УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО ОЦЕНКЕ МЕРЫ СЛУЧАЙНОСТИ ЭХО-СИГНАЛА ГИДРОЛОКАТОРА

Область применения
Полезная модель представляет собой электронное устройство и относится к области гидроакустики и гидролокации. Более конкретно полезная модель может быть использована для поиска и обнаружения искусственных подводных объектов, таких как затонувшие корабли, техника, подводные аппараты и другие искусственные подводные сооружения.
Уровень техники
Из уровня техники известен Фазовый параметрический гидролокатор (патент RU 2097785), содержащий последовательно соединенные синхронизатор, генератор радиоимпульса, усилитель мощности и излучатель, последовательно соединенные измеритель фазового сдвига и индикатор, два избирательных усилителя, выходы каждого из которых соединены с соответствующими входами измерителя фазового сдвига, отличающийся тем, что в него введены формирователь управляющего сигнала и последовательно соединенные низкочастотная антенна и усилитель сигналов разностных частот, выход которого подключен к входам избирательных усилителей, управляющий вход первого из которых подключен к первому выходу управления генератора радиоимпульса, а управляющий вход второго к выходу формирователя управляющего сигнала, два входа которого соединены соответственно с двумя выходами управления генератора радиоимпульса.
Из уровня техники известен АКТИВНЫЙ ГИДРОЛОКАТОР (патент RU 75061U). Полезная модель относится к гидроакустической технике, конкретнее к области активной гидролокации, в том числе к активным гидролокаторам, предназначенным для обнаружения целей, измерения координат и параметров движения обнаруженных целей. Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности измерения глубины цели при ненаправленном или слабонаправленном в вертикальной плоскости приеме эхосигналов. Для достижения указанного технического результата в
активный гидролокатор, содержащий излучающую и приемную акустические антенны, генераторное устройство, блок синхронизации, блок обработки сигналов, блок обнаружения эхосигналов от цели, блок измерения времен задержки эхосигналов от цели относительно момента времени излучения зондирующего сигнала, блок вертикального распределения скорости звука и блок измерения глубины цели, введены блок определения возможных глубин цели, соответствующих измеренным временам задержки эхосигналов от цели и возможным величинам углов прихода эхосигналов в вертикальной плоскости, блок определения возможных дистанций до цели, соответствующих возможным глубинам цели и возможным величинам углов прихода эхосигналов в вертикальной плоскости, блок определения т вероятных местоположений цели (Н m. Dm), причем глубина цели определяется в блоке измерения глубины цели из набора глубин Н m.
Из уровня техники известен Гидролокатор обнаружения и классификации подводных и надводных целей для надводных кораблей (патент RU 20389U), содержащий многоэлементную акустическую антенну, многоканальные тракты излучения и приема, подключенные к акустической антенне, цифровой вычислительный комплекс, содержащий задающий генератор, подключенный к тракту излучения, устройство цифровой обработки эхосигналов, подключенное к выходу приемного тракта и пульт индикации и управления, отличающийся тем, что в состав устройства цифровой обработки сигналов дополнительно включены устройство формирования классификационного зондирующего сигнала, подключенное ко входу тракта излучения параллельно задающему генератору, и устройство цифровой обработки и классификации эхосигнала классификационного зондирующего сигнала, вход которого соединен с выходом устройства пространственно временной обработки устройства цифровой обработки эхосигналов.
