Способ классификации морских объектов пассивными гидроакустическими средствами
METHOD OF CLASSIFYING MARINE OBJECTS WITH PASSIVE HYDROACOUSTIC MEANS

Изобретение относится к области гидроакустики, может быть использовано при решении задач обработки сигнала морских объектов пассивными гидроакустическими средствами и предназначено для разделения обнаруженных объектов на два класса: приповерхностные и подводные.
К классу приповерхностных объектов относятся все источники излучения, расположенные близко к поверхности, например, надводные корабли, платформы для добычи углеводородного сырья и пр. К классу подводных объектов относятся заглубленные источники акустического сигнала, например, подводные лодки, необитаемые подводные аппараты, различные придонные промысловые и технические средства. Все названные антропогенные объекты производят шумоизлучение или осуществляют специальное излучение акустического сигнала с различными параметрами для наблюдения пространства или осуществления звукоподводной связи. Кроме того, в море могут существовать естественные источники акустического сигнала, такие как морские животные и природные явления, которые находятся на разных глубинах океана.
Известны способы [1, 2], позволяющие разделять объекты, обнаруженные гидроакустическими системами, на классы приповерхностных и подводных. Эти способы основаны на оценке и анализе глубины погружения объекта. Однако они работают в активном режиме по вторичному полю объекта, и не применимы в пассивных гидроакустических средствах, способных обеспечить скрытность наблюдения.
Известно устройство [3] в котором реализуется способ, позволяющий разделять объекты, обнаруженные шумопеленгаторными гидроакустическими системами, на классы приповерхностных и подводных. Этот способ также основан на оценке и анализе глубины погружения объекта. Эффективная классификация этим способом осуществима при условии точного знания гидрофизических условий распространения звука в океане на значительном удалении от наблюдателя, что не всегда возможно при современном состоянии оперативной океанологии. Кроме того, необходим расчет полевой картины в 3-D для больших пространств обнаружения объектов, что неприменимо при низком ресурсе ЦВК. При этом, указанный способ применим только для разделения объектов, обнаруженных по их шумоизлучению, и не применим для разделения объектов, обнаруженных по специально излучаемому ими акустическому сигналу.
Известен способ [4, 5], позволяющий определять «кажущуюся», без учета рефракции лучей, глубину объекта на основании оценок угла приема сигнала в вертикальной плоскости и расстояния до объекта. Недостатком способа является отсутствие учета траектории звуковых лучей. В результате, при больших расстояниях до объекта, когда реальная траектория луча отличается от прямолинейной траектории, заложенной в способ, оценка глубины во много раз превышает истинную глубину объекта [4].
Наиболее близким аналогом по выполняемым процедурам к предлагаемому изобретению является способ получения информации о шумящих в море объектах [6].
В способе-прототипе принимают акустический сигнал объекта гидроакустической антенной, как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях, формируя двумерный веер характеристик направленности. Это позволяет при дальнейшей обработке сигнала, наряду с другими параметрами, измерить направление прихода сигнала в вертикальной плоскости, что косвенным образом характеризует глубину погружения объекта.
В указанном способе, несмотря на заложенную способность определять угол прихода сигнала в вертикальной плоскости, отсутствует процедура разделения обнаруженных шумящих объектов на классы подводных и приповерхностных, что ограничивает область применения способа.
Задачей заявляемого способа является обеспечение возможности автоматического разделения объектов, обнаруженных на любом расстоянии по любым излучаемым ими сигналам, на классы подводных и приповерхностных независимо от характеристик этих сигналов, без увеличения состава измеряемых параметров сигнала и при использовании небольших вычислительных затрат.
Для решения поставленной задачи, в способ классификации морских объектов пассивными гидроакустическими средствами, в котором принимают акустический сигнал объекта гидроакустической антенной, расположенной на носителе с варьируемой глубиной погружения, и измеряют направление прихода сигнала в вертикальной плоскости, введены новые признаки, а именно:
предварительно измеряют профиль вертикального распределения скорости звука в текущих гидрофизических условиях С(h),
выбирают глубину установки носителя таким образом, чтобы скорость звука на горизонте носителя C(h=пр) была меньше скорости звука на горизонте вертикального раздела областей глубин нахождения двух классов объектов: приповерхностных и подводных C(h=пор),
перед измерением направления прихода сигнала в вертикальной плоскости устанавливают носитель на выбранную глубину,
формируют порог, разделяющий классы подводных и приповерхностных объектов по направлению прихода сигнала в вертикальной плоскости как интервал углов:
сравнивают измеренное направление прихода сигнала в вертикальной плоскости с порогом,
принимают решение о классе объекта - подводный, если измеренное направление сигнала в вертикальной плоскости попало в пороговый интервал углов, принимают решение о классе объекта - приповерхностный, в противном случае.
