Способ определения координат движущихся источников излучения пассивным гидролокатором
METHOD FOR DETERMINING THE COORDINATE OF MOVING RADIATION SOURCES BY A PASSIVE HYDROLOCATOR

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в пассивной гидролокации, а также в плосковолновой гидроакустике, атмосферной акустике и пассивной радиолокации.
При пассивной локации одного или нескольких источников используют протяженные (широкоапертурные) системы приемников или антенн (приемные системы (ПС) и двухкоординатные индикаторы с дискретной координатной сеткой и статическим накоплением сигнала. При наличии нескольких источников в поле наблюдения возникает сложность выбора и затем слежения за положением на индикаторе их глобальных максимумов с точностью, достаточной для решения задач оператора, таких как наведение динамических устройств слежения, задач классификации и др. Для устранения этих недостатков необходимо более точное определение координат, чем интервалы дискретности координатной сетки и автоматическое слежение за ними от интервала к интервалу статического накопления за время Т.
Известны способы определения многомерных, в том числе двухмерных параметров сигналов [1]. Они основаны на использовании предварительно известных приближенных «опорных» значений искомых координат и определении к ним поправок путем когерентной обработки текущих измерений сигналов на приемниках антенны. Элементами этой обработки являются дискриминаторы [2], реагирующие на знак отклонения «опорного» значения координаты от оценки, полученной по текущей выборке. По точке перемены знака определяют величину отклонения и, используя его как поправку к «опорному» значению, определяют новое значение оценки координаты. Использование обратной связи в виде назначения новой оценки в качестве «опорной» позволяет реализовать измерение координат в следящем режиме.
Первым недостатком этого и других способов этого класса является то, что они сформулированы для плосковолнового поля и определения одной координаты - направления. Другим недостатком является то, что для наведения следящего устройства необходимо иметь предварительные значения искомых координат с достаточной точностью в пределах линейного участка выходной характеристики дискриминатора.
Третьим недостатком является то, что поправки к опорным значениям получают путем технически сложной фазовой, когерентной обработки текущих измерений сигналов на антенне, требующей значительных аппаратных и вычислительных ресурсов, и при наличии нескольких сигналов в поле наблюдения следить за их глобальными и локальными (боковыми) максимумами технически невозможно.
k
k
Известны способы нахождения промежуточных значений последовательности дискретных измерений, в частности «параболическая интерполяция» или «интерполяционная формула Лагранжа» [3]. При этом методе для определения промежуточных значений двух параметров двумерной дискретной последовательности измерений z(x, y) сначала интерполируют последовательность z(x, y) при фиксированном y, а затем по y относительно x.
Недостатками этого способа является то, что решение представлено в общем виде, для одноразмерных параметров и не предполагает решения конкретной задачи определения координат максимума двумерной последовательности измерений с разными размерностями и параметрами последовательностей. Также не предусматривается слежение за изменением параметров во времени.
i
0
0
1
1
n
n
k
k
a
a
a
Известны способы определения местоположения максимума дискретной последовательности измерений z(θ), при i=1, 2, …, N на шкале аргумента θ путем приближения ее многочленами Z(θ)=ϕ(θ)+ϕ(θ)+…ϕ по методу наименьших квадратов [3 с. 684], вычисления производной найденного приближения и нахождения ее нулевого значения на шкале аргумента θ. При двухмерной последовательности поступают так же, как в предыдущем аналоге: сначала находят приближение последовательности z(x, y) при фиксированном y, а затем по y относительно x. Недостатками этого аналога являются теми же, что у предыдущего аналога.
2
По количеству общих признаков наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ пассивного определения координат источников излучения по патенту [4], содержащий прием сигнала широкоапертурной приемной системой (ПС) из М≥3 приемников в зоне Френеля источника, (M-М)/2-канальную пространственно-временную обработку с P×Q выходными каналами и визуальное отображение отклика ПС на экране индикатора в виде сигнальной отметки (СО). Этот способ обеспечивает визуальное наблюдение источников излучения в виде их СО на двухкоординатном поле индикатора «направление/дальность», с прямым определением координат по положению максимума СО на его шкалах.
