СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ЦЕЛЕЙ ОТ СЛУЧАЙНЫХ РЕВЕРБЕРАЦИОННЫХ ПОМЕХ
METHOD FOR DETECTION OF TARGETS FROM ACCIDENTAL REVERBERATION DISTURBANCES

Изобретение относится к гидролокации и может быть применено для распознавания неподвижных и малоподвижных целей сложной геометрической формы (реальных морских объектов, дна или аквалангистов) от случайных реверберационных помех (объемной и поверхностной реверберации).
3
4
4
Известны способы и устройства распознавания целей по гидролокационным и радиолокационным сигналам от реверберационных помех (см. патент Франции №2524983 МКИ G01S 9/00, приоритет от 10.04.82; патент Швеции №2404231, МКИ G01S 9/00, публикация 25.05.79; международная заявка №86/01001, МКИ G01S 13/52, 7/23 публикация 13.02.86 г.; международная заявка №86/01000, МКИ G01S 7/52, 15/87 публикация 13.02.86 г.; заявка Франции №2525774, МКИ G01S 7/28, 15/00 публикация 28.10.83 г.; европейская заявка №0093057, МКИ G01S 15/52; патент США №4195359 MKИ G01S 9/66, 7/23 публикация 25.03.80 г. и др.).
В известных способах используется излучение зондирующих импульсов и прием отраженных сигналов. Устанавливаются пороги для обнаружения отраженных сигналов. В отдельных случаях измеряется дистанция от излучения до рассеивающих отражений. Анализируются спектры отраженных сигналов и распознаются реверберационные помехи от движущихся целей, отличающихся существенными доплеровскими смещениями спектра отраженных сигналов за счет движения целей.
Распознаются неподвижные и малоподвижные цели при условии существенного превышения уровней отраженных эхо-сигналов от целей над уровнем реверберационных помех.
В патенте Швеции №2404231 «Способ, позволяющий отличить сигналы от перемещающихся целей от сигналов, отраженных поверхностью воды» (МКИ G01S 9/00, публикация 25.05.79) излучают звуковые зондирующие импульсы и принимают отраженные сигналы. Измеряют спектры волн отражающей взволнованной поверхности воды и максимальный угол наклона этой поверхности относительно излучателя. Определяют максимально ожидаемое изменение расстояния между излучателем и поверхностью воды в отсутствие цели. Распознают только перемещающую цель по спектру отраженных сигналов, отличающихся от спектра сигналов, рассеянных взволнованной поверхностью, и по расстоянию до перемещающейся цели, отличному от дистанции между излучателем и взволнованной поверхностью воды.
Известен способ локации и обнаружения (патент РФ №2176401) подводной цели на охраняемой морской акватории, суть которого заключается в том, что с помощью сфокусированного излучения в месте предполагаемого расположения цели в охраняемой морской акватории излучают ударную звуковую волну или последовательность ударных звуковых волн. Отраженные от подводной цели звуковые волны вместе с излученными звуковыми волнами принимаются гидроакустическим приемником с остронаправленной характеристикой направленности. В результате обработки принятых сигналов выполняют обнаружение и сопровождение подводной цели. При этом обнаружение цели возможно, если уровень отраженного сигнала от нее существенно превышает уровень реверберационных помех.
Известен способ обнаружения подводных объектов на морском рубеже в мелком море (патент РФ №2161319), в котором излучают направленные в верхнее полупространство гидроакустические импульсы из ряда точек с известными координатами, расположенных на дне на линии рубежа, принимают отраженные от объектов эхо-сигналы в этих же точках и о месте положения объекта судят по координатам приемника, обнаружившего эхо-сигнал, излучают импульсы в соседних точках разной частоты на разных частотах и во всех точках одновременно, принимают в каждой точке эхо-сигнал собственной частоты и по меньшей мере двух других частот от соседних по линии излучателей с каждой стороны, расстояние между соседними точками приемоизлучения выбирают равным двойной глубине моря по линии рубежа, время прихода эхо-сигналов ограничивают временем прихода отраженных от поверхности моря импульсов на каждой из принимаемых в данной точке частот, а местоположение обнаруженного объекта уточняют по координатам излучателей, работающих на частоте принятых эхо-сигналов. Следят за уровнем прямых гидроакустических импульсов, принятых от соседнего излучателя, и при изменении этого уровня судят о появлении объекта вблизи дна. Однако этим способом не может быть обнаружен подводный объект или аквалангист, зависающий на поверхности или вблизи поверхности моря, а также аквалангист или подводный объект неподвижный или идущий с малой скоростью на фоне объемной реверберации, например рыбных скоплений.