Техническим результатом изобретения является возможность при обнаружении морских объектов на любом расстоянии автоматически разделять их на классы подводных и приповерхностных независимо от характеристик принимаемого сигнала.
Покажем возможность достижения указанного технического результата предложенным способом.
Известно [7, 8], что в морской среде звуковой сигнал подвержен рефракции в вертикальной плоскости, т.е. распространяется не прямолинейно. Это связано с тем, что скорость звука зависит от параметров воды, которые, в свою очередь неоднородны по глубине. Наиболее существенно скорость звука зависит от таких параметров, как гидростатическое давление и температура. При увеличении гидростатического давления, что происходит при увеличении глубины, скорость звука монотонно увеличивается. При этом, нагревание поверхностного слоя воды, связанное с сезонными или суточными колебаниями температуры, может приводить к увеличению скорости звука в этом слое относительно скорости звука, обусловленной малым значением гидростатического давления. Для описания зависимости скорости звука от глубины в вертикальной плоскости вводят понятие - вертикальное распределение скорости звука, которое является основной характеристикой гидрофизических условий распространения звука в морской среде.
Вертикальное распределение скорости звука полностью определяет характер траекторий звуковых лучей. Согласно закону Снеллиуса [9], звуковые лучи отклоняются от прямолинейного распространения в сторону меньшей скорости звука, и претерпевает полное внутреннее отражение на горизонтах, где скорость звука выше скорости звука на горизонте нахождения источника. Угол приема в вертикальной плоскости, для которого звуковой луч претерпевает полное внутреннее отражение, можно рассчитать по формуле:
где C(h=пр) - скорость звука на горизонте приемника, C(h=пор) - скорость звука на горизонте вертикального раздела областей глубин нахождения двух классов объектов: приповерхностных и подводных. Указанное выражение справедливо при выполнении условия C(h=пр)<C(h=пор), которое может быть обеспечено путем выбора глубины установки носителя.
Многие лучи неоднократно претерпевают полное внутреннее отражение от областей в приповерхностном слое, в котором скорость звука больше, чем на горизонте подводного источника. Для таких лучей, распространяющихся от подводного источника, характерны углы прихода сигнала, близкие к горизонтальным. При этом для приповерхностного источника отсутствуют лучи с полным внутренним отражением на глубинах нахождения подводного источника. Это, в свою очередь, приводит к тому, что для лучей, распространяющихся от приповерхностного источника, при приеме характерны углы прихода сигнала, далекие от горизонтальных.
Таким образом, сигнал, распространяющийся от любого подводного объекта, независимо от расстояния до него всегда будет приходить к приемнику, расположенному на глубине с меньшей скоростью звука, с направлений, лежащих в некотором секторе (интервале) углов в вертикальной плоскости, близком к горизонтальному направлению. И наоборот, сигнал, распространяющийся от любого приповерхностного объекта, независимо от расстояния до него, будет приходить с направлений, лежащих вне этого сектора. Основываясь на законе Снеллиуса, расчет интервала углов, характерный для прихода сигналов в вертикальной плоскости от подводных объектов можно производить по формуле:
Таким образом, анализ угла прихода сигнала в вертикальной плоскости, проведенный совместно с анализом текущих гидрофизических условий, без привлечения других характеристик сигнала, позволит из всех обнаруженных на любом расстоянии морских объектов выделить класс подводных. Объекты, не попавшие в этот класс, можно считать приповерхностными. Именно это и позволяют осуществить операции заявляемого способа, основой которого является сравнение угла прихода сигнала в вертикальной плоскости с порогом, формируемым для текущих гидрофизических условий. При этом, использование закона Снеллиуса позволяет применить для формирования порога только профиль вертикального распределения скорости звука без построения траекторий звуковых лучей, что резко снижает вычислительные затраты относительно способов-аналогов.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство (фиг. 1) содержит две ветки блоков и блок, объединяющий обе ветки. В первой ветке последовательно соединены блоки: антенна 1 и блок 2 измерения угла прихода сигнала в вертикальной плоскости (ВП). Во второй ветке последовательно соединены блоки: устройство 3 измерения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) и блок 4 формирования порога. Выход второго блока 2 первой ветки и выход второго блока 4 второй ветки соединены с двумя входами блока 5 принятия решения о классе объекта.
