ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ ДВИЖУЩЕГОСЯ МОРСКОГО ОБЪЕКТА
INTERFERENCE DETECTOR OF MOVING SEA OBJECT

Изобретение относится к гидроакустическим сигнальным устройствам и может быть использовано для обнаружения движущегося малошумного морского объекта в условиях мелководья.
Известно устройство для тревожной сигнализации, содержащее последовательно соединенные генератор сверхвысоких частот с передающей антенной, приемную антенну, амплитудный детектор принимаемого сигнала. (Патент 2124232 Российской Федерации, МПК 6 G08B 13/24. Устройство для тревожной сигнализации/ Трефилов Н.А., Николаенко В.А., Шеремето Ю.Ю., Елягин С.В., Маргелов А.А., патентообладатель Ульяновский государственный технический университет Российской Федерации. - №96102923; заявл.15.02.1996; опубл. 27.12.1998. - 1С.: ил.).
Известное устройство вырабатывает сигнал тревоги при появлении дополнительного предмета в охраняемом объекте, а также при исчезновении или перемещении объектов. В зарегистрированном сигнале появляются составляющие с новыми флуктуирующими амплитудной и фазовой характеристикой, которые изменяют амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики области пространства охраняемого объекта. При сравнении амплитудно-частотной или фазочастотной характеристики с первоначальной микропроцессорный модуль вырабатывает сигнал "тревога" в соответствии с заданным критерием.
Недостатком описанного устройства является то, что работа устройства предполагает его работу в пространстве, ограниченном статически неподвижными границами и имеет низкую помехоустойчивость в случае наличия подвижных границ охраняемой области.
Эти недостатки устранены другим известным устройством для обнаружения движущегося морского объекта, выбранным в качестве аналога, содержащим блок излучения в составе последовательно соединенного генератора высоких частот и излучающего антенного устройства, блок обработки сигналов, в состав которого входит два приемных канала, каждый из которых содержит последовательно соединенное приемное антенное устройство и согласующее устройство, а также вычитающее устройство и адаптивный фильтр. (Патент 68733 Российской Федерации, МПК G08B 3/00, G08B 31/00. Устройство обнаружения движущегося морского объекта / Калашников И.И., Колмогоров B.C., Сенченко А.Г., Юрченко Е.Н.; патентообладатель Тихоокеанский военно-морской институт имени С.О. Макарова. - №2007126542/22; заявл. 11.07.2007; опубл. 27.11.2007, бюл. №33).
Известное устройство вырабатывает сигнал тревоги при появлении движущегося морского объекта в охраняемом водном пространстве. При этом в отраженном от морского объекта сигнале появляется составляющая с переменной, флуктуирующей амплитудой, в сравнении с первоначальной. Известный аналог вырабатывает сигнал тревоги о наличии движущегося морского объекта в охраняемой зоне.
Недостатком описанного аналога является то, что при работе устройства в водную среду излучается высокочастотный сигнал одной частоты, а высота водной поверхности во времени изменяется, поэтому для квазикогерентного отражения высокочастотного сигнала от морской поверхности и образования устойчивой интерференционной картины необходимо изменять частоту излучаемого акустического сигнала в зависимости от волнения моря, что в аналоге не предусмотрено и тем самым может вызвать необнаружение движущегося объекта.
Эти недостатки устранены другим известным интерференционным обнаружителем движущегося подводного объекта, наиболее близким к заявленному изобретению техническим решением для обнаружения движущегося малошумного морского объекта и выбранным в качестве прототипа. Прототип содержит блок излучения, в состав которого входит генератор высоких частот и излучающее антенное устройство, блок обработки сигнала, в состав которого входит канал перестройки частоты, содержащий приемное антенное устройство, согласующее устройство, блок фильтров и блок расчета и сравнения функции когерентности, и два аналогичных приемных канала, каждый из которых содержит приемное антенное устройство, блок фильтров и согласующее устройство, а также вычитающее устройство и адаптивный фильтр. Кроме того устройство содержит амплитудный детектор, регистрирующее устройство и блок отображения информации. (Патент 2474881 Российской Федерации, МПК G08B 3/10, H04L 29/06. Интерференционный обнаружитель движущегося подводного объекта/ Колмогоров B.C., Долгих В.Н., Викторов Р.В., Шпак С.А., Плюхин В.В., Ламека А.П.; патентообладатель Открытое акционерное общество «Дальприбор». - №2011134154/08; заявл. 12.08.2011; опубл. 10.02.2013).