р
q
min
р
max
min
q
max
α
D
pq
Для этого в поле индикации организуют координатную сетку (КС) «направление-дальность»: α, D (р=1, …P, q=1, …Q) с требуемыми границами поля наблюдения «α≤α≤α; D≤D≤D» и с интервалами дискретности δ и δ. Каждому pq-му узлу КС соответствует канал пространственно-временной обработки (ПВО), выходное значение которого z поступает в pq-ю ячейку индикаторного массива размером P×Q, выводимого на КС индикатора.
mn
mn
mn
р
q
В каналах ПВО измеряют попарные взаимнокорреляционные функции (ПВКФ) сигнала C(τ) каждой m-й антенны с сигналом каждой другой n-й антенны, считывают значения C(τ), в точках τ=τ(pq), рассчитанных заранее, распределяют их по pq-м ячейкам узлов координатной сетки и суммируют с компенсацией попарных разностей времен распространения сигнала из точки поля наблюдения с координатами pq-го узла КС (α, D) с накоплением за время Т, после чего полученные суммарные значения для всех pq-x узлов выводят на координатную сетку индикатора, а координаты источников излучения определяют по положению максимумов их СО на координатных шкалах сетки. Цикл обновления информации в узлах КС равен Т.
Недостатком этого способа является дискретность представления отклика ПС на КС индикатора, которая может приводить к ошибкам при нахождении максимума отклика между узлами координатной сетки, особенно при изменении значений координат от цикла к циклу обновления информации (при движущемся источнике и/или носителе приемной системы).
Другим недостатком является необходимость оператору вручную следить за максимумом каждой СО, что при нескольких источниках, перемещающихся в поле наблюдения и имеющих дополнительные (боковые) максимумы СО, снижает эффективность работы оператора.
Кроме того, форма отклика ПС в способе-прототипе имеет особенную форму на двухкоординатном поле: сечение его главного максимума по направлению приблизительно симметрично, а сечение по дальности существенно асимметрично, причем эта асимметрия при малых дальностях невелика, а на больших дальностях увеличивается с одновременным увеличением ширины СО, что также снижает эффективность работы оператора.
Задачей изобретения является увеличение точности определения координат движущихся источников излучения широкоапертурной ПС по СО на индикаторе и увеличение эффективности работы оператора при наличии нескольких движущихся источников.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является определение координат движущихся источников с большей точностью, чем интервалы дискретности КС и обеспечение автоматического слежения за ними от цикла к циклу накопления.
р
q
α
D
pq
Для обеспечения указанного технического результата в способ пассивного определения координат источников излучения, содержащий широкоапертурную приемную систему (ПС) из М приемников с P×Q каналами пространственно-временной обработки (ПВО) с временем накопления Т и дискретной координатной сеткой (КС) в координатах направление/дальность [направление α (строки), дальность D (столбцы)] с заданными интервалами дискретности δ и δ соответственно, при этом в узлах КС отображают выходные значения каналов ПВО [z], которые образуют отклик ПС на сигнал источника в виде сигнальной отметки (СО) и последовательно по циклам накопления Т подаются на индикатор,
pqi
н0
н0
i=0
α
D
н0
н0
α
α
D
D
i=0
н0
pq1
н1
0
н1
0
pqi
*
*
введены новые признаки, а именно: используют временнýю последовательность выходных значений каналов ПВО [z], отображаемых на индикаторе (i=0, 1, 2, …) с интервалом T, организуют визир и координатные шкалы (КШ) с непрерывными значениями α и D. На первом цикле (i=0) наводят визир на видимый на индикаторе максимум СО, фиксируют его положение на КШ, определяя этим точку наведения α, D. Переходят в режим автоматического слежения, включающий выделение фрагмента КС из K строк и K столбцов, ближайших к α, D соответственно, с номерами k=1, …, K и k=1, …, K (считая столбцы от левой границы, а строки - от нижней границы фрагмента KC) соответственно. Уточняют положение максимума СО по направлению α, получая новое значение . Затем, используя , уточняют положение максимума СО по дальности, получая новое значение . На этом цикл слежения заканчивается. После этого переходят к следующему по циклам накопления Т отображению [z], автоматически назначая новую точку наведения α=α и D=D, и повторяют действия режима слежения последовательно по мере поступления очередных [z], каждый раз используют полученные на предыдущем цикле новые значения в качестве точки наведения на следующем i-м цикле слежения: , .
