УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА ИХ ИСТОЧНИК

Полезная модель относится к гидроакустике, а именно к устройствам обнаружения гидроакустических сигналов, определения пространственного направления их прихода в точку наблюдения на фоне изотропных и анизотропных акустических помех природного и техногенного происхождения и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и радиоастрономии.
Известны устройства для формирования направленных свойств пространственных фильтров (ПрФ), содержащие дискретную антенную решетку (ДАР) и тракт обработки выходных процессов электроакустических преобразователей (ЭАП), на основе оценки корреляционных функций выходных процессов (смеси сигнала с помехой или только помех) ЭАП, описанные в ряде работ, например, Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн. - Л: Судостроение, 1973, - с.56-58; Долгих В.Н., Казанцев Г.И. Прикладная гидрофизика. Часть 1. Гидроакустика. - Владивосток, МО РФ ТОВМИ, 2005, - с.405-407, 436-449.
Основным недостатком этих устройств является большое число нелинейных операций, равное (I-I), (где I - число ЭАП в составе ДАР), которое необходимо проводить в процессе обработки выходных процессов ЭАП.
Этот недостаток устранен в другом известном устройстве для определения направления на источник акустических сигналов. Второй аналог содержит ДАР, состоящую из N ненаправленных акустических приемников размещенных в заданном объеме пространства произвольным образом, в том числе по случайному закону, а также N каналов передачи информации и корреляционный формирователь ХН с временной задержкой сигналов, включающий в себя линии задержки, сумматоры напряжений и мощности, корреляционный вычислитель и интегратор. (Патент №23107 (RU); МПК7 G01S 3/00; приоритет 16.11.2001 г. Устройство для определения направления на источник акустических сигналов /Долгих В.Н., Бородин А.Е. // Изобретения. Полезные модели: Оф.бюл. Роспатента. - М.: ФИПС, 20.05.2002. - №14).
В этом устройстве число нелинейных операций равно (1+1). Несмотря на то, что число нелинейных операций во втором аналоге уменьшилось по сравнению с предыдущим первым аналогом в I раз, при большом числе ЭАП в составе ДАР оно является еще достаточно большим. Это обусловливает высокие требования к объему и скорости обработки смеси сигналов и помех, производимых трактом обработки обнаружителя сигналов.
Кроме того, рассмотренные аналоги не имеют в своем составе блоков принятия решения об обнаружении сигнала и вычисления порога принятия решения, функционально необходимых при решении задач обнаружения сигналов, создаваемых объектами, а также в аналогах не предусмотрены блоки измерения координат ЭАП, которые могут изменяться под воздействием внешних сил (морские течения, волнение моря и. т.д.), относительно центра ДАР. Это не позволяет решать задачу формирования отклика пространственного фильтра (ПрФ) в случае, когда координаты ЭАП изменяются под воздействием внешних факторов.
Эти недостатки частично устраняются известным устройством «Устройство с корреляционным формирователем характеристики направленности для обнаружения сигналов и определения направления на их источник», которое является наиболее близким заявленному техническому решению и выбрано в качестве прототипа.
Прототип содержит ДАР, состоящую из I=N+М элементов (N -пассивные ненаправленные ЭАП; М - активно пассивные ЭАП), и соответствующих им I каналов передачи информации, блок управления характеристиками направленности, блок вычисления относительных координат элементов ДАР и корреляционный формирователь характеристики направленности. Корреляционный формирователь состоит из I линий временной задержки, сумматора напряжений, квадратора суммы напряжений, I квадраторов, сумматора мощностей, корреляционного вычислителя и интегратора. Кроме того, в состав устройства входят пороговое устройство, вычислитель порога принятия решения, блок управления активно-пассивными элементами ДАР и индикатор. Причем выход интегратора подключен к первому входу порогового устройства, второй вход которого соединен с выходом вычислителя порога принятия решения, а выход порогового устройства подключен к входу индикатора, выходы которого подключены ко второму входу блока управления характеристиками направленности и входу вычислителя порога принятия решения. При этом блок управления активно-пассивными элементами ДАР через М каналов передачи информации последовательно подает команды на излучение измерительных гидроакустических сигналов каждым активно-пассивным элементом ДАР (Патент на изобретение №2305297; МПК G01S 3/802 (2006.01); приоритет 05 июля 2005. Устройство с корреляционным формирователем характеристики направленности для обнаружения сигналов и определения направления на их источник. Бородин А.Е., Долгих В.Н., Ламека А.П. //Изобретения. Полезные модели: Оф.бюл. Роспатента. - М.: ФИПС, 20.05.2007. - №14).