Антенна 1, содержащая блок формирования веера характеристик направленности в вертикальной плоскости, и блок 2 измерения угла прихода сигнала в вертикальной плоскости являются известными устройствами, используемыми в прототипе. Устройство 3 измерения ВРС3 может быть заимствовано из [10]. В блоке 4 осуществляется расчет совокупности углов прихода звуковых лучей по известным методикам [7, 8]. Задачи, решаемые в блоках 2, 4, 5, могут быть реализованы программным образом в цифровом вычислительном комплексе современной гидроакустической системы [11].
С помощью предлагаемого устройства заявленный способ реализуется следующим образом.
Сигнал объекта принимается антенной 1, находящейся на глубине, выбранной по результатам измерения ВРС3 устройством 3, и поступает в блок 2, где осуществляется измерение угла его прихода в вертикальной плоскости. Измеренный угол прихода сигнала поступает в блок 5, куда одновременно поступает порог для классификации, сформированный в блоке 4. В блоке 5 осуществляется сравнение измеренного угла прихода сигнала с порогом, на основании которого принимается решение о классе объекта (приповерхностный или подводный). Согласно теории распространения звуковых лучей в качестве порога используется интервал, ограниченный двумя критическими значениями углов, при попадании в который звуковой луч претерпевает полное внутреннее отражение без выхода на поверхность. Если измеренный угол прихода сигнала в вертикальной плоскости попадает в пороговый интервал, то принимается решение о наблюдении подводного объекта. В противном случае, принимается решение о наблюдении приповерхностного объекта.
Порог, поступающий в блок 5, формируется в блоке 4.
Для этого предварительно в устройстве 3 осуществляется измерение профиля вертикального распределения скорости звука (ВРС3) по глубине. Измеренное ВРС3 поступает в блок 4, где осуществляется расчет порогового интервала углов в вертикальной плоскости на основании закона Снеллиуса. При этом, горизонт вертикального раздела областей нахождения двух классов может быть выбран различным, исходя из постановки конкретной задачи. Рассчитанный интервал углов поступает в блок 5 для принятия решения о классе объекта. Класс объекта считается подводным, если измеренный угол прихода сигнала в вертикальной плоскости попадает в пороговый интервал углов, или приповерхностным, если измеренный угол прихода сигнала не попадает в этот интервал.
Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной. Предложенный способ классификации морских объектов пассивными гидроакустическими средствами позволяет разделить обнаруженные морские объекты на классы приповерхностных и подводных при решении задач обработки сигнала акустического излучения объекта в гидроакустических системах.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Тимошенков В.Г., Войтов А.А. Патент РФ №2350983 от 27.03.2009. Способ определения глубины погружения объекта. МПК G01S 15/00
2. Либенсон Е.Б., Стреленко Т.Б. Патент РФ №2346295 от 10.02.2009. Активный гидролокатор. МПК G01S 15/06
3. Зеленкова И.Д., Волкова А.А, Никулин М.Н. Патент РФ №2590933 от 16.06.2016. Устройство получения информации о шумящем в море объекте. МПК G01S 3/80
4. Сташкевич А.П. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1966
5. Физические основы подводной акустики, под ред. В.И. Мясищева. М.: Сов. радио. 1955
6. Антипов В.А., Величкин С.М., Обчинец О.Г., Пастор А.Ю., Подгайский Ю.П., Янпольская А.А. Патент РФ №2353946 от 27.04.2009. Способ получения информации о шумящих в море объектах. МПК G01S 3/80
7. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики / Пер. с англ. - Л.: Судостроение.
1978
8. Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. -Л.: Судостроение. 1981
9. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике / Вальян Р.Х., Батаногов Э.В., Богородский А.В. и др Л.: Судостроение. 1989
10. Полканов К.И., Романов В.Ю., Смелов Д.А. Патент РФ №2208223 от 10.07.2003. Измеритель скорости звука в жидких средах. МПК G01H 5/00
11. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб.: Наука. 2004