СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF DETECTING NOISE SIGNALS OF SEA OBJECTS

Заявляемый способ относится к области пассивной локации и может быть использован при создании гидроакустической станции обнаружения сигналов шумоизлучения (ШИ) морских объектов с многозвенной (многодиапазонной) гидроакустической антенной. Такой антенной может быть, например, многозвенная гибкая протяженная буксируемая антенна (ГПБА).
Основу известных способов обнаружения сигналов ШИ морских объектов (см., например, А.Л.Простаков. Электронный ключ к океану. Л.: Судостроение, 1978, с.21-23; В.Г.Гусев. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. Л.: Судостроение, 1988, с.47-51; А.П.Евтютов, В.Б.Митько. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л.: Судостроение, 1981, с.69-78 и др.) составляет совокупность операций, обеспечивающих измерение мощности (энергии) обнаруживаемых (ожидаемых) сигналов в каждом направлении наблюдения. В обеспечение высокой помехоустойчивости обнаружения сигналов ШИ их прием осуществляется на относительно развитые по горизонтали и/или по вертикали гидроакустические антенны. Основным недостатком данных аналогов, в которых рассматриваются (или подразумеваются) антенны, расположенные непосредственно на носителях, является низкая помехоустойчивость обнаружения, связанная, с одной стороны, с ограничением волновых размеров антенны, а с другой стороны - большими помехами, создаваемыми на антеннах их носителями.
В обеспечение преодоления данного недостатка при приеме сигналов используются гибкие протяженные буксируемые антенны (ГПБА) (см., например, А.А.Гуревич, Н.М.Гусев, Г.В.Яковлев. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. Судостроение за рубежом. 1984, №10 (214) с.34-53). Указанные антенны могут быть сравнительно больших размеров (сотни метров), а помеха носителя, буксирующего антенну на расстоянии порядка 1 км, приему сигналов практически не препятствует.
В обеспечение возможности работы в широком диапазоне частот ГПБА реализуется как совокупность подрешеток (звеньев), каждая из которых работает в своем диапазоне частот. Аналог данного вида рассматривается в качестве прототипа. Прототип (см. Ю.А.Корякин, С.А.Смирнов, Г.В.Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. С.-Петербург, Наука, с.195 (верхний абзац) и с.63) содержит операции приема гидроакустических сигналов многозвенной ГПБА, измерения спектров (т.е. спектрального анализа) всех принимаемых сигналов, пространственной фильтрации каждой спектральной компоненты сигнала, принимаемого каждым звеном, измерение энергии каждого из сигналов, сформированных в результате пространственной фильтрации в каждом направлении наблюдения и отображение результатов измерений. Оператор, наблюдая за отображенными результатами, принимает решение об обнаружении сигнала ШИ морского объекта.
Недостатком указанного аналога является относительно низкая помехоустойчивость обнаружения, обусловленная тем, что каждая подрешетка (звено) ГПБА работает в своем частотном диапазоне. В заявляемом объекте данный недостаток преодолевается путем специального (оптимального) объединения при измерении энергии принимаемых сигналов спектральных компонент из разных звеньев ГПБА.
Заявляемый способ обнаружения сигналов ШИ морских объектов предусматривает прием сигналов многозвенной ГПБА, измерение (т.е. вычисление) спектров каждого из принимаемых сигналов, пространственную фильтрацию каждой спектральной компоненты раздельно в каждом звене ГПБА, измерение энергий результатов пространственной фильтрации и отображением результатов этого измерения, а также прогноз (определение) оптимальных весов для сочетаний индексов накапливаемых при измерении энергии спектральных компонент, причем измерение энергии сигнала в каждом направлении сектора обзора осуществляется путем накопления результатов пространственной фильтрации спектральных компонент из различных звеньев с учетом указанных оптимальных весов. Определение указанных оптимальных весов осуществляется на основе прогноза уровней сигнала. При ориентировочно известной дистанции до источника прогноз осуществляется применительно к этой дистанции. При априорно неизвестной дистанции возможный диапазон дистанций делится на альтернативы (т.е. представляет собой набор дистанций в пределах этого диапазона) и заявляемый объект реализуется многоканальным по этим альтернативам дистанции. Реализация при измерении энергии суммирования результатов пространственной фильтрации на разных частотах именно из разных звеньев предопределяет наличие существенных отличий. В прототипе указанное суммирование производилось только в пределах каждого из звеньев в отдельности.