Основным недостатком прототипа является значительное число нелинейных операций: 1+1, где 1=М+М. Несмотря на то, что число нелинейных операций уменьшилось по сравнению с первым аналогом в 1раз, оно является еще достаточно большим при большом числе ЭАП в составе ДАР. Это обусловливает достаточно высокие требования к объему и скорости обработки смеси сигналов и помех, производимых трактом обработки этого аналога.
На устранение указанного недостатка направлено новое техническое решение «Устройство для обнаружения сигналов и определения направления на их источник» (сокращенно обнаружитель), технической задачей которого является создание нового формирователя характеристик направленности с временной задержкой сигналов для обнаружения сигналов и определения направления на их источник, позволяющего уменьшить число нелинейных операций в тракте обработки обнаружителя сигналов на фоне естественных и искусственных помех.
Реализация поставленной задачи позволяет достичь следующий суммарный технический результат:
1. Уменьшение числа нелинейных операций до двух в тракте обработки обнаружителя при произвольном числе ЭАП в составе ДАР.
2. Существенное упрощения конструкции обнаружителя и программно-математического обеспечения вычислительных средств обнаружителя.
3. Снижение требований к средствам обработки процессов при сохранении эффективности решения задач обнаружителем.
4. Повышение быстродействия тракта обнаружения и пеленгования объектов.
Указанный технический результат достигается тем, что заявленное устройство «Устройство для обнаружения сигналов и определения направления на их источник» содержит дискретную антенную решетку (ДАР), включающую N ненаправленных пассивных и М ненаправленных активно-пассивных элементов и соответствующих им I, равных N+M, каналов передачи выходных процессов электроакустических преобразователей (ЭАП) ДАР, блок управления характеристиками направленности, блок вычисления относительных координат элементов ДАР. Устройство также содержит формирователь характеристик направленности с временной задержкой сигналов, включающий I цифровых сдвигающих устройств, сумматор напряжений, квадратор суммы напряжений, интегратор, вычитающее устройство.
Перечисленные блоки связаны между собой электрическими связями следующим образом:
- соответствующие выходы I каналов передачи выходных процессов ЭАП ДАР параллельно подключены к I входам блока вычисления относительных координат элементов ДАР и к входам I цифровых сдвигающих устройств, выходы которых подключены к соответствующим I входам сумматора напряжений;
- выход сумматора напряжений соединен с входом квадратора суммы напряжений;
- кроме того, устройство включает пороговое устройство, вычислитель порога принятия решения, индикатор, второй выход которого соединен с входом блока управления активно-пассивными элементами ДАР;
- причем первый вход порогового устройства соединен с выходом вычислителя порога принятия решения, а первый выход порогового устройства через индикатор соединен со вторым входом блока управления характеристиками направленности, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления относительных координат элементов ДАР;
- соответствующие I выходы блока управления характеристиками направленности соединены с соответствующими управляющими входами I цифровых сдвигающих устройств, выход блока управления активно-пассивными элементами ДАР параллельно подсоединен к соответствующему входу блока вычисления относительных координат элементов ДАР и к входам М каналов передачи выходных процессов активно-пассивных ЭАП ДАР.
Принципиальным отличием заявленного устройства от прототипа является то, что формирователь характеристик направленности с временной задержкой сигналов дополнительно содержит запоминающее устройство и блок определения среднего значения отклика обнаружителя, с возможностью вычитания вычитающим устройством среднего значения отклика обнаружителя из выходного сигнала запоминающего устройства, для этого выход квадратора суммы напряжения через интегратор соединен с входом запоминающего устройства, первый выход которого соединен с первым входом блока определения среднего значения отклика обнаружителя, второй вход которого соединен со вторым выходом порогового устройства, два входа вычитающего устройства предназначены для соединения со вторым выходом запоминающего устройства и выходом блока определения среднего значения отклика обнаружителя, соответственно, а выход вычитающего устройства параллельно соединен с соответствующими входами порогового устройства и вычислителя порога принятия решения.
