СПОСОБ ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ В ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ С ГИБКОЙ ПРОТЯЖЁННОЙ БУКСИРУЕМОЙ АНТЕННОЙ
METHOD FOR PROCESSING AND DISPLAYING SIGNALS IN A HYDRO-ACOUSTIC STATION WITH A FLEXIBLE EXTENDED TOWED ANTENNA

Изобретение относится к способам освещения подводной обстановки, а конкретно к способам отображение информации в пассивных низкочастотных гидроакустических станциях (ГАС) с гибкими протяженными буксируемыми антеннами (ГПБА).
Ввиду снижения шумностей подводных лодок (ПЛ) в звуковом диапазоне частот основными источниками их обнаружения стали инфразвуковой (ниже 20 Гц) и низкий звуковой (ниже 500 Гц) диапазоны частот, в которых сосредоточены трудно устранимые узкополосные сигналы, обусловленные вращением гребного винта и их гармониками, а также работой других корабельных механизмов.
Одним из средств обнаружения ПЛ по излучаемым ими низкочастотным узкополосным (дискретным) составляющим (ДС) спектра их шумоизлучения являются пассивные низкочастотные ГАС с ГПБА, устанавливаемые на ПЛ [1-4].
Обнаружение целей в ГАС с ГПБА осуществляется оператором по индикатору, на котором в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)" отображается результат спектрального анализа на одном цикле накопления сигналов на выходе всех сформированных пространственных каналов (фиг. 1). Оператор среди множества помеховых отметок, обусловленных флюктуациями шумов моря и собственной помехи, должен обнаружить отметки, обусловленные ДС спектра цели.
В качестве прототипа рассмотрим способ, описанный в работе [1, п. 2.1.2]. Способ-прототип на каждом цикле обработки и отображения включает:
1) синхронный набор цифровых реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов ГПБА.
При этом:
- частота дискретизации
где  - верхняя частота рабочего диапазона частот;
- длина реализации ,
где  - заданная разрешающая способность узкополосного спектрального анализа, согласованная с предполагаемой шириной ДС;
2) путем быстрого преобразования Фурье временных последовательностей сигналов и последующего фазового суммирования полученных спектральных отсчетов отдельных гидрофонов вычисление узкополосных комплексных спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам (вееру курсовых углов);
3) путем суммирования квадратов действительных и мнимых частей узкополосных комплексных спектров вычисление энергетических спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам;
4) суммирование (накопление) энергетических спектров, соответствующих одноименным курсовым углам, вычисленных на нескольких циклах набора реализаций;
5) отображение накопленных энергетических спектров на индикаторе в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)".
Заметим, что на каждом новом цикле отображения накопленные энергетические спектры замещают спектры, вычисленные на предыдущем цикле накопления.
Недостатком способа-прототипа является то, что оператор уверенно может обнаружить ДС, принадлежащую цели только в том случае, когда уровень обнаруживаемой ДС существенно (на 15 дБ и более) превосходит уровень флюктуационных выбросов фонового шума. ДС с небольшим превышением над фоновой частью спектра обнаружить затруднительно (фиг. 1), особенно, когда порог отображения на индикаторе установлен достаточно высоким, чтобы отсекать большую часть помеховых выбросов (фиг. 2).
Решаемая техническая проблема - повышение качества обнаружения малошумных целей в ГАС с ГПБА.
Технический результат - повышение дальности обнаружения целей по ДС в спектре их шумоизлучения.
Указанный технический результат достигается тем, что:
- в каждом накопленном энергетическом спектре, соответствующем каждому курсовому углу, методом двустороннего контраста [5] выделяются узкополосные (дискретные) составляющие с определением их частот и уровней;
- на индикаторе в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)" отображаются не энергетические спектры, а выделенные в них ДС, превысившие порог. При этом ДС, выделенные на новом цикле накопления, накладываются при отображении на индикаторе на ДС, выделенные на предыдущих циклах накопления, но со сдвигом последних на 1 пиксель по частоте (вниз или вверх).
В результате (фиг. 3) отметки, обусловленные устойчивыми ДС в спектре целей, начинают перемещаться по частоте и образуют трассы, что повышает достоверность их выявления.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующих действиях, выполняемых на каждом цикле обработки и отображения сигналов:
1) синхронный набор дискретных реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов ГПБА;
2) путем быстрого преобразования Фурье временных последовательностей сигналов и последующего фазового суммирования полученных спектральных отсчетов отдельных гидрофонов вычисление узкополосных комплексных спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам (вееру курсовых углов);
3) путем суммирования квадратов действительных и мнимых частей узкополосных комплексных спектров - вычисление энергетических спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам;
4) суммирование (накопление) 4…8 энергетических спектров, соответствующих одноименным курсовым углам, вычисленных на нескольких циклах набора реализаций;
5) выделение на текущем цикле в каждом накопленном энергетическом спектре методом двустороннего контраста ДС с определением их курсовых углов, частот и уровней;
6) сдвиг индикаторной картины в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)", сформированной на предыдущем цикле обработки и отображения, на один пиксель по частоте вниз;
7) добавление к индикаторной картине, образовавшейся после сдвига по частоте, ДС, выделенных на текущем цикле с учетом их курсового угла, частоты и уровня;
8) отображение сформированной индикаторной картины на электронном индикаторе.
Эффективность заявляемого способа была подтверждена путем его моделирования с использованием программной модели ГАС с ГПБА. Моделирование показало, что дистанция обнаружения малошумных ПЛ по ДС в инфразвуковом диапазоне частот за счет внедрения заявляемого способа возросла в среднем на 35%.
Заявляемый способ может быть реализован в действующих и проектируемых ГАС с ГПБА на программном уровне.
Таким образом, заявленный технический результат - повышение дальности обнаружения целей по ДС в спектре их шумоизлучения - можно считать достигнутым.
Источники информации:
1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы // СПб.: Наука, 2004.
2. Деев В.В. и др. Анализ информации оператором-гидроакустиком // Л.: Судостроение. 1989.
3. Патент РФ №2546851.
4. Патент РФ №2603886.
5. Белецкий Ю.С. Методы и алгоритмы контрастного обнаружения сигналов на фоне помех с априори неизвестными характеристиками // М.: Радиотехника, 2011, 429 с.