически. Суммарная временная и пространственная протяженность, автоматически определяемая по всем обнаруженным целям по одному циклу излучения - прием и представляемая оператору, позволит сориентировать оператора об обстановке после излучения зондирующего сигнала и поможет выбрать цель для классификации в первую очередь.
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 корреляционную обработку и процедуры анализа временных реализаций. Вопросы разработки и применения спецпроцессоров достаточно подробно рассмотрены в литературе по цифровой обработке (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. Санкт-Петербург: Наука, 2004 г., стр. 281).
Таким образом, предлагаемый способ обработки гидролокационной информации позволит предоставлять оператору амплитудную информацию о характеристиках объекта по пространству и по времени, что обеспечит более достоверную классификацию обнаруженного объекта по одному циклу излучение - прием.