i
α
нi
α
α
α
i
D
α
D
D
нi
α
α
α
α
α
нi
αmax
нi
Для получения нового значения  на i-м цикле слежения определяют фрагмент новой строки КС по α с K узлами при дальности D=D. Для этого в каждом k-м узле (k=1, …, K) фрагмента КС считывают K значений  k-го столбца, k=1, …, K, находят в каждом столбце значение, соответствующее D=D, с использованием интерполяции и присваивают это значение k-му узлу искомой новой строки. В результате цикла по k получают последовательность из K значений Z(k, D=D), являющуюся искомым фрагментом новой строки по α. Находят максимум значений этого фрагмента строки Z(α, D=D) с использованием интерполяции и его положение на шкале направлений КШ принимают за новое значение направления .
D
D
D
D
i
α
D
α
α
D
D
D
Аналогичным образом для получения нового значения  определяют фрагмент нового столбца по D с K узлами при направлении , для чего в каждом k-м узле (k=1, …K) фрагмента КС считывают K значений  k-й строки с k=1, …, K, находят в каждой строке значение соответствующее  с использованием интерполяции и присваивают это значение k-му узлу искомого нового столбца. В результате цикла по k получают последовательность из K значений , являющуюся искомым фрагментом нового столбца по D. Находят максимум значений этого фрагмента столбца  с использованием интерполяции, а положение его на шкале дальностей КШ принимают за новое значение дальности .
α
α
нi
Использование интерполяции заключается в том, что для нахождения значений последовательностей , Z(k, D=D, ,  на непрерывной шкале их преобразуют в зависимости от непрерывного аргумента: , , , и  соответственно с использованием интерполяции методом приближения дискретной последовательности многочленом [3, с. 676] и вычисляют значения соответствующих кривых от непрерывного аргумента, не связанного с дискретной КС, а для определения положения их максимумов на непрерывных шкалах используют производные этих зависимостей по D и по α соответственно и находят положения максимумов по точке пересечения производными шкал D и α соответственно.
pqi
нi
нi
α
D
α
D
α
В
α
D
Технический результат обеспечивается тем, что слежение за максимумом СО во временной последовательности отображений циклически с интервалом Т поступающих с выходов ПВО [z] выполняется в непрерывных, а не в дискретных шкалах координат, при этом на каждом цикле их значения, принятые за начальные α, D уточняют по K×K измерениям в узлах КС в окрестностях вершины СО. K и K выбираются разработчиком пассивного гидролокатора исходя из известной ширины вершины СО в сечениях по α и по D и интервалов дискретности δ и δ, выбранных по известным разработчику параметрам ПС. Обычно для K и K достаточно 5÷8 значений.
α
α
нi
D
α
pqi
α
D
D
D
D
α
α
α
D
D
pqi
α
D
α
α
α
нi
α
α
α
α
α
α
α
н0
0
н
н
н
0
0
D
0
D
D
D
D
α
α
α
D
D
α
0
D
D
D
D
D
0
Dmax
0
0
α
α
нi
D
D
i
1
2
K
нi
*
*
*
*
*
*
*
*
*
Для уточнения координат используют фрагмент КС из строк и столбцов, ближайших к точке наведения, в котором определяют фрагмент новой строки по k с Kузлами при фиксированной дальности D=D и фрагмент нового столбца по k, которые в общем случае могут находиться между строками и столбцами дискретной КС. Значения в узлах новой строки определяют, используя в каждом k-м узле последовательность значений [z] в узлах соответствующего ему столбца по D, при p=k, q=k, k=1, … K. Имея в виду, что все сечения СО в пределах вершины и выбранного фрагмента КС как по направлению, так и по дальности являются гладкими унимодальными кривыми (на основании физики процессов и методов ПВО в [4]): (α, при D=D(k)) и (D, при α=α(k)), k=1, …, К, k=1, …K, которые представлены последовательностями измерений в узлах КС, их удобно преобразовать в зависимости от непрерывного аргумента, используя последовательности измерений [z] и интервалы дискретности δ и δ соответственно. Тогда значение