Именно это позволяет получить отклик обнаружителя аналогичный отклику обнаружителя по прототипу.
Дополнительным отличием является то, что электроакустические преобразователи в составе ДАР изменяют свое положение в пространстве под воздействием внешних сил, включая их свободный дрейф. Именно это позволяет использовать заявленное устройство в случае ДАР с гибким каркасом и в случае отсутствия механических связей между ЭАП в составе ДАР.
Такое взаимное расположение вышеперечисленных конструктивных элементов необходимо для достижения следующих технических эффектов:
1. Уменьшения числа нелинейных преобразований в тракте обработки обнаружителя до 2-х за счет включения в схему обнаружителя запоминающего устройства и блока определения среднего значения отклика обнаружителя.
2. Упрощения конструкции в тракте обработки обнаружителя при эффективности, не уступающей эффективности аналогов, прототипа и сохранении их основных функций:
- измерение с заданной погрешностью относительных координат всех акустических приемников, входящих в состав антенной решетки;
- исключение помех приему полезных сигналов при работе активно-пассивных преобразователей в режиме излучения измерительных посылок;
- регулирование величин компенсационных временных задержек сигнала в каждом канале на выходе ДАР в зависимости от взаимного пространственного расположения электроакустических преобразователей и заданного направления обзора пространства;
- автоматическое или автоматизированное (при участии оператора) принятие решения об обнаружении сигналов;
- определение направления на источник сигналов.
Нелинейные операции в тракте обработки заявленного обнаружителя проводятся при возведении в квадрат выходного процесса сумматора напряжений и при определении среднего значения отклика в блоке определения среднего значения отклика обнаружителя, где выполняется операция деления суммы всех значений отклика в заданном секторе обзора пространства, на их число. Сущность полезной модели поясняется чертежом:
Фиг.1. Устройство для обнаружения сигналов и определения направления на их источник. Функциональная схема.
В состав устройства входят:
1. Пассивный элемент дискретной антенной решетки (ДАР) (перемещающийся в пространстве под воздействием внешних сил на ДАР и ее ЭАП, ненаправленный акустический приемник, общее количество пассивных элементов в составе ДАР равно N).
2. Активно-пассивный элемент ДАР (перемещающийся в пространстве под воздействием внешних сил на ДАР и ее ЭАП, ненаправленный акустический приемник с совмещенным ненаправленным акустическим излучателем, общее количество активно-пассивных элементов в составе ДАР равно М).
3. Канал передачи выходных процессов электроакустических преобразователей (ЭАП) ДАР (число каналов передачи информации равно I=N+M).
4. Блок вычисления относительных координат элементов ДАР.
5. Блок управления характеристиками направленности (ХН).
6. Формирователь ХН с временной задержкой сигналов (ФХН).
7. Цифровые сдвигающие устройства (линия временной задержки, общее количество линий задержек равно I=N+М).
8. Сумматор напряжений.
9. Квадратор суммы напряжений.
10. Интегратор (цифровой).
11. Запоминающее устройство.
12. Блок определения среднего значения отклика обнаружителя.
13. Вычитающее устройство.
14. Пороговое устройство.
15. Вычислитель порога принятия решения.
16. Индикатор.
17. Блок управления активно-пассивными элементами ДАР.