Наиболее близким аналогом является СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭХОСИГНАЛА ГИДРОЛОКАТОРА (патент RU 2293358). Изобретение относится к области гидроакустики и радиотехники и может быть использовано для построения систем обнаружения сигнала гидролокатора. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости при обнаружении эхосигнала в присутствии шумов и помех. Способ обнаружения эхосигнала гидролокатора содержит излучение зондирующего сигнала, прием в смеси с шумовой помехой эхосигнала гидроакустической антенной, дискретизацию электрического сигнала на выходе гидроакустической антенны, набор дискретизированных отсчетов
электрического сигнала длительностью Т, получение последовательно, через равные промежутки времени за все время обнаружения наборов дискретизированных отсчетов электрического сигнала и быстрое преобразование Фурье полученных наборов дискретизированных отсчетов, при этом по каждому набору дискретизированных отсчетов электрического сигнала определяют комплексный спектр, сдвиг наборов осуществляют на время 1/8Т<Т<1/2Т, запоминают каждый предыдущий и каждый последующий комплексный спектры, определяют взаимный спектр между каждым предыдущим и каждым последующим наборами, выбирают набор с максимальным энергетическим спектром, по которому принимают решение об обнаружении сигнала. Все известные выше решения, прототип и другие известные существующие обнаружители эхо-сигнала в гидролокаторе сравнивают уровень совокупности шума и сигнала с уровнем шума, и при превышении заданного порога принимается решение, что искомый объект обнаружен [4]. Для увеличения дальности обнаружения используется согласованный прием, позволяющий получить на выходе согласованного фильтра более высокое ОСП. Недостатком такого подхода является тот факт, что существует теоретический предел отношения сигнал-помеха (ОСП), при котором возможно подобное детектирование с заданной вероятностью ложной тревоги. Это приводит к пределу дальности действия обнаружителя при заданной вероятности ложной тревоги.
Технический результат: увеличение дальности действия обнаружителя при заданной вероятности ложной тревоги.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана блок-схема полезной модели, где 1 - блок приемо-излучателей (гидроакустическая антенна), осуществляющий посылку локационного сигнала и прием эхо-сигнала, 2 - блок усилителей и полосовых фильтров, осуществляющий усиление сигнала на выходе гидроакустической антенны до уровней, необходимых для работы АЦП, 3 - блок аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), 4 - блок согласованных фильтров, осуществляющих оптимальный энергетический прием отраженного эхо-сигнала на фоне помех, 5 - генератор сигнала посылки, 6 - усилитель мощности, 7 - измеритель фрактальной размерности, 8 - детектор.
На Фиг.2 показан пример электрической схемы блока усилителя (блок У/ПФ).
На Фиг.3 показан пример электрической схемы полосового фильтра (блок У/ПФ).
На Фиг.4 показан пример электрической схемы усилителя мощности по схеме push-pull (блок УМ).
Осуществление полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что (см. Фиг.1) устройство обнаружения подводных объектов, содержащее блок приемо-излучателей (гидроакустическую антенну (1)), функцией которой является посылка локационного сигнала и прием эхо-сигнала, блок аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) (3), блок усилителей и полосовых фильтров (2), функцией которого является усиление сигнала на выходе гидроакустической антенны до уровней, необходимых для работы АЦП, блок согласованных фильтров (4), функцией которых является осуществление оптимального приема отраженного эхо-сигнала на фоне помех, генератор (5) сигнала посылки, усилитель мощности (6), детектор (8), отличающееся тем, что между блоком согласованных фильтров (4) и детектром (8) подключен измеритель фрактальной размерности (7), выполненный с возможностью осуществлять оценку меры случайности амплитуд эхо-сигнала на выходе согласованного фильтра (4) и выражать эту меру в виде числа (фрактальной размерности), причем функцией детектора (8) является сравнение полученного числа с порогом энергии сигнала и помехи и принятие решения: обнаружен искомый объект локации или нет.
Устройство обнаружения может быть выполнено в виде отдельной печатной платы с внешней приемо-передающей антенной, в виде нескольких плат, либо в составе гидролокационного комплекса.
Приемо-передающая антенна (1) расположена отдельно от остальных блоков устройства для обеспечения непосредственного контакта с водной средой. В качестве антенны может выступать любая гидроакустическая антенна как пьезоакустическая, так и индукционная, антенная решетка или единый приемно-излучающий элемент.