Блок-схема заявляемого объекта приведена на чертеже, где обозначены:
1.1…1.M - прием сигналов соответствующим (m - м, где m∈1…М) звеном ГПБА;
2.1…2М - измерение спектров в соответствующем звене ГПБА;
3.1…3 М - пространственная фильтрация;
4.1…4N - измерение энергий сигналов;
5 - отображение;
6 - определение оптимальных весов для сочетаний индексов накапливаемых при измерении энергии спектральных компонент.
Операция 1 (1.1…1М) предусматривает преобразование акустических колебаний в электрические и (при необходимости) их передачу на борт носителя (на вход информационно-вычислительного комплекса, реализующего совокупность операций 2-6). Она реализуется многозвенной ГПБА, каждое из М звеньев которой содержит по Lm элементарных каналов приема. Далее для упрощения индексации рассматриваем ситуацию равного во всех звеньях количества элементарных каналов, т.е. Lm=L. Каждый элементарный канал приема (гидрофоны или группа гидрофонов) преобразует акустические колебания в электрические. Полученные в результате электрические сигналы по линии связи (кабель-троссу) передаются от всех звеньев ГПБА на борт носителя. На практике величина L составляет десятки-сотни.
ilm
нm
вm
Операция измерения спектров 2 (2.1…2М) предусматривает вычисление дискретного преобразования Фурье (ДПФ) от сигнала каждого элементарного канала каждого звена (подрешетки) ГПБА. Данной операции предшествует аналого-цифровое преобразование сигналов в элементарных каналах ГПБА, реализуемое либо на передающем конце упомянутой линии связи, либо в бортовой аппаратуре носителя. В результате операции 2 формируются комплексные спектральные коэффициенты Х (здесь и далее индекс момента времени для упрощения индексации опущен), где i - номер спектрального коэффициента (i - меняется в диапазоне i…i), 1 - номер элементарного канала звена (1 меняется в диапазоне 1…L), m - номер звена ГПБА (m, как правило, меняется в диапазоне 2…4);
нm
вm
нm
i, i - номера спектральных коэффициентов, соответствующих нижней f и верхней
вm
ilm
i
f границам рабочего диапазона частот m-го звена. При спектральном разрешении ДПФ, равном Δf, коэффициент Х соответствует оценке спектра сигналов на частоте f=iΔf (т.е. на i-й спектральной компоненте) в 1-м элементарном канале m-го звена.
v
Операция пространственной фильтрации 3 (3.1…3М) или измерения пространственного спектра предусматривает Am - кратное комплексно-весовое суммирование одноименных спектральных компонент каждого звена в отдельности с весами, обеспечивающими формирование веера из Am характеристик направленности (ХН) в секторе обзора в каждом звене ГПБА, а так же детектирование (обычно квадратичное) полученных результатов и их накопление по времени. Результат комплексно-весового суммирования на i-й спектральной компоненте в m-м звене в направлении α определяется как
i
v,l,m
m
v
m
m
m
m
i,m,v
i,m,v
где f=Δf·i; τ=(l-1)d·Sinα/с; d - шаг между смежными элементами m-го звена (d=H/L-1, Н - длина m-го звена); с - скорость звука (обычно величина с выбирается около 1500 м/с). Далее, как отмечено выше, осуществляется вычисление модулей (или их квадратов) Q каждого из полученных значений Z и их накопление по времени. Возможна реализация заявляемого способа и без указанного накопления.
v
Значение индекса v угла наблюдения (α) меняется в диапазоне 1…Am.
