Способ адаптивной дихотомической классификации морских объектов
ADAPTIVE DICHOTOMOUS CLASSIFICATION METHOD OF MARINE OBJECTS

Изобретение относится к области гидроакустики, может быть использовано при решении задач обработки сигнала морских объектов пассивными и активными гидроакустическими средствами и предназначено для разделения обнаруженных объектов на два альтернативных класса.
Известны способы [1-3] распознавания морских объектов, обнаруженных по их первичному или вторичному гидроакустическому полю, на два альтернативных класса. Недостаток этих способов заключается в использовании порога, не учитывающего все особенности гидролого-акустической и помехо-сигнальной обстановки, что приводит к недостаточной эффективности классификации в натурных условиях.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ классификации морских объектов в типовой шумопеленгаторной станции [4].
В способе-прототипе выполняют следующие операции:
задают вид классификационной характеристики как отношение мощности принятого сигнала к угловой скорости объекта,
формируют теоретический порог классификации объектов на два класса относительно заданной классификационной характеристики в заданных гидролого-акустических условиях,
принимают сигнал объекта гидроакустической антенной,
определяют значение классификационной характеристики объекта,
принимают решение о классе объекта на основании сравнения его классификационной характеристики с порогом.
Способ позволяет при использовании одной классификационной характеристики, определяемой как отношение мощности принятого сигнала к угловой скорости объекта, разделять объекты на классы малошумных и сильношумящих в двумерном признаковом пространстве «шумность»-«скорость».
Недостаток способа заключается в сложности формирования порога при переходе от пространства «шумность»-«скорость», в котором порог С фиксирован на основании статистического описания классов объектов [5], к пространству «мощность принятого сигнала» - «угловая скорость объекта». В способе-прототипе предлагается при этом переходе использовать порог СА, представляющий собой произведение порога С на коэффициент А, характеризующий затухание сигнала при распространении в среде, и определяемый в предполагаемых гидролого-акустических условиях по теоретической методике [6]. Несмотря на то, что теоретически указанная методика позволяет учесть и вертикальное распределение скорости звука по глубине и отражающие и поглощающие свойства дна и поверхности, в реальных натурных условиях указанные параметры могут отличаться от среднестатистических или быть известны не полностью. Кроме того, методика не позволяет учесть помехо-сигнальную обстановку в районе, то есть наличие и структуру шумов мешающего судоходства или помех биологического происхождения. Все эти факторы приводят к тому, что порог СА, рассчитываемый теоретически, не позволяет эффективно разделять объекты в реальных натурных условиях.
Задачей изобретения является повышение эффективности классификации объектов, обнаруживаемых гидроакустическими средствами, в натурных гидролого-акустических условиях.
Для решения поставленной задачи в способ адаптивной дихотомической классификации морских объектов, в котором задают вид классификационной характеристики, формируют теоретический порог классификации объектов на два класса X и Y относительно заданной классификационной характеристики в заданных гидролого-акустических условиях и принимают его в качестве текущего порога, принимают сигнал первого объекта гидроакустической антенной, определяют значение классификационной характеристики первого объекта, принимают решение о классе первого объекта на основании сравнения его классификационной характеристики с текущим порогом,
введены новые признаки, а именно
создают два пустых массива измерений фиксированной длины по одному для каждого класса X и Y,
записывают в массив, соответствующий принятому решению о классе первого объекта, значение его классификационной характеристики,
принимают сигнал второго и последующих объектов,
определяют значения классификационных характеристик принятых объектов, принимают решение о классе принятых объектов на основании сравнения их
классификационных характеристик с текущим порогом,
дополняют массивы, соответствующие принятому решению о классе, значениями классификационных характеристик принятых объектов, используя для этого скользящие окна,
X
Y
X
Y
когда массивы заполнены полностью, формируют новый адаптивный порог классификации  где μ и μ - математические ожидания, a w и w - величины, обратные дисперсиям, для совокупности классификационных характеристик в массиве класса X и массиве класса Y, соответственно,
принимают полученный адаптивный порог в качестве нового текущего порога и обновляют его после каждого следующего заполнения массивов.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности классификации объектов в реальных натурных условиях, когда гидролого-акустические условия и помехо-сигнальная обстановка в морской среде не известны или известны частично.
