Устройство обнаружения акустических активных воздушных объектов
ACOUSTIC ACTIVE AERIAL OBJECTS DETECTION DEVICE

Изобретение относится к технике приема сигналов от источников звуковых волн и может быть использовано для обнаружения воздушных объектов, например, малогабаритных и слабо шумящих беспилотных летательных аппаратов.
Известна система обнаружения беспилотных винтокрылых летательных аппаратов (патент РФ 2593439 МПК G01S 17/00), которая содержит четыре акустических датчика с известным взаимным расположением и расположением относительно контролируемой зоны в пространстве. Каждый акустический датчик состоит из приемного устройства и блока. обнаружения и классификации. Выход приемного устройства соединен с входом блока обнаружения и классификации, который соединен с блоком оперативного управления и принятия решения, который соединен с системой оповещения и индикации. Блок оперативного управления и принятия решения также соединен с блоком сопряжения с телекамерами, который соединен с поворотной телекамерой с известным местоположением в пространстве и скоростью поворота.
Известны система и способ обнаружения винтокрылых беспилотных летательных аппаратов, описанные в патенте US 7957225 В2, в которых принимают акустический сигнал с помощью набора акустических датчиков, классифицируют источник акустического сигнала на основе спектрального анализа акустического сигнала, определяют горизонтальные координаты и высоту источника акустического сигнала на основе анализа, по меньшей четырех акустических сигналов, полученных от четырех акустических датчиков.
Наличие интенсивных фоновых помех при использовании известных устройств затрудняет обнаружение сигнала (акустического маркера) известными устройствами, неблагоприятно сказывается на качестве анализа сигнала и дальности обнаружения.
Если направления на источник шумового фона и источник сигнала заведомо не совпадают, для обнаружения и выделения полезного сигнала могут быть использованы пространственно-избирательные устройства. В этом случае увеличение дальности обнаружения объекта, излучающего акустический сигнал, может быть реализовано ослаблением фоновой помехи в направлении приема.
Известно устройство для направленного приема сигналов, состоящее из приемного сенсора, установленного в фокусе параболического рефлектора (патент на полезную модель RU №113878, H01Q 3/08).
Известно устройство для направленного приема сигналов, состоящее из приемного сенсора и волнового трансформатора, выполненного в виде конического или экспоненциального рупорного насадка (напр., патент на полезную модель RU №140983, H01Q).
Известны также широкоапертурные устройства направленного приема акустических сигналов, состоящие из большого числа элементов, организованных в матрицы/решетки (Н.П. Красненко, А.С. Раков и др. "Акустическая антенная решетка с электронным управлением лучом диаграммы направленности". - Доклады ТУСУРа, №3 (29), сентябрь, 2013).
Недостатком этих устройств является зависимость эффективности пространственной селекции от углового размера сегмента обзора: чем больше абсолютные значения dA/dϕ и dA/dθ на спаде главного лепестка диаграммы направленности, тем меньше площадь окна обзора ΔθΔϕ. Для перекрытия большого сектора пространства (ограниченного, например, пределами верхней полусферы) требуется либо обеспечить режим сканирования по сетке углов θ и ϕ, либо использовать параллельно работающую группу устройств, нацеленных на разные участки пространства.
Режим сканирования приводит к дополнительной задержке распознавания объекта, а также к росту вероятности пропуска объекта, т.к. сигналы с разных направлений принимаются неодновременно.
Целью изобретения является улучшение выделения полезного сигнала в зашумленной среде.
Техническим результатом является повышение дальности обнаружения акустически активных летательных аппаратов путем подавления фонового акустического шума, приходящего с неактуальных "подгоризонтальных" направлений.
Для достижения указанного результата устройство обнаружения акустически активных воздушных объектов включает два акустических сенсора, смещенных друг относительно друга по вертикали, установленный под ними козырек из звуконепроницаемого материала, блок обработки электрических сигналов акустических сенсоров, включающий узлы балансировки, входами подключенные к сенсорам, а выходами - к входам вычитающего устройства, выход которого через полосовой фильтр соединен с узлом принятия решения, при этом козырек выполнен из восходящего и нисходящего элементов, пересечением которых образована линия вершины козырька, нижние части элементов которого расположены ниже нижнего акустического сенсора, а каждая точка на линии вершины козырька равноудалена от обоих акустических сенсоров.
В одном варианте звуконепроницаемый козырек имеет форму, образующую в горизонтальной проекции прямоугольный или С-образный контур, торцом закреплен на внешней поверхности стены (здания или опоре моста), на которой также установлены акустические сенсоры.