Известен способ обнаружения подводных объектов, в основе которого лежит облучение контролируемого пространства набором тонально-модулированных сигналов, несущие и модуляционные частоты которых выбраны в соответствии с предполагаемыми размерами объектов, их положением относительно поверхности водоема и скорости (см. патент РФ №2008692). Принятый сигнал расфильтровывают, детектируют и по ослаблению соответствующих компонент сигнала судят о наличии и размерах объектов. Устройство для обнаружения подводных объектов содержит излучатель, усилитель мощности, задающий генератор, модулятор, блок набора несущих частот, блок набора модуляционных частот, приемную антенну, усилитель, многоканальный частотный фильтр, детектор, индикатор. Способ выявляет известный объект при превышении отраженного от него сигнала над уровнем реверберационных помех.
Известен способ обнаружения вторжения подводного объекта в контролируемую область водоема (патент США №4319349), использующий последовательное гидролокационное облучение различных зон контролируемого водоема и прием гидроакустических сигналов, отраженных от искомого подводного объекта гидроакустическим приемником, с последующим определением местоположения, курса и скорости движения объекта по параметрам принятого сигнала.
Известен способ обнаружения вторжения подводного объекта в контролируемую акваторию водоема (патент РФ №2150123), в котором с помощью гидроакустических отражателей, располагаемых по эллиптической поверхности, задают контролируемую область водоема. В фокусах эллиптической поверхности располагают гидроакустические излучатель и приемник. Излучатель выполняют в виде круговой гидроакустической антенны, а приемник, подключенный к индикатору кругового обзора, - с равномерной характеристикой направленности. Последовательно по различным направлениям излучатель формирует импульсы акустической энергии, которые за один и тот же промежуток времени достигают приемника, отражаясь от гидроакустических отражателей. На индикаторе кругового обзора формируется серия импульсов. При вторжении подводного объекта в контролируемую зону один из импульсов на индикаторе кругового обзора пропадает, что указывает на наличие цели. Последовательная обработка выходных сигналов позволяет определить курс и скорость движения цели. Этот способ будет давать ложные срабатывания при вхождении в охраняемый водоем рыб. Охраняемый водоем не может охватывать поверхность моря.
В качестве прототипа принимается патент Франции №2524983 «Способ и устройство для распознавания целей и подавления паразитных сигналов в радиолокационных и гидролокационных станциях» МКИ G01S 7/66, приоритет от 10.04.82 г.
В этом способе контролируемая станцией зона подразделяется по азимуту и дальности на несколько ячеек. Для каждой ячейки оценивается средняя мощность суммарной (шумовой и реверберационной) помех адаптивным способом. В результате этих оценок устанавливается порог в каждой ячейке, превышающий уровень суммарной помехи. Если уровень отраженного сигнала в ячейке превышает порог, то фиксируется присутствие цели. Дополнительно предусматривается подавление реверберационных помех и отраженных сигналов от неподвижных и малоподвижных целей, не имеющих доплеровского смещения спектров или имеющих малое доплеровское смещение. При этом диапазон скоростей малоподвижных целей, отраженные сигналы от которых подавляются вместе с реверберационной помехой, определяются шириной полосы подавляющего (режекторного) фильтра, настроенного на ширину спектра реверберационных помех. Движущие цели сортируются по нескольким диапазонам скоростей в зависимости от величины доплеровского смещения спектров отраженных от них сигналов.
Этот способ позволяет распознавать неподвижные и малоподвижные цели от реверберационных помех, но только в том случае, когда уровень отраженных сигналов от этих целей уверенно превышает уровень реверберационных помех, оцениваемый в отсутствие целей, на величину задаваемого порога.
Целью настоящего предложения является повышение помехоустойчивости распознавания неподвижных и малоподвижных целей сложной геометрической формы (морских подводных объектов, дна или аквалангистов) от объемной и поверхностной реверберации.