Покажем возможность достижения указанного технического результата предложенным способом.
Гидроакустические средства, для которых применяется и способ-прототип и предлагаемый способ, никогда не используются для обнаружения одного единственного объекта. В акватории, в которой они применяются, всегда находятся несколько объектов, которые обнаруживаются и классифицируются гидроакустическими средствами последовательно. Это позволяет предложить использовать статистику, накопленную при классификации n-первых объектов, для классификации n+1 объекта, и так далее.
Физическая сущность заявляемого способа заключается в формировании порога классификации объектов для заданного вида классификационной характеристики на основании динамически обновляемого непосредственно в процессе работы статистического описания классов объектов. Например, для классификационной характеристики способа-прототипа [4], определяемой как отношение мощности принятого сигнала к угловой скорости объекта, теоретического описания классов объектов не существует, поскольку такое описание будет различно для разных гидролого-акустических и помехо-сигнальных условий. Для способов [2, 3], применяемых в пассивной и активной гидролокации, и использующих в качестве классификационной характеристики угол прихода сигнала в вертикальной плоскости, теоретическое описание классов объектов возможно, но оно не учитывает натурные помехо-сигнальные условия. А новые процедуры заявляемого способа позволяют создавать статистическое описание классов объектов, и, следовательно, формировать актуальный порог, в динамике своей работы, используя для этого классификационную характеристику первого, второго, и последующих объектов.
При использовании принципа максимального правдоподобия для формирования порога, разделяющего альтернативные классы, достаточно получить по два статистических параметра для каждого из классов: математическое ожидание и дисперсию [7] распределения классификационной характеристики. Для этого создают два массива измерений по одному для каждого класса X и Y, в которых динамически, в процессе выработки, сохраняются значения измеренных классификационных характеристик. В массиве статистики класса X сохраняются значения классификационных характеристик тех объектов, для которых на предыдущем шаге принято решение о классе X, а в массиве статистики класса Y сохраняются значения классификационных характеристик других объектов, для которых принято решение о классе Y. При заполнении массивов используются скользящие окна: наиболее старая информация стирается, весь массив сдвигается вниз, и текущая информация записывается как наиболее актуальная. Это позволяет постоянно обновлять статистику классов, адаптируя ее к текущей гидролого-акустической и помехо-сигнальной обстановке и вырабатывать обновленный порог.
На основании информации заполненных массивов динамически вычисляются основные статистические параметры для каждого из классов - математическое ожидание и дисперсия распределения значений классификационной характеристики. Тогда порог для классификации формируется на основании принципа максимального правдоподобия [7].
В процессе работы способа постоянно происходит обновление статистики классификационной характеристики для альтернативных классов, то есть динамически уточняется описание классов объектов для текущих гидролого-акустических и помехо-сигнальных условий, на основании чего формируется актуальный порог для классификации.
Таким образом, эффективность классификации в заявленном способе увеличивается относительно прототипа и других дихотомических способов классификации, использующих фиксированный порог, аналитически рассчитанный на основе теоретической модели распространения звука.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные блоки: гидроакустическая антенна 1, блок 2 пространственной и частотно-временной обработки сигнала (ПЧВО), блок 3 принятия решения о классе объекта, индикатор 4 (ИНД), блок 5 постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), блок 6 формирования адаптивного порога (ФАП), причем выход последнего в цепочке блока 6 соединен обратной связью со вторым входом блока 3. Также устройство содержит блок 7 формирования теоретического порога (ФТП), выход которого соединен с третьим входом блока 3.