Известный прототип вырабатывает сигнал тревоги, при появлении морского объекта в охраняемой зоне водного пространства и в регистрируемом сигнале появляется составляющая с переменной, флуктуирующей амплитудой. Полученный в вычитающем устройстве разностный амплитудный сигнал поступает на вход амплитудного детектора для выделения амплитудной огибающей сигнала с переменной амплитудой. Известный прототип вырабатывает сигнал тревоги о наличии движущегося объекта в охраняемой зоне.
Недостатком описанного прототипа является то, что при работе устройства прием регистрируемого сигнала с переменной флюктуирующей амплитудой осуществляется только двумя приемными антенными устройствами, с произвольным, не определенным местом установки относительно друг друга.
На устранение этого недостатка направлено заявленное изобретение, технической задачей которого является: создание нового акустического устройства для обнаружения движущегося малошумного морского объекта в условиях мелководья с учетом изменяющегося волнения моря и изменяющейся сигнально-помеховой обстановки в морской акватории.
Реализация поставленной технической задачи позволяет добиться следующего технического результата:
- создано новое гидроакустическое устройство для обнаружения движущегося малошумного морского объекта в условиях мелководья с учетом изменяющегося волнения моря и изменяющейся сигнально-помеховой обстановки в морской акватории для защиты кораблей, судов в гаванях и портах, а также портовых и других подводных сооружений в охраняемом водном пространстве.
Для достижения указанного технического результата предложен «Интерференционный обнаружитель движущегося морского объекта», содержащий последовательно соединенные генератор и излучающее антенное устройство, с возможностью передачи излученного сигнала на вход блока обработки сигналов. В него входит канал перестройки частоты, включающий последовательно соединенное приемное антенное устройство, согласующее устройство и блок фильтров, а также аналогичный первый, второй и дополнительно введенный N-ый приемный канал, включающие соответствующие последовательно соединенные приемные антенные устройства, соответствующие блоки фильтров и согласующие устройства. Канал перестройки частоты содержит также блок расчета и сравнения функции когерентности, выход которого параллельно соединен с первым входом первого блока фильтров, первым входом второго блока фильтров и с первым входом N-ого блока фильтров, соответственно включенных в первый приемный канал, второй приемный канал и N-ый приемный канал. Выход первого согласующего устройства параллельно соединен с первым входом адаптивного фильтра и первым входом дополнительно введенного блока расчета функций взаимной корреляции и принятия решения. Выход второго согласующего устройства соединен со вторым входом блока расчета функций взаимной корреляции и принятия решения. Выход N-ого согласующего устройства соединен с N-ым входом блока расчета функций взаимной корреляции и принятия решения, выход которого соединен со вторым входом адаптивного фильтра. Выход адаптивного фильтра соединен через амплитудный детектор с входом регистрирующего устройства, выход которого соединен с входом блока отображения информации.
Принципиальным отличием заявленного изобретения от прототипа является то, что устройство дополнительно содержит блок расчета функций взаимной кореляции и принятия решения, а блок обработки сигналов дополнительно содержит N-oe количество приемных каналов аналогично соответствующих первому и второму приемному каналу блока обработки сигналов, включающих последовательно соединенное N-oe приемное антенное устройство, N-ый блок фильтров, N-oe согласующее устройство.
Предложенное устройство экспериментально обосновано.
Экспериментальные исследования предполагали фоновую запись с выхода амплитудных детекторов двух приемных преобразователей при отсутствии движущегося подводного объекта в озвученной зоне морского пространства. Затем подводный объект входил в область одного из гидрофонов, второй в это время давал информацию о помехе. После записи сигналов с двух гидрофонов в отдельные файлы производилась их обработка с использованием разработанной схемы, в основе которой был использован адаптивный фильтр.