Блоки усилителей и полосовых фильтров (У/ПФ) (2) и усилитель мощности УМ (6) являются аналоговыми и должны располагаться как можно ближе к антенне для уменьшения электрических шумов в обнаружителе. Блок АЦП (3) является интерфейсным между аналоговой и цифровой частями платы, и конструктивно располагается на цифровой части.
Усилитель и полосовой фильтр (2) могут быть реализованы на операционных усилителях, состоять из одного или более каскадов, и основное требование к данному блоку состоит в
получении на входе блока АЦП сигнала в заданной полосе частот и с заданным коэффициентом усиления. Пример такого усилителя показан на Фиг.2.
Блок АЦП (3) использует стандартные микросхемы аналогово-цифрового преобразования с требуемой разрядностью, частотой дискретизации и интерфейсом. Примером таких микросхем служит AD7814, AD9271 и так далее.
Блоки генератора (5), согласованного фильтра (4), измерителя фрактальной размерности (7) и детектора (8) относятся к цифровой части платы и могут быть выполнены в виде программы процессора или прошивки FPGA-микросхемы.
Блок генератора (5) является цифровым, расположенным внутри процессора и состоит из функции генерации в заданные моменты времени зондирующего сигнала. Для надежной работы детектора такими сигналами могут быть как простые короткие сигналы, так и сложные сигналы большой длительности. Примером такого генератора является генератор псевдослучайного фазоманипулированного сигнала по закону М-последовательности с длиной кода 31 [6].
Усилитель мощности (6) необходим для обеспечения максимальной дистанции обнаружения путем обеспечения максимальной энергии сигнала посылки [4]. Примером построения усилителя мощности может быть схема на Фиг.3.
Согласованный фильтр (4) рассчитывается для обнаружения сигнала заранее известной формы, сгенерированной блоком генератора, выходной сигнал фильтра при этом не совпадает по форме ни со входным, ни с сигналом, для обнаружения которого фильтр предназначен (кроме импульса с огибающей гауссовой формы) [5]. Сигнал, с которым фильтр согласован, однако, при наличии его во входном сигнале с шумом, позволяет получить максимальную амплитуду выходного сигнала фильтра, то есть данный фильтр максимизирует отношение сигнал/помеха для известного сигнала. Аналитически функционирование согласованного фильтра можно выразить уравнением:
Где yi - i-й отсчет на выходе фильтра, xi - данные на входе фильтра, hi - передаточная характеристика фильтра, являющаяся обратной копией сигнала посылки. Решение задачи основано на том, что добавлен блок оценки случайности (7) распределения амплитуд на выходе согласованного фильтра (4), и дальнейшее сравнение производится не удельной мощности сигнала и шума с порогом, основанным на оценке энергии помехи, а полученной меры случайности с заранее заданным порогом.
Технический результат достигается за счет того, что любой случайный процесс, такой как шум или эхо-сигнал со случайной фазой, можно представить для дальнейшей обработки как фрактальный объект [1]. Основной характеристикой фрактального объекта является его размерность [1, 2, 3]. Фрактальная размерность, как правило, является неотрицательным нецелым числом, отражающим, некоторым образом, геометрическую сложность объекта, то есть является мерой случайности процесса. Появление в сигнале гидролокатора некоторого эхо-сигнала от искусственного объекта изменит величину фрактальной размерности сигнала в целом. Данный факт позволяет использовать величину фрактальной размерности сигнала гидролокатора для его обнаружения. Наиболее эффективно применение фрактальной размерности при обнаружении слабоконтрастных протяженных объектов на фоне сильных помех, так как на величину фрактальной размерности сигнала практически не влияют амплитудные характеристики формирующих его сигналов [3].
Новизна заявляемой полезной модели обусловлена тем, что в ней используется неэнергетический метод обработки эхо-сигнала, позволяющий обнаружить наличие эхо-сигнала от искусственных объектов на сильно зашумленном сигнале. Ни одно из известных устройств обнаружения подводных объектов не обладает описанной функциональностью.