Заявленное устройство содержит дискретную антенную решетку, состоящую из N пассивных элементов ДАР (1), и М активно-пассивных элементов ДАР (2), размещенных произвольным образом в заданном объеме пространства с возможностью изменения их координат в пространстве в системе координат ДАР под воздействием внешних сил, включая свободный дрейф. Им соответствуют I=N+М каналов передачи выходных процессов ЭАП ДАР (3). Выходы этих каналов подключены к I=N+М входам блока вычисления относительных координат элементов ДАР (4) и входам I цифровых сдвигающих устройств (7) (цифровых линий временной задержки), выходы которых подключены к I входам сумматора напряжений (8). Выход сумматора напряжений (8) через квадратор суммы напряжений (9) подключен к входу интегратора (10). Выход интегратора подсоединен к входу запоминающего устройства (11). Первый выход запоминающего устройства подключен к входу блока определения среднего значения отклика обнаружителя (12), а второй - к входу вычитающего устройства (13). Выход вычитающего устройства (13) подключен параллельно ко второму входу порогового устройства (14) и входу вычислителя порога принятия решения (15). Первый вход порогового устройства (14) соединен с выходом вычислителя порога принятия решения (15) об обнаружении сигнала или о наличии во входном процессе только помехи. Выходы порогового устройства (14) подсоединены к входу блока определения среднего значения отклика обнаружителя (12) и входу индикатора (16) соответственно. Соответствующие выходы индикатора (16) подключены к входам блока управления ХН (5) и блока управления активно-пассивными элементами ДАР (17). Выход блока управления активно-пассивными элементами ДАР (17) параллельно подсоединен к соответствующему входу блока вычисления относительных координат элементов ДАР (4) и к входам М каналов передачи выходных процессов активно-пассивных ЭАП (3) ДАР. Выход блока вычисления относительных координат элементов ДАР (4) соединен с первым входом блока управления ХН (5), I выходов которого соединены с управляющими входами I цифровых сдвигающих устройств (7) (линий временной задержки). Соответствующие выходы М каналов передачи выходных процессов активно-пассивных ЭАП ДАР (3) подключены к соответствующим входам М активно-пассивных ЭАП ДАР. Устройство работает следующим образом.
N пассивных элементов ДАР (1), с заданными максимальными размерами ДАР, размещаются в заданном пространстве любым, известным в морской практике, способом. М активно-пассивных элементов ДАР (2) устанавливаются в два (для плоских ДАР, координаты элементов которой определяются двумя координатами X, Y) или в три (для объемных ДАР, координаты элементов которой определяются тремя координатами X, Y, Z) угла разностороннего треугольника, с максимально возможными расстояниями между ними, ограничиваемые размерами ДАР. Предусмотрено два режима работы устройства:
«Измерение координат элементов ДАР» и «Обзор». Режимы выполняются последовательно, начиная с «Измерение координат элементов ДАР».
В первом режиме «Измерение координат элементов ДАР» выполняется цикл измерения координат элементов ДАР относительно центра ДАР. Для этого по команде начала работы обнаружителя или при завершении обзора исследуемого пространства, формируемой в индикаторе (16), блок управления активно-пассивными элементами ДАР (17) через М каналов передачи информации (3), в которые кроме усилителей, полосовых фильтров и АЦП входят излучающие тракты, последовательно подает команды на излучение измерительных гидроакустических сигналов каждым активно-пассивным элементом ДАР (2). Поступающая по каналам передачи выходных процессов ЭАП ДАР (3) информация от N пассивных элементов ДАР (1) и от М активно-пассивных элементов ДАР (2), работающих в пассивном режиме, автоматически обрабатывается в блоке вычисления относительных координат элементов ДАР (4). Для этого в блоке вычисления относительных координат элементов ДАР (4) корреляционным способом последовательно измеряют времена распространения измерительных сигналов от активно-пассивных элементов ДАР (2), работающих в режиме излучения, до всех остальных элементов ДАР, работающих в пассивном режиме, и рассчитывают координаты элементов путем решения уравнений окружности (для плоских ДАР) или сферических поверхностей (для объемных ДАР). В блоке управления ХН (5) измеренные относительные координаты с учетом пространственного направления обзора пространства преобразуются в число сдвигов отсчетов выборок выходных процессов каналов передачи выходных процессов ЭАП ДАР (3) относительно друг друга.