Примеры выполнения операции комплексно-весового суммирования приведены в книге А.В.Рыжиков, Ю.В.Барсуков. "Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике" СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2007 (с.71…81).
Указанная операция 3 выполняется в пределах диапазонов рабочих частот звеньев ГПБА, которые на практике, например, при М=3 могут ориентировочно составлять
m=1 → единицы Гц … ≈200 Гц;
m=2 → ≈100 Гц … ≈700 Гц;
m=3 → ≈300 Гц … ≈2000 Гц.
i,m,v
Формируемые при выполнении данной операции величины Q являются спектральными компонентами (с индексами частоты (i) результатов пространственной фильтрации в m-м звене и v-й альтернативе угла наблюдения в секторе обзора. Совокупность операций 1-3 в заявляемом объекте совпадает с таковой в прототипе.
v
Операция 4 (4.1…4М) измерения энергии принимаемых сигналов предусматривает накопление по частоте результатов выполнения операции 3 раздельно в каждом направлении а сектора обзора. Новизной этой операции в заявляемом способе (в сравнении с аналогичной операцией прототипа) является смешивание при накоплении по частоте результатов пространственной фильтрации (3) из различных звеньев ГПБА. В прототипе имело место накопление по правилу (как указано выше, для краткости накопление по времени не рассматривается)
mv
Здесь индекс «m» при результате Y указывает на то, что в прототипе измерение энергии осуществлялось раздельно по звеньям ГПБА; при этом каждый результат этого измерения был «привязан» к своему звену.
В заявляемом способе измерение энергии осуществляется в N каналах (N в общем случае равно М, либо больше, чем М), причем в каждом из них реализуется накопление, например, по правилу
v
где обозначение пределов (области) суммирования i,m(n) соответствует сочетаниям индексов i и m, разрешенным (пояснение смысла данного термина приведено ниже) для накопления при оптимизации приема сигнала с n-й альтернативы дистанции (Rn) до источника ШИ, причем n∈1…N. Необходимо отметить, что разрешенные сочетания индексов i, m могут зависеть не только от индекса «n» альтернативы дистанции (Rn), но и от индекса «v» альтернативы угла наблюдения α; в последнем случае область индексов суммируемых квадратов модулей спектральных компонент записывается как i,m(n,v). В описании рассматривается наиболее простой случай.
Эквивалентным рассмотренному выше является так же следующий вариант операции измерения энергии
где пределы суммирования по частоте могут быть выбраны как по варианту (3) (как это и записано в формуле (3а)), так и, например, приняты равными упомянутым выше границам рабочих частотных диапазонов звеньев ГПБА.
Описанное выше накопления по частоте в рамках операции измерения энергий сигналов может дополняться накоплением по времени. В этом плане заявляемый объект от прототипа не отличается.
n,v
v
n,v
n,v
n,v
Операция отображения 5 реализуется посредством формирования на мониторе рабочего места оператора кадра индикаторной картины с цветовой или черно-белой палитрой кодировки формируемых величин Y при фиксированных значениях индекса n (дистанции фокусировки Rn). По оси абсцисс откладывается курсовой угол α (т.е. справа налево отображаются значения Y при последовательном изменении индекса v от 1 до Am). Значения Y, полученные в разные моменты времени (индекс времени при описании всех результатов обработки опущен), «разворачиваются» его оси ординат, т.е., в совокупности строк индикаторной картины отображается совокупность массивов величин Y, полученных в последовательно обновляющиеся моменты времени. При этом шаг по времени обновления обычно составляет 10…100 с.