в k-м узле новой строки z(k) определяют как значение зависимости  при D=D, а эту зависимость определяют известным методом приближения последовательности дискретных измерений. Вычислив значение , его присваивают k-у узлу новой строки z(k). Выполнив таким образом цикл по k=1, … K, получают последовательность значений в узлах новой строки [Z(k, при D=D)], используя интерполяцию находят описанным выше способом максимум новой строки и его положение на шкале α принимают за новое, уточненное значение α. Следует отметить, что пространственная избирательность ПС по направлению в десятки раз превышает избирательность по дальности, в то же время (по этой же причине) оставаясь малочувствительной к отклонению дальности D от истинного D (в пределах вершины СО), поэтому сначала уточняют α, а потом D. Используя уточненное значение α, получают новое значение D аналогично тому, как это делали при определении новой строки, а именно: строят фрагмент нового столбца по D с K узлами при направлении α=α (т.е. в уточненной точке на непрерывной шкале). Для этого в каждом k-м узле (k=1, … K) фрагмента КС считывают k-ю строку  из K значений  (k=1, …, K). Каждую строку преобразуют в зависимость  и определяют значение в k-м узле новой строки z(k) как значение зависимости  при α=α. Эту зависимость определяют по значениям, измеренным в узлах k-й строки  известным методом приближения последовательности дискретных измерений. Выполнив таким образом цикл по k=1, … K, получают последовательность значений в узлах нового столбца [Z(k, при α=α)]. Используя интерполяцию, находят максимальное значение полученного фрагмента столбца Z(D, при α=α), а положение его на шкале дальностей КШ принимают за новое значение дальности D. Для нахождения значений последовательностей , Z(k, D=D), , Z(k, α=α) на непрерывной шкале их преобразуют в зависимости от непрерывного аргумента , ,  и  соответственно с использованием, например, известного метода приближения последовательности дискретных измерений [z(x), z(х), …, z(x)] многочленом z(x) по интерполяционной формуле Лагранжа [4, с. 676]. А для нахождения максимумов (α, D=D) и  определяют их производные  и  по α и по D соответственно, а положения максимумов находят по точке пересечения производными шкал D и α соответственно.
pqi
нi
нi
α
D
α
D
нi
нi
нi
α
D
нi
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1-5. На фиг. 1 приведен пример блок-схемы устройства, реализующего заявляемый способ, на фиг. 2 приведен пример индикаторной картины 8, отображающей отклик ПС на поле сигнала [z], в плане с цветовым кодированием уровня, с сигнальной отметкой 9 одиночного источника излучения на индикаторе пассивного гидролокатора и визиром 10, а также графики сечений СО по α - 11 и по D - 12, проходящих через максимум СО. На фиг. 3 показана крупно вершина 13 сигнальной отметки 9 в аксонометрии с фрагментом координатной сетки 14 и фрагментами новой строки 15 и нового столбца 16, пересекающихся в точке α, D. Ha фиг. 4 - пример схематического изображения фрагмента координатной сетки 14 размером K строк, K столбцов, при K=6, K=8 с точкой наведения α, D и с фрагментами новой строки 15 для дальности D с K узлами и нового столбца 16 с K узлами для направления α; на фиг. 5 - пример индикаторной картины 8 с сигнальной отметкой 9 от движущегося источника сигнала и трассой 17 автоматического слежения за ее максимумом по предлагаемому способу.
Устройство (фиг. 1) содержит приемную систему 1 из М антенн 1.1 с М каналами предварительной обработки, выходы которых соединены в блоке 2 с каналами пространственно-временной обработки 2.1, соединенными по выходам с многоканальным накопителем 3, выходы которого соединены со входами буфера индикатора 4, который соединен с индикатором 5, и с вычислителем 6, который соединен с блоком управления 7 и индикатором 5.