В другом варианте звуконепроницаемый козырек конструктивно образует осесимметричный замкнутый контур и установлен на вертикальной опоре, проходящей через центр симметрии козырька, при этом акустические сенсоры расположены на вершине опоры.
Использование козырька из звуконепроницаемого материала, выполнение из восходящего и нисходящего элементов с созданием вершины в точках их пересечения позволяет создать определенной конфигурации акустическую тень от «подгоризонтального» шумового фона.
Размещение акустических сенсоров вдоль вертикальной линии в области акустической тени козырька от «подгоризонтального» фонового шума позволяет улучшить обнаружение полезных сигналов и увеличить дальность обнаружения отслеживаемого малогабаритного летательного объекта.
Блок обработки электрических сигналов акустических сенсоров обеспечивает взаимоуничтожение «подгоризонтальных» шумов, попавших в зону расположения обоих сенсоров.
В результате поиска не обнаружено информации, позволяющей сделать вывод об известности отличительных признаков заявляемого устройства, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.
Из предшествующего уровня техники не известно влияние отличительных признаков заявляемого устройства на достигаемый технический результат, следовательно, заявляемое устройство соответствует условию изобретательского уровня.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства.
Заявляемое устройство содержит два акустических сенсора 1 и 2, закрепленный под ними козырек 3, блок обработки электрических сигналов 4. Козырек 3 представляет собой конструкцию из звуконепроницаемого материала, выполненную из восходящего 5 и нисходящего 6 элементов, пересечением которых образована линия вершины козырька. Акустические сенсоры 1, 2 располагаются вдоль вертикальной линии, при этом нижняя часть нисходящего элемента 6 козырька 3 расположена ниже нижнего акустического сенсора 2, а каждая точка на линии соединения восходящего и нисходящего элементов козырька 3 равноудалена от обоих акустических сенсоров. Этим обеспечивается стабильная конфигурация акустической тени на сенсорах 1 и 2 по отношению к акустическому шуму, идущему с широкого сектора "подгоризонтальных" направлений, что позволяет успешно подавить мешающие (неактуальные) шумы методом взаимокомпенсации в электрическом тракте устройства.
В зависимости от места установки заявляемого устройства и вероятного направления прихода акустических помех козырек может иметь различную конфигурацию: проекция козырька 3 на горизонтальную плоскость может образовывать прямоугольный, или С-образный (фиг. 2), или круглый контур (фиг. 3). Например, для обеспечения сектора азимутального обзора до 180 градусов конструктив устройства (включая акустические сенсоры) может располагаться непосредственно на плоском элементе конструкции, например, на стене сооружения или опоре моста. В этом случае звуконепроницаемый козырек в горизонтальной проекции конструктивно образует прямоугольный или С-образный контур, торцом прилегающий к стене. Для обеспечения панорамного (кругового) обзора звуконепроницаемый козырек в горизонтальной плоскости самозамкнут, фиксируется на заданном уровне вертикальной опорой, проходящей через центр горизонтальной проекции козырька. В верхней части этой опоры размещаются акустические сенсоры. Конструкция может быть развернута либо на открытой местности выше уровня объектов, создающих акустические препятствия, либо на верхнем уровне сооружений (например, на крыше здания). Приведенными вариантами возможности конструктивного исполнения не ограничиваются.
В качестве акустических сенсоров 1, 2 могут использоваться микрофоны или динамические головки. Акустические сенсоры 1, 2 могут размещаться как в отдельных звукопроницаемых кожухах (фиг. 2), так и быть заключеннными в общий кожух 12, и закрепляться на опоре 13, общей для всей конструкции (фиг. 3). Расстояние Н между акустическими центрами сенсоров 1 и 2 определяет чувствительность устройства к полезному сигналу в заданном диапазоне частот с учетом направления приема (больший вертикальный разнос соответствует большей интегральной чувствительности), при этом величина H ограничена условием Н<С/В, где С - скорость звука, В - верхняя граница рабочего диапазона частот. Так, при верхней рабочей частоте Fв=400 Гц вертикальный разнос ограничен значением 0,8 м. Блок обработки электрических сигналов 4 включает узлы балансировки 7 и 8, вычитающее устройство 9, широкополосный фильтр 10 с прозрачностью в диапазоне от нижней Fн до верхней Fв рабочей частоты, узел принятия решения 11. Узлы балансировки 7, 8 представляют собой линейные усилители с возможностью независимой установки в каждом канале коэффициента усиления, амплитудно-частотной и фазочастотной зависимостей. Вычитающим устройством 9 может быть, например, дифференциальный усилитель. Узел принятия решения 11 может представлять собой пороговое устройство, формирующее команду предупреждения ("Угроза") при превышении сигналом на его входе заданного (порогового) значения.