В режиме «Обзор» гидроакустические процессы, принятые пассивными элементами ДАР (1) и активно-пассивными элементами ДАР (2), работающими в пассивном режиме, по соответствующим каналам передачи выходных процессов ЭАП ДАР (3), которые выполняют предварительное усиление, фильтрацию выходных процессов ЭАП и их преобразование в цифровую форму, передаются на входы I цифровых сдвигающих устройств (7) (линий временной задержки) формирователя характеристик направленности с временной задержкой сигналов (6). В цифровых сдвигающих устройствах (7) устанавливаются величины сдвига оцифрованных выходных процессов каналов передачи информации, вычисленные блоком управления ХН (5), обеспечивающие настройку устройства на заданное пространственное направление с учетом относительных координат соответствующих элементов ДАР (1, 2). Оцифрованные значения процессов с выходов I цифровых сдвигающих устройств (7) поступают на соответствующие входы сумматора напряжений (8). С выхода сумматора напряжений (8) значение мгновенной суммы I процессов поступает на квадратор суммы напряжений (9) и с его выхода значение суммарного напряжения поступает на цифровой интегратор. Выход цифрового интегратора соединен с входом запоминающего устройства (11), в котором запоминаются значения откликов обнаружителя для всех пространственных углов обзора пространства. После завершения обзора пространства соответствующие выходные сигналы запоминающего устройства подаются на первый вход блока определения среднего значения отклика обнаружителя (12) и на первый вход вычитающего устройства (13). Если сигнал не обнаружен, то среднее значение отклика обнаружителя вычисляется по массиву откликов обнаружителя, полученного при обзоре заданного сектора пространства. Если сигнал обнаружен, то среднее значение отклика обнаружителя вычисляется по массиву откликов обнаружителя, полученного при обзоре заданного сектора пространства, исключая значения массива откликов соответствующих телесному углу положения максимума (максимумов) отклика в пределах остроты направленного действия. Управление алгоритмами усреднения осуществляется по команде порогового устройства (14). На второй вход вычитающего устройства (13) поступает результат определения среднего значения отклика обнаружителя по области обзора пространства с выхода блока (12). Разность между значениями откликов обнаружителя и средним значением его отклика параллельно поступает на соответствующие входы порогового устройства (14) и вычислителя порога принятия решения (15). В пороговом устройстве (14) осуществляется сравнение выходных значений вычитающего устройства (13) с пороговым значением, выработанным в вычислителе порога принятия решения об обнаружении сигнала (15). Если выходные значения вычитающего устройства (13) больше либо равны порогу принятия решения, то на вход блока определения среднего значения отклика обнаружителя (12) подается команда о выборе алгоритма усреднения при обнаружении сигнала с выхода порогового устройства (14), а выходной процесс порогового устройства подается на вход индикатора (16). С соответствующих выходов индикатора (16) сигналы о завершении цикла обзора пространства (завершения цикла обработки процессов в обнаружителе) поступают на соответствующие входы блока управления ХН (5) и блока управления активно-пассивными элементами ДАР (17). Устройство работает в режиме «Обзор» до истечения интервала времени, в течение которого осуществляется обзор пространства в заданном секторе пространственных углов и обработки входных процессов обнаружителя. После завершения цикла обзора пространства со второго выхода индикатора (16) на вход блока управления активно-пассивными элементами ДАР (17) поступает команда на включение режима работы «Измерение координат элементов ДАР в системе координат ДАР».
Технический результат полезной модели заключается в создании нового устройства для обнаружения сигналов и определения направления на их источник (источники) с формирователем характеристики направленности с числом нелинейных операций в тракте обработки равным 2, в котором учтена возможность перемещения в пространстве приемников дискретной антенной решетки под воздействием внешних сил. Это устройство позволяет производить обнаружение и определение направления на источник (источники) сигналов с эффективностью обнаружения и определения направления не хуже чем эффективность аналогов или прототипа. Число нелинейных операций, равное 2, обусловлено проведением операций возведения в квадрат суммы напряжений квадратором (9) и деления на число значений массива отклика в блоке определения среднего значения отклика в секторе обзора пространства обнаружителя (12).
Заявленное устройство промышленно применимо, так как при его изготовлении могут быть использованы широко распространенные устройства и компоненты, такие как: приемники акустических сигналов, аналоговые усилители и фильтры, аналого-цифровые преобразователи, цифровые устройства памяти с произвольным доступом, цифровые процессоры обработки процессов, выпускаемые серийно отечественной промышленностью. Кроме того, оно может быть использовано при модернизации многоканальных обнаружителей сигналов, в тракте обработки которых используют квадратор и интегратор.