Цель достигается тем, что в способе распознавания целей от случайных реверберационных помех (включающем циклическое излучение зонирующих импульсов, прием отраженных сигналов, установление амплитудного первого порога для обнаружения отраженных сигналов на фоне шумовых помех и обработку отраженных сигналов) излучают зондирующий импульс с высоким разрешением по дальности, в каждом из двух соседних циклов лоцирования выделяют один или несколько отраженных сигналов по превышению их уровня над первым порогом в пределах временного строба, соизмеримого с длительностью отраженного сигнала от цели, выполняют их согласованную фильтрацию, выделяют огибающие и из их максимумов формируют одинаковые по амплитуде или пропорциональные амплитуде максимумов последовательности импульсов, например, прямоугольных, записывают эти последовательности импульсов в оперативную память, затем вычисляют взаимные корреляционные функции между соответствующими последовательностями импульсов, записанными в память в двух соседних циклах лоцирования, определяют и запоминают средний уровень каждой вычисленной взаимной корреляционной функции на участке определенной продолжительности и распознают цель, соответствующую двум отраженным сигналам в соседних циклах, для которых во взаимной корреляционной функции наблюдается максимум, превышающий ее средний уровень на величину задаваемого второго порога. При обработке сигналов за несколько циклов облучения усредняют вычисляемые взаимные корреляционные функции в соседних циклах и распознают цель по превышению максимума в усредненной взаимной корреляционной функции ее среднего уровня на величину задаваемого второго порога.
Существенными отличительными признаками заявляемого решения от известных технических решений и прототипа являются:
- вычисление взаимных корреляционных функций между соответствующими последовательностями импульсов, сформулированных из максимумов огибающих сжатых в согласованном фильтре отраженных сигналов, зарегистрированных в соседних циклах лоцирования цели;
- распознавание цели, соответствующей двум отраженным сигналам в соседних циклах лоцирования, для которых во взаимной корреляционной функции наблюдается максимум, превышающий ее средний уровень на величину задаваемого второго порога.
Таким образом, заявляемое решение обладает существенными отличиями.
j
j
j
Положительный эффект - повышение помехоустойчивости распознавания неподвижных и малоподвижных целей (морских подводных объектов - МПО, дна или аквалангистов) от поверхностной и объемной реверберации достигается за счет вычисления взаимной корреляционной функции между последовательностями импульсов, сформированными из максимумов огибающих сжатых сигналов, отраженных от цели на близких углах лоцирования (угол лоцирования между циклами облучения цели изменяется не более чем на 2-3°). Отраженные сигналы от цели состоят из суммы импульсов, задержки между которыми {τ} соответствуют расположению наиболее существенных по отражающей способности элементов объекта. При небольшом изменении угла лоцирования (2-3°) задержки между импульсами {τ} в отраженных сигналах изменяются незначительно. Эти задержки {τ} выявляются непосредственно в виде временных положений максимумов в огибающей отраженного сигнала при использовании короткого зондирующего импульса (пространственная длина которого существенно меньше длины цели) и в огибающей сжатого в согласованном фильтре отраженного сигнала при использовании сложного зондирующего импульса, например, с частотной модуляцией.