Блоки 1-5 соответствуют схеме прототипа и известны из патента [4], блок 6 представляет собой программируемый процессор, блок 7 - устройство управления - программируемый контроллер.
i
нi
нi
С использованием устройства (фиг. 1) предложенный способ реализуется следующим образом. Шумы моря, содержащие полезный сигнал, принимаются приемной системой 1, содержащей М антенн и каналов предварительной обработки 1.1 (усиление, фильтрация, синхронное АЦП, БПФ), затем сигналы поступают в блок 2 включающий каналы взаимно-корреляционной межантенной обработки 2.1, образующие P×Q компенсированных пространственных каналов, выходы которых накапливаются с временем осреднения Т в блоке 3 в P×Q каналах 3.1, откуда циклически (i=1, 2, …) с интервалом Т поступают в буфер индикатора 4 (запоминающее устройство), связанный с индикатором 5 и вычислителем 6, который связан с пультом управления 7, из которого поступают координаты точки наведения, которую выбирает оператор на индикаторе 5, и дает команду начала автоматического слежения. Пример индикаторной картины 8 с сигнальной отметкой (СО) 9 и визиром 10 показан на фиг. 2, где также показаны для наглядности сечения СО по направлению 11 и по дальности 12, проходящие через максимум СО. По этим данным вычислитель 6 выбирает и фиксирует информацию фрагмента КС 14 в заданных 6×8 узлах. Фрагмент КС схематически показан на фиг. 3 - на изображении вершины СО в аксонометрии и на фиг. 4 - в плане, с фрагментом координатной сетки (пунктирный прямоугольник 14). В качестве примера здесь приведен фрагмент КС из 6 «столбцов» и 8 «строк» - всего 48 узлов, Далее определяют в этом фрагменте КС новые строку 15 и столбец 16 в непрерывной шкале вне дискретной КС с точкой пересечения в точке наведения α, D, (здесь i - индекс цикла накопления и обновления информации в буфере 4). На фиг. 4 эта новая строка проходит между 4-й и 5-й строками фрагмента КС, а новый столбец - между 3-м и 4-м столбцами фрагмента КС.
нi
α
нi
α
α
α
D
D
D
D
α
D
α
α
D
D
нi+1
нi+1,
Для определения новой строки 15 при дальности D=D используют непрерывные шкалы по α и D. Для первого узла новой строки (k=1, считая от левого края фрагмент КС 14) используют первый столбец из KD узлов (на фиг. 4 узлы первого столбца помечены ), преобразуют последовательность измерений в узлах столбца в зависимость от непрерывного аргумента. В частности, практически хороший результат обеспечивает интерполяционный метод Лагранжа [3]. Вычисляют значение , при D=D и присваивают это значение k-му узлу искомой новой строки. Заполнив таким образом узлы новой строки, преобразуют последовательность измерений в зависимость от непрерывного аргумента и находят ее производную  и точку пересечения ею оси α, для чего вычисляют значения производной , перебирая значения α с малым шагом, например d=δ/100, до получения значений, близких к нулю с удовлетворяющей точностью при некотором .. Имея уточненное значение , подобным же образом получают новое значение , определяя фрагмент нового столбца по D с K узлами при направлении , для чего в каждом k-м узле (k=1, … K, считая от нижнего края фрагмента КС 14) считывают K значений  k-й строки с k=1, …, K (на фиг. 4 первая строка, k=1 помечена ). Используя интерполяцию, переходят к зависимости от непрерывного аргумента и ее значение присваивают k-му узлу искомого нового столбца. Используя интерполяцию, значения в узлах нового столбца, преобразуют в зависимость от непрерывного аргумента, находят ее максимум, а положение его на шкале дальностей КШ принимают за новое значение дальности . Координаты ,  выдаются на индикатор 5 для представления оператору в цифровом виде или в виде точек, образующих трассу слежения, как на фиг. 5, фрагмент 17. По окончании i-го цикла накопления и смены информации в блоке 4 по команде, поступающей из блока 7, в блоке 6 повторяются действия режима слежения с новыми α, D равными ,  соответственно, полученными на предыдущем цикле.
Работоспособность предлагаемого способа подтверждена расчетами, моделированием и экспериментальными проверками на записях, сделанных при натурных испытаниях пассивных гидролокаторов в реальных условиях (например, см. фиг. 5).
Источники информации
1. Г.С. Малышкин. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Том 1. СПб.: «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011. С. 272, 279.
2. Г.В. Лоскутова, К.И. Полканов. Пространственно-частотные и частотно-волновые методы описания и обработки гидроакустических полей. СПб.: Наука, 2007. С. 148.
3. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике. М.: Наука, 1974. С. 676, 682, 684.
4. Патент РФ №2507531, кл. МПК G01S 3/80, опубликован 20.02.2014 г.