Сущность устройства
Устройство обнаружения может быть выполнено в виде отдельной печатной платы с внешней приемо-передающей антенной, в виде нескольких плат, либо в составе гидролокационного комплекса.
Приемо-передающая антенна расположена отдельно от остальных блоков устройства для обеспечения непосредственного контакта с водной средой. В качестве антенны может выступать любая гидроакустическая антенна как пьезоакустическая, так и индукционная, антенная решетка или единый приемно-излучающий элемент.
Блоки У/ПФ и УМ являются аналоговыми и должны располагаться как можно ближе к антенне для уменьшения электрических шумов в обнаружителе. Блок АЦП является интерфейсным между аналоговой и цифровой частями платы, и конструктивно располагается на цифровой части.
Усилитель и полосовой фильтр могут быть реализованы на операционных усилителях, состоять из одного или более каскадов, и основное требование к данному блоку состоит в
получении на входе блока АЦП сигнала в заданной полосе частот и с заданным коэффициентом усиления. Пример такого усилителя показан на Фиг.2.
Усилитель построен по схеме инструментального усилителя, обеспечивает усиление дифференциального сигнала с гидроакустической антенны до уровней, пригодных для дальнейшей обработки.
Данный усилитель имеет ограничитель амплитуды сигнала на входе, построенный на конденсаторах С10, С31 и диодах D2, D3, D7, D8. Конденсаторы ограничивают при заданной частоте ток, позволяя использовать одну и ту же антенну как для приема, так и для передачи, и тогда высокое напряжение с выхода усилителя мощности передатчика не будет разрушающим для приемника даже без использования механических коммутаторов.
Диоды D2, D3, D7, D8 закорачивают любое входное напряжение, превышающее напряжение открытие этих диодов, на землю, что является ограничителем входной амплитуды сигнала.
Резисторы R6, R17 привязывают сигнал к «нулевому» уровню. Операционные усилители U3, U6, U8 составляют инструментальный усилитель, в котором U3, U8 обеспечивают высокое входное сопротивление и широкий частотный диапазон, а U6-требуемый коэффициент усиления, задаваемый резисторами R3, R4, R18.
Сигнал с выхода усилителя через конденсатор С20 и резистор R13 попадает на еще один ограничитель, состоящий из встречно включенных стабилитронов D6, D9, после чего передается на полосовой фильтр, показанный на Фиг.3.
Конденсаторы С8, С13, С17, С23, С26, С33-фильтрующие конденсаторы по питанию на каждую ножку микросхемы.
Полосовой фильтр на данном примере построен из двух каскадов на операционных усилителях U16, U17, разделенных через конденсатор С63, R49 и ограничитель на двух встречно включенных диодах D20.
Конденсаторы С60, С66, С61, С67-фильтрующие конденсаторы по питанию на каждую ножку микросхемы.
Коэффициент усиления и частотные характеристики каждого каскада задаются двумя конденсаторами и тремя резисторами (С55, C59 и R46, R47, R51 для первого каскада и С57, С64, R48, R50, R52 для второго).
Сигнал на выходе полосового фильтра развязывается по постоянной составляющей с помощью конденсатора С65, ограничивается потоку перед ограничителем резистором R53 и ограничивается на двух встречно включенных диодах D21.
Таким образом, данная схема обеспечивает функционирование активного полосового усилителя.
Блок АЦП использует стандартные микросхемы аналогово-цифрового преобразования с требуемой разрядностью, частотой дискретизации и интерфейсом. Примером таких микросхем служит AD7814, AD9271 и так далее.
Блоки генератора, согласованного фильтра, измерителя фрактальной размерности и детектора относятся к цифровой части платы и могут быть выполнены в виде программы процессора или прошивки FPGA-микросхемы.
Блок генератора является цифровым, расположенным внутри процессора и состоит из функции генерации в заданные моменты времени зондирующего сигнала. Для надежной работы детектора такими сигналами могут быть как простые короткие сигналы, так и сложные сигналы большой длительности. Примером такого генератора является генератор псевдослучайного фазоманипулированного сигнала по закону М-последовательности с длиной кода 31 [6].