j
i
j
j
При использовании сложных зондирующих импульсов в согласованном фильтре выполняется сжатие отраженных сигналов. При применении коротких тональных зондирующих импульсов вместо согласованной фильтрации выполняют полосовую частотную фильтрацию отраженных сигналов. Устойчивость временных положений максимумов {τ} была доказана при выполнении многоальтернативного распознавания реальных подводных объектов сложной геометрической формы (Давыдов B.C. Оптимальное решающее правило для распознавания тел сложной геометрической формы по отраженным гидроакустическим сигналам. Труды IV Дальневосточной конференции «Акустические методы и средства исследования океана» АН СССР, Владивосток 1986 г.) Амплитуды этих максимумов менее устойчивы к изменению угла лоцирования. Поэтому из максимумов огибающей сжатого сигнала часто целесообразно формировать последовательность импульсов, одинаковых по амплитуде, например, прямоугольных. Тем самым выделяют из отраженного сигнала информацию о взаимном расположении наиболее существенных отражателей на корпусе подводного объекта. В двух отраженных от корпуса цели сигналах на близких углах лоцирования {τ} почти совпадают. Поэтому во взаимной корреляционной функции, вычисляемой между последователями импульсов, временные задержки между которыми почти совпадают и равны {τ}, наблюдается максимум. Этот максимум будет превышать средний уровень взаимокорреляционной функции в N раз, пропорционально числу совпадающих максимумов в двух последовательностях. Число этих максимумов равно числу наиболее существенных отражающих элементов корпуса объекта. Этот максимум не будет формироваться при вычислении взаимной корреляционной функции между последовательностями импульсов, построенными из случайных реверберационных помех (объемной и поверхностной реверберации), определяемых рассеянием зондирующих импульсов на движущихся по случайному закону рассеивателях (например, скоплений рыб, взволнованной поверхности моря). Для этих реверберационных помех отсутствует устойчивость временных положений максимумов {t} в соседних циклах лоцирования. Аналогично этот максимум не будет наблюдаться при вычислении взаимной корреляционной функции между последовательностями импульсов, сформированными из реверберационной помехи и отраженного от цели сигнала.
Для распознавания неподвижных и малоподвижных целей требуется определить превышение максимума во взаимной корреляционной функции над ее средним уровнем на величину задаваемого второго порога. При этом уровень реверберационных помех может быть соизмерим с уровнем отраженных от цели сигналов, так как за счет формирования одинаковых по амплитуде последовательностей импульсов исключается информация об уровнях отраженных сигналов и реверберационных помех. В прототипе для распознавания неподвижных и малоподвижных целей уровень реверберационных помех должен быть меньше уровня отраженных сигналов от цели на величину задаваемого порога.
Таким образом, в заявляемом решении допускается уровень случайных реверберационных помех (поверхностной и объемной реверберации), соизмеримый с уровнем отраженных от цели сигналов, превышающий допустимый уровень реверберационных помех в прототипе.
Следовательно, помехоустойчивость заявляемого решения выше, чем у прототипа и других известных способов распознавания неподвижных и малоподвижных целей на фоне реверберационных помех.
На фиг.1 приведен пример записи огибающих сжатых в согласованном фильтре зондирующего импульса, реверберационной помехи и отраженного от реальной цели сигнале, записанных во время ладожских испытаний, где
1 - огибающая сжатого зондирующего импульса;
2 - огибающая сжатой реверберационной помехи;
3 - огибающая сжатого отраженного сигнала.
На фиг.2 приведен пример распознавания цели, состоящей из нескольких отражателей, от случайной реверберационной помехи при использовании коротких зондирующих импульсов, где
1 - огибающая короткого зондирующего импульса в первом цикле излучения;
2 - огибающая реверберационной помехи и отраженного сигнала в первом цикле излучения;
3 - последовательности импульсов, сформированных из максимумов огибающих реверберационного и отраженного сигналов в первом цикле излучения;
4 - огибающая короткого зондирующего импульса во втором цикле излучения;
5 - огибающая реверберационной помехи и отраженного сигнала во втором цикле излучения;
6 - последовательность импульсов, сформированная из максимумов огибающих реверберационного и отраженного сигналов во втором цикле излучения;
7 - взаимная корреляционная функция между последовательностями импульсов, представленная в упрощенном виде.
На фиг.3 приведены:
mах
а) Гистограммы распределения максимумов огибающих взаимных корреляционных функций - ОВКФ S между эхо-сигналами и зондирующими импульсами, а также между реверберацией (режим №5 - II участок) и зондирующими импульсами.
б) Гистограммы распределения максимумов знаковых корреляционных функций
mах
r для эхо-сигналов и реверберации (режим №5 - II участок), полученных в соседних циклах облучения цепи.
Предложенный способ может быть реализован устройством, функциональная схема которого приведена на фиг.4.