1,2
На фиг. 1 представлены результаты измерения коэффициента взаимной корреляции Р сигналов, принятого 1-м и 2-м гидрофоном на различных частотах излучения (10; 15 и 20 кГц), расположенные на расстоянии 80 м друг от друга в условиях отсутствия прохода пловца при повышенном уровне волнения в водной акватории. Результаты обработки излученных сигналов (частотой 10; 15 и 20 кГц) при проходе пловца в условиях повышенного волнения показаны на фиг. 1 а, б, в.
1,2
Как видно из фиг. 1, при излучении ВЧ сигнала 10 кГц коэффициент взаимной корреляции R между сигналами, записанными с двух гидрофонов в условиях отсутствия прохода пловца близок к единице. На этой частоте происходит выделение сигнала от прохода подводного пловца (фиг. 1, а). При низком коэффициенте корреляции, который наблюдался на частотах 15 и 20 кГц, сигнал от прохода пловца не был зарегистрирован. Низкий коэффициент корреляции на частотах излучения 15 и 20 кГц может быть объяснен высоким параметром Релея для этих частот, характеризующим соотношение длин волн - излученной гидроакустической и гидродинамической волны морской поверхности. Если параметр Релея большой, как это наблюдалось при проведении данного эксперимента для частот 15 и 20 кГц, то отраженный гидроакустический сигнал от взволнованной поверхности водной акватории будет характеризоваться в основном рассеянной составляющей (поверхность водной акватории нельзя считать гладкой). Отсутствие когерентной составляющей в отраженном от поверхности воды гидроакустическом сигнале не позволит создать интерференционную картину, а также затруднит подавление некоррелированной помехи адаптивным фильтром. Это, как видно на фиг. 1, приводит к неэффективности предложенного метода регистрации прохода движущегося объекта на определенных частотах излучения.
В данных условиях сигнально-помеховой обстановки используемый в представленном эксперименте нерекурсивный фильтр типа LMS (Least Mean Square) позволил скомпенсировать помеху и повысить соотношение сигнал/помеха.
Результаты экспериментальных исследований при регистрации прохода подводного пловца представлены на фиг. 2.
На фиг. 2 видно, что адаптивная обработка принятого гидрофоном сигнала позволяет выделить проход подводного пловца на фоне помехи, возникающей при отражении сигналов от взволнованной поверхности. Следует отметить, что при выработке сигнала ошибки в адаптивном фильтре большую роль играют статистические свойства входных акустических сигналов, которые определяются как частотой излучения, так и условиями их распространения в морской среде при отражении от взволнованной поверхности.
Такое конструктивное решение изобретения за счет отличительных признаков дало следующий новый технический эффект:
Использование дополнительно N-ого количества приемных каналов совместно с блоком расчета функций взаимной корреляции и принятия решения расширило конструкционно-технологические возможности изобретения, в результате которых заявленное устройство на основе расчета функций взаимной корреляции и принятия решения производит выбор оптимальных пар приемных каналов, которые необходимы для выработки опорного сигнала помехи в адаптивном фильтре.
В результате повысилась эффективность компенсации фоновых гидроакустических помех в адаптивном фильтре, расширилась зона охраняемого водного пространства и повысилась помехоустойчивость при обнаружении движущегося морского объекта.
Сущность изобретения поясняется чертежом: Интерференционный обнаружитель движущегося морского объекта.