Операция 6 - определение оптимальных весов для сочетаний индексов накапливаемых при измерении энергии спектральных компонент, реализуется на основе прогнозирования отношений сигнал/шум на каждой спектральной компоненте в каждом звене. Прогнозирование выполняется путем расчетов этих отношений (на всех частотах рабочих диапазонов для каждого звена ГПБА), например по формуле
i
i
i
i
где λ - длина волны на частоте f, равная λ=с/f;
i
i
-3
β(ѓ) - километричское затухание, определяемое в зависимости от района мирового океана, например, как β(f)=(1,65+26,3)·10 дБ/км;
im
i
К - коэффициент концентрации m-го звена на частоте f, определяемый в общем случае соотношением (см. М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник. Л.: Судостроение, 1984, формула (5.37) на с.159)
где ,
S
S
η=0,5 при S=0 и η=1 при S>0.
im
i
Значения К и β(f) заранее рассчитаны и занесены в память вычислителя, реализующего заявляемый способ.
В случае реализации заявляемого способа при выполнении условия отсутствия 100%-ных добавочных максимумов ХН, т.е. при выполнении неравенства (см. цитированный справочник М.Д.Смарышева, формула (5.35) на с.154)
;
v
im
im
m
I
i,m,n,v
i,m,n
v
во всем секторе обзора (т.е. во всем диапазоне применения угла α) величина K может вычисляться по упрощенной формуле K=2H/λ, при этом прогнозируемые величины q=q от угла α не зависят.
i,m,v
v
В случае работы в условиях анизотропного по горизонтали поля помех соотношение (4) может уточняться путем дополнительного деления правой части этого соотношения на оценку уровня помехи G на i-й частоте в m-м звене в направлении α. В связи с возможным вариантом реализации заявляемого способа без оценивания указанного уровня помехи в рамках настоящего описания данная операция не рассматривается.
Операция 6 в дополнение к указанному прогнозу может предусматривать, например (при реализации измерения энергии в соответствии с соотношением (3)), определение разрешенных сочетаний индексов накапливаемых спектральных компонент, которое выполняется следующим образом (вариант). При каждом фиксированном значении альтернативы дистанции Rn, т.е. при фиксированном индексе «n» реализуется отбор максимума по i и m
n,v
i,m
i,m,n,v
q=maxq
i,m,n,v
v
Как отмечено выше, все величины q могут не зависеть от угла α, т.е. от индекса «v». В этом случае не зависят от индекса «v» и величины отбираемых максимумов.
nv
n,v
i,m,n,v
Вырабатывается порог П=γ·q, где γ - заранее выбранная константа (диапазон возможных значений константы γ составляет 0,1…0,25). С этим порогом сравниваются все значения q. Индексы («i» и «m» для каждого значения индекса «n», либо для каждого значения пары индексов «n» и «v») тех из них, которые превышают указанный порог, запоминаются, и их сочетания являются разрешенными для накопления спектральных компонент при выполнении операции 4 (4.1…4М) в соответствующем n-м канале накопления (n=1…N). Результаты формирования разрешенных сочетаний индексов i,m(n) или i,m(n,v) могут быть использованы непосредственно при управлении операциями 4 (4.1…4М), как это показано на рис.1, так и при управлении операциями 3 (3.1…3М). Второй вариант связей представляется менее логичным (хотя и является эквивалентным первому) и поэтому на рис.1 не показан.
При реализации операции измерения энергии в соответствии с выражением (3а) результаты выполнения операции 6 могут быть использованы непосредственно в качестве оптимальных весов (при этом дополнения ее определением разрешенных сочетаний индексов накапливаемых спектральных компонент не требуется).
Устройство, реализующее совокупность операций 2…6, представляет собой программируемый вычислитель (информационно-вычислительный комплекс), осуществляющий проведение расчетов (в том числе сравнений между собой результатов) по приведенным в описании аналитическим выражениям.
v
Согласно результатам проведенного аналитического сравнительного исследования помехоустойчивости прототипа и заявляемого способа последним в равных условиях (т.е. при фиксированных длинах звеньев ГПБА Нm и числе элементарных каналов в каждом из них L) обеспечивается снижение порогового сигнала (т.е. повышение помехоустойчивости обнаружения) при различных дистанциях Rn и углах наблюдения α в диапазоне от 1,5 дБ до 4 дБ.