1 - генератор зондирующих импульсов,
2 - усилитель мощности,
3 - приемоизлучающая антенна,
4 - распознаваемая цель,
5 - усилитель приемного тракта,
6 - первый компаратор,
7 - ждущий мультивибратор,
8 - ключевая схема,
9 - пеленгатор,
10 - счетчик импульсов,
11 - усилитель-ограничитель,
12 - согласованный фильтр,
13 - схема синхронизации,
14 - детектор,
15 - второй компаратор,
16 - устройство ввода данных,
17 - оперативная память,
18 - устройство вывода данных,
19 - коррелятор,
20 - линия задержки,
21 - интегратор,
22 - запоминающее устройство,
23 - вычитающее устройство,
24 - третий компаратор,
25 - индикатор.
j
На фиг.1 видно, что в реальных условиях уровень огибающей реверберационной помехи после ее сжатия в согласованном фильтре может превышать уровень огибающей сжатого отраженного сигнала. В данном примере в качестве зондирующего импульса был использован фазоманипулированный сигнал. Аналогичное превышение уровней огибающих сжатых в согласованном фильтре реверберационных помех над уровнем огибающих отраженных от целей сигналов наблюдается при использовании сложных зондирующих импульсов с другим видом модуляции (например, с частотной модуляцией). При этом наиболее распространенной реверберационной помехой является случайная помеха, определяемая объемной и поверхностной реверберацией (как в примере на фиг.1). При этом временные положения максимумов огибающей реверберационной помехи изменяются случайным образом от одного цикла излучения к другому. Напротив, временные положения максимумов {τ} в огибающей отраженных от цели сигналов изменяются незначительно при небольшом изменении угла лоцирования цели, что имеет место в соседних циклах облучения цели. Это свойство целей (МПО, дна и аквалангистов) предлагается использовать для их распознавания от случайных реверберационных помех (объемной и поверхностной реверберации). Этим способом можно распознавать рыбные косяки (объемную реверберацию) на фоне донной реверберации. Уровень шумовых помех, как правило, значительно меньше уровня реверберационных помех, что имеет место в примере на фиг.1.
n1
p
отр
j
j
р
отр
n2
На фиг.2 показаны огибающие коротких зондирующих импульсов 1, 4, излучаемые в двух соседних циклах лоцирования цели. Огибающие реверберационных помех и отраженных сигналов 2, 5 превышают первый порог U, устанавливаемый исходя из уровня шумовых помех. Сначала показан зарегистрированный в приемном тракте сигнал реверберационной помехи U, а затем - отраженный сигнал U. Из максимумов огибающих реверберационных помех и отраженных сигналов сформированы последовательности прямоугольных импульсов. На фиг.2 показано, что задержки между импульсами {τ} в последовательностях, сформированных из отраженных от цели сигналах, повторяются в двух соседних циклах облучения цели. Напротив, задержки между импульсами {τ} в последовательностях, сформированных из реверберационных помех, изменяются в двух соседних циклах. Взаимные корреляционные функции (знаковая) между последовательностями импульсов 7 показаны на фиг.2 в упрощенном виде. Взаимная корреляционная функция между последовательностями импульсов, сформированных из реверберационных помех К, не имеет ярко выраженного максимума. Во взаимной корреляционной функции, выполненной между последовательностями импульсов, сформированных из отраженных сигналов К, наблюдается максимум, превышающий средний уровень взаимной корреляционной функции, на величину второго порога U.
э
p
э
p
j
э
p
э
p
j
max
max
max
На фиг.3 представлен пример результатов обработки экспериментальных данных, полученных при проведении морских испытаний на Черном море. На верхнем графике (фиг.3а) приведены гистограммы распределения максимумов огибающих взаимных корреляционных функций - ОВКФ S(t) между сложными зондирующими импульсами и эхо-сигналами s(t) от тела сложной формы, а также между зондирующими импульсами и реверберацией s(t); здесь же дана вероятность правильного распознавания s(t) и s(t) по максимальному отклику согласованного фильтра S(t) с указанием в скобках доверительного интервала. На нижнем графике (фиг.3б) приведены гистограммы распределения максимумов знаковых корреляционных функций r() для эхо-сигналов s(t) и реверберации s(t), полученных по методу междуцикловой корреляционной обработки сигналов в двух соседних циклах облучения тела сложной формы; здесь же дана вероятность правильного распознавания s(t) и s(t) по максимальному значению знаковой корреляционной функции r() с указанием в скобках доверительного интервала. Видно, что метод междуцикловой корреляционной обработки сигналов позволяет значительно повышать вероятность правильного распознавания эхо-сигналов от тела сложной геометрической формы и реверберационных помех.