Сечение козырька 3 в вертикальной плоскости представляет собой треугольник с основанием АС и высотой BD (фиг. 4), причем точка В в сечении козырька 3 равноудалена от сенсоров 1 и 2, обеспечивая равенство длин акустических путей от точки В к центру сенсора 1 и от точки В к центру сенсора 2. Угол наклона участка ВС выбирается из соображений непопадания акустических отражений от стены или от противолежащей части конструкции на сенсоры 1 и 2. Предельное значение угла, полученное из этих соображений, составляет 30 градусов; выбор близкого к предельному значению является оптимальным для минимизации массогабаритных характеристик устройства. Наклон участка АВ выбирается таким образом, чтобы в продолжение прямой, проходящей через эти две точки, оба сенсора находились ниже нее, то есть в зоне акустической тени источников фоновых помех (фиг. 4). Задаваемое ориентацией участка АВ направление определяет линию "горизонта приема".
При соблюдении указанных условий ширина козырька (габарит АС) для частотного диапазона 200-400 Гц составит около 2 метров.
Балансируется устройство по сигналам, приходящим с направлений ниже линии "горизонта приема", по критерию максимального подавления сигналов в полосе рабочих частот. Коэффициент передачи узла 8 сбалансированного тракта превышает коэффициент передачи узла 7 в среднем на 2,5 дБ в указанном частотном диапазоне (около 2 дБ для частоты 200 Гц, около 2,5 дБ для частоты 300 Гц и около 3 дБ для частоты 400 Гц).
Работает устройство следующим образом.
Для акустических волн, приходящих снизу (рокот транспорта, шум уличной толп и пр.), в общем случае - мешающие звуки с направлений, ограниченных снизу линией АВ (фиг. 4), приемные сенсоры 1 и 2 находятся в зоне тени от козырька 3 (на фиг. 4 "зона тени" обозначена именно для этого случая). Часть энергии приходящих с нижнего направления волн переотражается от козырька 3 вниз и в стороны. Другая ее часть дифрагирует на точке А, распространяется вдоль участка АВ, выполняющего роль звуковода, затем еще раз дифрагирует на точке В и, расщепляясь, попадает на сенсоры 1 и 2. Расположением сенсоров обеспечивается равная протяженность акустических путей В1 и В2. Нейтрализация этих шумовых составляющих, сбалансированных до необходимой степени узлами 7 и 8, происходит в устройстве 9.
Таким образом, наличие козырька из звуконепроницаемого материала, выполнение из восходящего и нисходящего элементов под акустическими сенсорами изменяет локальную конфигурацию акустического поля, обеспечивая равномерное и синфазное распределение подгоризонтального фона в зоне расположения обоих сенсоров. В блоке обработки 4 происходит взаимная компенсация электрических сигналов сенсоров, наведенных подгоризонтальной составляющей акустического фона. В результате принимаемый с «надгоризонтальных» направлений сигнал освобождается от влияния мешающего «подгоризонтального» шума.
Аналогичная ситуация имеет место для звуковых волн, приходящих с «подгоризонтальных» боковых направлений (фиг. 4, линия волнового фронта ф135). Таким образом, обеспечивается нечувствительность заявляемого устройства по отношению к сигналам, приходящим "снизу" и с "нижнебоковых направлений".
Сигнал от источника звуковой волны, приходящей к точке В с направления, выше "горизонта приема" (фиг. 4, линия фронта ф105), приходит на сенсор 1 уже непосредственно, по прямой |з1|. Из-за этого амплитуда сигнала на выходе сенсора 1 оказывается большей, чем на выходе сенсора 2. Сенсор 2 продолжает оставаться в зоне акустической тени для этой волны; ее путь к сенсору 2 состоит из двух частей, |жВ|+|В2|. Кроме того, для данного направления прихода разность акустических длин уже не является нулевой: |з1|<|жВ|+|В2|. Оба фактора - амплитудный и фазовый - приводят к разбалансу в канале приема, а следовательно, к возникновению некомпенсируемой составляющей на выходе вычитающего устройства 9. Чем больше угол между направлением распространения звука и линией АВ (на фиг. 4 показаны направления движения волнового фронта под углом 75 и 60
град, т.е. слева-сверху), тем больше разность хода лучей при дополнительном разбалансе по интенсивности звука, и тем больший по величине сигнал поступает на узел принятия решения 11.
Экспериментально снятая зависимость выходного напряжения на входе узла 11 от направления угла прихода звука отображена таблицей.
Экспериментально подтвержденная эффективность подавления подгоризонтальных составляющих шумового фона достигает 30 дБ и более, что увеличивает дальность обнаружения БПЛА примерно в тридцать раз.