Способ определения класса шумящего морского объекта
METHOD FOR DETERMINING THE CLASS OF A NOISY MARINE OBJECT

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к пассивным шумопеленгаторным станциям (ШПС), предназначенным для обнаружения подводных объектов (ПО) и надводных объектов (НО) по их шумоизлучению.
Наиболее сложной задачей, решаемой такими ШПС, является классификация обнаруженного объекта.
Методы классификации шумящих морских объектов (далее - объекта) приведены в работах [1-5]. Недостатком большинства из них является то, что они не применимы при малых отношениях сигнал/помеха (ОСП). В результате классификация объектов, обнаруженных ШПС на предельных дальностях обнаружения (т.е. при малых ОСП), оказывается малоэффективной.
В качестве прототипа выберем способ классификации обнаруженного шумящего объекта (далее - объекта), описанный в [5]. Он включает измерение уровня шумового сигнала и скорости изменения пеленга шумящей цели на выходе приемного тракта ШПС и принятие решения о классе цели с учетом текущих гидроакустических условий (ГАУ).
Достоинством прототипа является то, что он работоспособен на предельных дальностях обнаружения объектов (т.е. при малых ОСП). Недостатком прототипа является то, что во многих случаях скорость изменения пеленга с необходимой точностью измерить не удается ввиду того, что изменение пеленга за приемлемое время в этих случаях меньше ошибки измерения пеленга в ШПС. Эти случаи имеют место, когда объект находится на большой дистанции, на которой его пеленг практически не меняется при любых параметрах ее движения, либо когда объект и носитель ШПС (независимо от дистанции) движутся курсами и скоростями, при которых пеленг объекта также практически не меняется.
Ввиду этого актуальной является разработка способов классификации объектов, работоспособных в более широком диапазоне условий и, особенно, при малых ОСП.
Решаемая техническая проблема - повышение эффективности ШПС.
Достигаемый технический результат - повышение вероятности правильной классификации на предельных дальностях обнаружения объекта.
Технический результат достигается тем, что решение о классе объекта принимают с использованием измеренного значения вертикального угла прихода сигнала на входе приемной антенны, соответствующего максимуму энергии сигнала от объекта, с учетом текущих гидроакустических условий.
Обоснуем реализуемость и эффективность данного способа применительно к классификации объекта на классы ПО и НО.
Известно [6], что в многолучевом канале сигнал источника распространяется в виде множества лучей, углы в вертикальной плоскости прихода которых на вход приемной антенны ШПС зависят от гидроакустических условий и взаимного расположения по глубине объекта и носителя ШПС. Для распознавания класса объекта (ПО или НО) наиболее благоприятными гидроакустическими условиями являются условия, в которых скорость звука у поверхности моря (т.е. на глубине излучения сигнала надводным объектом) больше скорости звука на глубине погружения носителя ШПС. В этих условиях сигнальные лучи, излучаемые НО, приходят на приемную антенну ШПС вне сектора вертикальных углов, границы которого относительно горизонта рассчитываются по формуле [6]:
где
пов
нос
С, С - скорость звука у поверхности моря и на глубине погружения носителя ШПС, соответственно.
Данный факт проиллюстрирован на фиг. 1 и 2, на которых приведены зависимости от дистанции между объектом и носителем ШПС вертикальных углов прихода сигнальных лучей источников на вход антенны ШПС. Фиг. 1 соответствует гидроакустическим условиям, которые имеют место в летний период в мелких морях; фиг. 2 - условиям, которые имеют место в летний период в глубоких морях. Соответствующие вертикальные распределения скорости звука (ВРСЗ) приведены в верхней части обеих фигур. Левые графики зависимостей углов от дистанции соответствуют случаю, когда источником сигнала является НО, правые графики - когда источником сигнала является ПО.
Из рассмотрения графиков на фиг. 1 и 2 следует, что на всех дистанциях в окрестности угла 0° по вертикали может приходить только сигнал глубоко погруженного источника, т.е. ПО.
Данный эффект не проявляется, если скорость звука у поверхности моря не превышает скорость звука на глубине погружения носителя ШПС. Данное утверждение проиллюстрировано на фиг. 3, где приведены зависимости от дистанции между объектом и носителем ШПС вертикальных углов прихода сигнальных лучей источников на вход антенны ШПС в гидроакустических условиях, которые имеют место в зимний период в мелких морях. Из рассмотрения фиг. 3 следует, что сигнальные лучи как ПО, так и НО приходят на вход антенны ШПС во всем секторе вертикальных углов.
Реализация предлагаемого способа выглядит следующим образом.
1) В районе плавания периодически измеряется ВРСЗ.
2) При обнаружении шумящего объекта измеряются уровень сигнала от объекта и скорость изменения пеленга объекта.
3) По правилу, описанному в способе-прототипе, принимается решение  о классе объекта по уровню сигнала и скорости изменения пеленга объекта.
пов
нос
max
4) Если С>С, дополнительно измеряется вертикальный угол ψприхода максимума энергии сигнала от объекта на входе приемной антенны ШПС и принимается решение  о классе объекта по вертикальному углу прихода максимума энергии сигнала от объекта по правилу:
где
- пороговое значение вертикального угла прихода максимума энергии сигнала от объекта;
ψ
σ - среднеквадратическая ошибка измерения вертикального угла прихода максимума энергии сигнала от объекта, которая зависит от высоты приемной антенны, рабочего диапазона частот ШПС и используемого алгоритма измерения.
5) Решение  принятое по уровню сигнала от объекта и скорости изменения пеленга объекта, объединяется с решением  принятым по вертикальному углу прихода максимума энергии сигнала от объекта, следующим образом:
где К - объединенное решение, принятое по трем классификационным признакам.
Предлагаемый подход объединения решений (3) означает, что приоритет в принятии объединенного решения отдается решению по вертикальному углу прихода максимума энергии сигнала от объекта, поскольку оно базируется на фундаментальном законе распространения сигнала в морской среде.
Эффективность заявляемого способа подтверждена математическим моделированием, которое показало, что при дополнительном использовании для классификации вертикального угла прихода максимума сигнала от объекта в гидроакустических условиях, в которых скорость звука у поверхности моря превосходит скорость звука на глубине погружения носителя ШПС, средняя вероятность правильной классификации ПО и НО повышается на 0,03-0,06 при существенном изменении пеленга объекта на интервале измерения и на 0,11-0,13 при слабом изменении пеленга объекта в интервале измерения.
Таким образом, обеспечивается повышение достоверности классификации на предельных дальностях обнаружения морских объектов и достигается заявленный технический результат.
Источники информации:
1. Телятников В.И. Методы и устройства классификации гидроакустических сигналов // Зарубежная радиоэлектроника, 1979, №9, с. 19-38.
2. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы // СПб.: Наука, 2004.
3. Патент РФ №2685419
4. Патент РФ №2681432
5. Патент РФ №2681526
6. Акустика океана. Под ред. Л.М. Бреховских. // М.: Наука, 1974, 693 с.