Усилитель мощности необходим для обеспечения максимальной дистанции обнаружения путем обеспечения максимальной энергии сигнала посылки. Примером построения усилителя мощности может быть схема на Фиг.4.
Усилитель мощности, показанный на Фиг.4, может быть построен по схеме push-pull (два зеркальных силовых транзистора работают по очереди, обеспечивая двунаправленное генерирование магнитного поля на первичной обмотке повышающего трансформатора от источника постоянного напряжения для повышения КПД этого трансформатора).
Управляющий сигнал с блока генератора поступает на два входа - ln+. In - (прямой и инверсный сигнал); диоды D7, D8 обеспечивают пропускание сигнала на силовые IGBT-транзисторы только с заданной полярностью и устанавливают напряжение нечувствительности (напряжение любого входного сигнала ниже 0.6 В запирает транзистор); резисторы R15 и R28 ограничивают ток управления транзисторами, резисторы R24, R25 обеспечивают запирающее напряжение при отсутствии сигнала, резистор R26 является силовым и служит для управления добротностью фильтра, составленного из первичной обмотки трансформатора и конденсатора С8. Чрезмерно высокая добротность искажает амплитуду сигнала в начале и конце посылки.
Резистор С6 и индуктивность L2 служат фильтром по питанию от напряжения Vbat, которым через резистор R27 и запитывается первичная обмотка трансформатора. Конденсатор С8 выбирается таким образом, чтобы на частоте посылки обеспечить резонансную частоту фильтра совместно с каждым плечом первичной обмотки трансформатора.
Вторичная обмотка трансформатора подключается напрямую к гидроакустической антенне.
Таким образом, данная схема является примером усилителя мощности, который позволяет усилить управляющий сигнал как по напряжению (за счет использования IGBT-транзисторов в ключевом режиме, высокого постоянного напряжения Vbat и наличия повышающего трансформатора Т3), так и по току (транзисторы в ключевом режиме обеспечивают высокий КПД усилителя, наличие LC-фильтра из первичной обмотки и конденсатора С8 увеличивает КПД трансформации), и тогда основной потребитель энергии в такой системе - это гидроакустическая антенна. Согласованный фильтр рассчитывается для обнаружения сигнала заранее известной формы, сгенерированной блоком генератора, выходной сигнал фильтра при этом не совпадает по форме ни со входным, ни с сигналом, для обнаружения которого фильтр предназначен (кроме импульса с огибающей гауссовой формы). Сигнал, с которым фильтр согласован, однако, при наличии его во входном сигнале с шумом, позволяет получить максимальную амплитуду выходного сигнала фильтра, то есть данный фильтр максимизирует отношение сигнал/помеха для известного сигнала. Аналитически функционирование согласованного фильтра можно выразить уравнением:
Где yi - i-й отсчет на выходе фильтра, xi - данные на входе фильтра, hi - передаточная характеристика фильтра, являющаяся обратной копией сигнала посылки. Реализация согласованного фильтра может быть в виде функции на языке «С» для цифрового процессора или в виде прошивки для микросхемы с программируемой логикой, например на языке «С»:
float sf(*x, *h, len)
{
float sum=0;
for(int i=0; i<len; i++)
{
Sum+=x[i]*h[i];
}
return Sum;
}
Или на языке VHDL:
Filter: process(CLK, RESET)
Signal Sum: integer range 0 to 65535;
Begin
If RESET='1' then
Sum<=0;
Elsif rising_edge(CLK) then
for INDEX in len downto 0 loop
Sum<=Sum+x(INDEX)*h(INDEX);
end loop;
End;
Блок детектора является тоже цифровым и реализует только одно сравнение входных данных с порогом:
1 - объект обнаружен, 0 - не обнаружен.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства является использование блока измерения фрактальной размерности вместо прямого подключения детектора к согласованному фильтру. Данный блок осуществляет оценку меры случайности амплитуд эхо-сигнала и выражает эту меру в виде числа, что становится возможным при использовании понятия фрактальной размерности:
Где z - амплитуда, N(z) - плотность распределения амплитуд в эхо-сигнале, вычисляемая на протяжении окна анализа (i=l..N) следующим образом:
где N -длина окна анализа, xi - мгновенные значения амплитуды эхо-сигнала, ε - допустимый уровень ошибки анализа амплитуды (дискретность гистограммы). То есть для цифрового дискретного сигнала N(z) - это гистограмма амплитуд. Данный блок реализуется в виде процедуры на любом ЦПОС (цифровом процессоре обработки сигналов), например ADSP2185, ADSP21363, TMS320C6xxx, TMS320C5xxx, или просто ЦП (цифровом процессоре), например Intel IXP420, имеющем достаточное быстродействие и реализующем вычисления по указанной формуле, либо на микросхеме с программируемой логикой, например Altera EP2C8C144, EP1C12Q244 или любой другой, имеющей необходимое количество ячеек и быстродействие. Тогда вычисления гистограммы на языке «С» буду выглядеть следующим образом:
Histogram(*histogram, *x, Zsteps, N)
{
for(int i=0;i<Zsteps;i++)
histogram[o]=0;
for(int i=0;i<N;i++)
{
int index=floor(x[i]*Zsteps/MAX_Z);
histogram[index]++;
}
}
А вычисление фрактальной размерности в качестве примера может выглядеть так:
FractalD(*histogram, Zsteps, e)
{
float D=0;
for(int i=0;i<Zsteps-8;i++)
{
floatdNl.dN2.dN4;
dNI=histogram[i+l]-histogram[i];
dN2=histogram[i+2]-histogram[i];
dN4=histogram[i+8]-histogram[i];
if((dN2/dN1<e)&(dN4/dN2<e))
D=atan(log(abs((histogram[i+8]-histogram[i])))/8);
}
Return D;
}
Принцип работы модуля
Измерение фрактальной размерности различных, естественных и искусственных объектов является неоднозначно решаемой задачей, поскольку нет точного определения самого понятия фрактальной размерности [1] и, как правило, отсутствует необходимое количество данных (сигнала с бесконечной частотой дискретизации и бесконечной длины). Поэтому фрактальную размерность какого-либо образования измеряют косвенно - по наклону зависимости S=F(d), где S - измеряемое значение, a d - масштаб. В связи с тем, что сигналы гидролокатора для когерентной обработки являются узкополосными, чтобы исключить разбегание различных частотных составляющих по разным траекториям распространения, то наиболее информативной сточки зрения обработки является амплитуда сигнала на выходе согласованного фильтра. В данном устройстве генератор посылает импульсный сигнал через усилитель мощности и приемно-излучающую антенну в морскую среду. Копия сигнала посылки попадает на согласованный фильтр, чтобы обеспечить максимальное ОСП на выходе фильтра. Отраженный от объекта локации сигнал попадает на антенну, усиливается, проходит через полосовой фильтр для уменьшения уровня помех, попадает на блок АЦП и затем на согласованный фильтр.
Блок измерения фрактальной размерности производит оценку статистического распределения амплитуд сигнала на выходе СФ и выражает эту оценку в виде числа, то есть фрактальной размерности.
Детектор сравнивает полученное число с порогом и принимает решение, обнаружен искомый объект локации или нет.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Пайтен Х.О., Рихтер П.Х. Красота фракталов. Образы комплексных динамических систем: Пер. с англ. - М., Мир, 1993
2. Mandelbrot B.B. The Fractal Geometry of Nature. - N.Y.: Freerman, 1982
3. Кроновер P.M. Фракталы и хаос в динамических системах: пер. с англ. - Москва, Постмаркет, 2000
4. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике - Ленинград, Судостроение, 1988
5. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям: пер. с англ. - М., Советское радио, 1976
6. Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. - М., Высшая школа, 1990