Функциональная схема
На схеме представлено:
1. Блок излучения
1.1 Генератор
1.2 Излучающее антенное устройство
2. Блок обработки сигналов
2.1 Канал перестройки частоты
2.1.1 Приемное антенное устройство
2.1.2 Согласующее устройство
2.1.3 Блок фильтров
2.1.4 Блок расчета и сравнения функции когерентности
2.2 Первый приемный канал
2.2.1 Первое приемное антенное устройство
2.2.2 Первый блок фильтров
2.2.3 Первое согласующее устройство
2.3 Второй приемный канал
2.3.1 Второе приемное антенное устройство
2.3.2 Второй блок фильтров
2.3.3 Второе согласующее устройство 2.N N-ый приемный канал
2.N.1 N-oe приемное антенное устройство
2.N.2 N-ый блок фильтров
2.N.3 N-oe согласующее устройство
3. Блок расчета функций взаимной корреляции и принятия решения
4. Адаптивный фильтр
5. Амплитудный детектор
6. Регистрирующее устройство
7. Блок отображения информации
Все конструктивные элементы в блоке излучения 1, в блоке обработки сигналов 2, а также амплитудный детектор 5, регистрирующее устройство 6 и блок отображения информации 7 соединены электрическими связями. Блок излучения 1 соединен с блоком обработки сигналов 2 посредством акустической связи через водную среду. В качестве устройства формирующего сигналы использован цифровой генератор 1.1, генерирующий мультитональные сигналы, которые поступают на антенное устройство 1.2. В качестве излучающего антенного устройства 1.2 использован излучающий электроакустический элемент с возможностью передачи акустических сигналов в водную среду. В блоке обработки сигналов 2 сформированы канал перестройки частоты 2.1 и N идентичных приемных канала 2.2, 2.3… 2.N. В блоке обработки сигналов 2 выход приемного антенного устройства 2.1.1 последовательно соединен с входом согласующего устройства 2.1.2, выход которого соединен с входом блока фильтров 2.1.3, выход которого соединен с входом блока расчета и сравнения функции когерентности 2.1.4 для формирования канала перестройки частоты 2.1, выход которого параллельно соединен с первым входом первого блока фильтров 2.2.2, первым входом второго блока фильтров 2.3.2 и первым входом N-ого блока фильтров 2.N.2, которые дополнительно включены в первый приемный канал, второй приемный канал и N-ый приемный канал соответственно. Канал перестройки частоты использован с возможностью приема излученного акустического сигнала его обработки и выработки управляющего электрического сигнала заданной частоты.
В блоке обработки сигналов 2 выход каждого приемного антенного устройства 2.2.1, 2.3.1, 2.N.1 аналогично последовательно соединен с первым входом соответствующих блоков фильтров 2.2.2, 2.3.2 и 2.N.2 для возможности пропускания принимаемого акустического сигнала оптимальной частоты, выходы которых соединены с входами соответствующих согласующих устройств 2.2.3, 2.3.3 и 2.N.3, для формирования пары идентичных приемных каналов 2.2 и 2.3…2.N. Выход первого согласующего устройства 2.2.3 параллельно соединен с первым входом адаптивного фильтра 4 и со вторым входом блока расчета функций взаимной корреляции и принятия решения 3, Первый приемный канал 2.2 параллельно соединен со вторым входом блока расчета функций взаимной корреляции и принятия решения 3 и первым входом адаптивного фильтра 4, выход второго согласующего устройства 2.3.3 соединен с первым входом блока расчета функции взаимной корреляции и принятия решения 3, выход N-ого согласующего устройства 2.N.3 соединен с N-ым входом блока расчета функции взаимной корреляции и принятия решения 3, для выбора второго приемного канала (2.3…2.N) на основе расчета максимального значения коэффициента взаимной корреляции между парой приемных каналов (2.2 и 2.3…2.N) подключаемого с выхода блока расчета функций взаимной корреляции и принятия решения 3 на второй вход адаптивного фильтра 4, с целью выработки последним нормированного сигнала, поступающего с выхода адаптивного фильтра 4 на вход амплитудного детектора 5.
Выход амплитудного детектора 5 соединен с входом регистрирующего устройства 6. Регистрирующее устройство 6 использовано с возможностью визуального отображения обработанного сигнала. Кроме того выход регистрирующего устройства 6 соединен с входом блока отображения информации 7 для документирования данных.
Устройство работает следующим образом
Для функционирования устройство снабжено общепринятым переносным или стационарным источником питания, расположенным на плавучем морском носителе или стационарно совместно с блоком излучения. При работе генератор 1.1, с помощью излучающего антенного устройства 1.2, в качестве которого использован электроакустический элемент, широко используемый в гидроакустике, излучает в водную среду исследуемого района многочастотные сигналы. В результате многократного взаимного отражения от взволнованной поверхности моря и дна волны различных частот облучают все пространство исследуемой области.
Опорная передаточная характеристика охраняемого водного пространства регистрируется каналом перестройки частоты 2.1 через последовательно соединенное приемное антенное устройство 2.1.1, согласующее устройство 2.1.2, блок фильтров 2.1.3 и блок расчета и сравнения функции когерентности 2.1.4. Регистрируемая опорная передаточная характеристика необходима для выработки в блоке расчета и сравнения функции когерентности управляющего электрического сигнала заданной частоты для настройки первого блока фильтров 2.2.2, второго блока фильтров 2.3.2 и N-ого блока фильтров 2.N.2 на оптимальную частоту приема.