В устройстве, реализующем предлагаемый способ (фиг.4), генератор 1 по команде из схемы синхронизации 13 формирует зондирующие импульсы с высоким разрешением по дальности (короткие или сложные зондирующие импульсы). Эти импульсы усиливаются в усилителе мощности 2 и излучаются с помощью антенны 3. Отраженные от цели 4 сигналы и реверберационные помехи усиливаются в усилителе приемного тракта 5. Если принятые сигналы превышают первый порог, устанавливаемый исходя из уровня шумовой помехи, то срабатывает первый компаратор 6 и включается ждущий мультивибратор 7, который формирует импульс временного строба по длительности, соизмеримого с длительностью ожидаемого отраженного сигнала. Этот импульс открывает ключевую схему 8 и пропускает сигналы с выхода усилителя 5 на вход усилителя-ограничителя 11, нормирующего эти сигналы по амплитуде. После нормирования эти сигналы сжимаются в согласованном фильтре 12 (при использовании сложных зондирующих импульсов) или проходят через полосовой фильтр (являющийся согласованным для тональных зондирующих импульсов). С выхода согласованного фильтра 12 сигналы поступают на детектор 14, в котором выделяются огибающие принятых сигналов. Из максимумов этих огибающих формируются последовательности прямоугольных импульсов с помощью второго компаратора 15. Эти последовательности импульсов через устройство ввода 16 записываются в оперативную память 17 по командам из схемы синхронизации 13. В оперативную память записываются также величины пеленгов на цель, измеренных по каждому из принятых сигналов с помощью пеленгатора 9. Пеленгатор измеряет пеленг по двум отраженным сигналам, поступающим на его вход с двух фазовых центров антенны через два усилителя, заключенных в блоке усилителя приемного тракта 5. По запускающему импульсу от схемы синхронизации 13 включается счетчик импульсов 10, измеряющий дальность до цели путем подсчета импульсов между зондирующим (или запускающим его импульсом) и отраженным сигналом. Значение дальностей, измеренных счетчиком импульсов 10 для соответствующих отраженных сигналов, также запоминается в оперативной памяти 17. После записи в память всей указанной информации схема синхронизации 13 дает команду генератору зондирующих импульсов 1 на излучение следующего зондирующего импульса. В следующем цикле облучения цели аналогично в той же последовательности отрабатываются отраженные сигналы и реверберационные помехи и аналогичная информация записывается в оперативную память 17. Затем через устройство вывода данных 18 по команде из схемы синхронизации 13 соответствующие последовательности импульсов, записанные в двух соседних циклах, считываются и поступают в коррелятор 19, где вычисляются взаимные корреляционные функции. Средние уровни вычисленных взаимных корреляционных функций определяются на переднем участке продолжительностью не более одной трети ее длительности с помощью интегратора 21, запоминаются в запоминающем устройстве 22 и поступают на вычитающее устройство 23. В вычитающем устройстве вычисляется разность между текущими значениями взаимной корреляционной функции и ее средним уровнем. Текущие значения взаимной корреляционной функции поступают в вычитающее устройство через линию задержки 20. С выхода вычитающего устройства величина разности поступает на третий компаратор 24 и сравнивается со вторым пороговым значением. При превышении порогового значения срабатывает третий компаратор 24. Выходной сигнал компаратора 24 поступает в оперативную память 17 и дает разрешение на считывание из памяти пеленгов на цель и дальностей до цели, измеренных для двух отраженных сигналов в соседних циклах лоцирования, вызвавших появление указанного максимума во взаимной корреляционной функции. Эти значения пеленгов и дальностей для двух соседних циклов высвечиваются или регистрируются с помощью индикатора 25.
Предлагаемый способ позволяет повысить помехоустойчивость распознавания целей сложной формы (МПО, дна и аквалангистов) от объемной и поверхностной реверберации. Он не может быть использован для распознавания целей на фоне донной реверберации (например, подводных скал). Это способ является устойчивым к возможным искажениям отраженных сигналов за счет многолучевого распространения сигналов в море.