Эта же опорная передаточная характеристика охраняемого водного пространства принимается вторым приемным каналом 2.3 и N-ым приемным каналом 2.N, включающие соответствующие последовательно соединенные приемные антенные устройства 2.3.1, 2.N.1, соответствующие блоки фильтров 2.3.2, 2.N.2 и соответствующие согласующие устройства 2.3.3, 2.N.3 настроенные на оптимальную частоту приема, которая будет необходима для выработки нормированного сигнала в адаптивном фильтре 4.
При появлении движущегося малошумного морского объекта в пространстве исследуемой зоны, первым приемным каналом 2.2 через последовательно соединенное первое приемное антенное устройство 2.2.1, первый блок фильтров 2.2.2, и первое согласующее устройство 2.2.3 настроенным на оптимальную частоту приема регистрируется «рабочая» передаточная характеристика пространства, в котором может предположительно находиться обнаруживаемый объект. Преобразованный за счет искажения интерференционной картины в морской акватории при появлении в охраняемой зоне морского объекта сигнал принимается вторым приемным каналом 2.3 и N-ым приемным каналом в составе блока обработки сигналов 2. Принятый преобразованный сигнал поступает на соответствующие входы блока расчета функций взаимной корреляции и принятия решения 3, где на основе нахождения максимального значения коэффициента взаимной корреляции принимается решение на подключение соответствующего приемного канала с выхода последнего на вход адаптивного фильтра 4. С выхода адаптивного фильтра 4 сигнал поступает на соответствующий вход амплитудного детектора 5. В случае превышения величины флуктуации амплитуды сигнала над выработанным порогом амплитуды нормированного сигнала на экране регистрирующего устройства 6 наблюдается отметка от биологического, техногенного, морского или пресноводного объекта и принимается решение об обнаружении сигнала о наличии морского объекта в охранной зоне.
При изменении высоты водной поверхности исследуемого района в блоке расчета и сравнения функции когерентности 2.1.4 вырабатывается новый управляющий электрический сигнал другой оптимальной частоты, который поступает на вход соответствующих первого блока фильтров 2.2.2, второго блока фильтров 2.3.2 и N-ого блока фильтров для настройки на эту оптимальную частоту приема соотвествующих приемных каналов 2.2,2.3 и 2.N.
При появлении движущегося морского объекта в охраняемой зоне (исчезновении или перемещении объектов), в преобразованном сигнале в точке расположения приемного гидрофона частотные составляющие начинают флуктуировать за счет изменения интерференционной картины в охраняемой области пространства. Полученный в адаптивном фильтре 4 сигнал с переменной амплитудой поступает на вход амплитудного детектора 5 для выделения амплитудной огибающей сигнала. В продетектированном сигнале появляются новые преобразованные амплитудно-частотные составляющие. После этого продетектированный сигнал поступает на вход регистрирующего устройства 6 для регистрации и документирования, полученных в результате исследования данных. Визуальное наблюдение принятого акустического сигнала происходит в блоке отображения информации 7, где происходит принятие решения о нахождении в исследуемой области движущегося малошумного морского объекта.
Заявленное изобретение представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как обеспечивает охрану биологических и техногенных морских и пресноводных объектов. Заявленное решение не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние окружающей среды.
Таким образом, заявленное изобретение «Интерференционный обнаружитель движущегося морского объекта» является новым гидроакустическим охранным устройством для обеспечения защиты кораблей, судов в гаванях и портах, а также портовых и других подводных сооружений.
Заявленное устройство обладает следующими достоинствами по сравнению с прототипом:
- повышается эффективность компенсации фоновых гидроакустических помех в адаптивном фильтре за счет вычисления взаимно-корреляционных функций по помехе между отдельными приемными антенными устройствами;
- повышается помехоустойчивость при обнаружении движущегося морского объекта путем выбора пар приемных антенных устройств, сигналы которых по помехе наиболее коррелированы в пространстве;
- расширяется зона охраняемого водного пространства за счет увеличения количества приемных антенных устройств.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной технике.