Гидроакустическая антенна 1 известна из [8], при этом антенные модули могут быть выполнены согласно [9]. Процедуры блока 2 пространственной и частотно-временной обработки известны из [10] и могут быть выполнены в модулях программируемых процессоров сигналов и в модулях универсальной части цифрового вычислительного комплекса [11]. Блок 3 принятия решения о классе объекта, блок 6 формирования адаптивного порога и блок 7 формирования теоретического порога могут быть выполнены в модулях универсальной части цифрового вычислительного комплекса [11]. Индикатор 4 и блок 5 постоянного запоминающего устройства реализуются, например, в пультовом приборе и накопителе на оптическом диске согласно [11].
Реализация способа осуществляется следующим образом.
При включении устройства в блоке 7 формируется теоретический порог классификации по методике для заданной классификационной характеристики. Например, по методике [4] для классификационной характеристики отношение мощности принятого сигнала к угловой скорости объекта, или по методике [2] для классификационной характеристики угол прихода сигнала в вертикальной плоскости, или по любой другой методике для заданной классификационной характеристики.
В динамике работы устройства шумовой сигнал первого, второго и последующих объектов, принятый антенной 1, поступает в блок 2, где выполняются типовые процедуры шумопеленгования [10]: пространственная обработка и частотно-временная обработка сигнала. На выходе блока 2 формируется значение заданной классификационной характеристики Z каждого объекта, например, согласно [4] - отношение мощности принятого сигнала к угловой скорости объекта. Классификационная характеристика поступает в блок 3. Одновременно в блок 3 из блока 7 поступает теоретический порог классификации, который на данном этапе работы устройства принимается в качестве текущего порога. В блоке 3 реализуется пороговая схема классификации [10], в результате чего объект относят к одному из двух альтернативных классов X или Y. Классификационная характеристика и принятое решение о классе объекта поступают в блок 4, где они индицируются оператору, и в блок 5 постоянного запоминающего устройства.
i
i
В блоке 5 осуществляется запись текущего значения классификационной характеристики в один из двух массивов в зависимости от принятого решения о классе объекта: в массив статистики объектов X (X=Z) или в массив статистки объектов Y (Y=Z). Запись осуществляется последовательно, по мере обнаружения и выработки классификационной характеристики, для первого, второго и последующих объектов. При этом, при заполнении массивов используются скользящие окна: наиболее старая информация стирается, весь массив сдвигается вниз, и текущая информация записывается как наиболее актуальная. Массивы статистик классификационных характеристик для двух классов объектов поступают в блок 6 формирования адаптивного порога классификации.
В блоке 6 анализируется количество заполненных элементов в массивах X и Y. Пока массивы заполнены не полностью, что будет на первых циклах работы устройства, адаптивный порог для классификации не формируется, и продолжает использоваться теоретический порог классификации. Когда массивы заполнены полностью, то в блоке 6 сначала получают статистические параметры для каждого из классов, а затем формируют порог для классификации методом наименьших квадратов, который обеспечивает максимальное правдоподобие при дальнейшем принятии решения [7]:
- математическое ожидание классификационной характеристики для класса X,
- математическое ожидание классификационной характеристики для класса Y,
- дисперсия классификационной характеристики класса X,
- дисперсия классификационной характеристики класса Y,
- адаптивный порог для классификации,
X
X
Y
Y
где w=1/D, w=1/D -значения, обратные дисперсиям.
Полученный адаптивный порог для классификации поступает в блок 3, где будет использован для принятия решения о классе на следующем цикле работы устройства при классификации следующего объекта. При этом, после классификации следующего объекта, его классификационная характеристика опять будет записана в один из массивов статистики класса X или класса Y в зависимости от принятого решения, и порог для классификации будет опять обновлен на основании новых статистических параметров для каждого из классов.
Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной. Предложен способ адаптивной дихотомической классификации морских объектов, обеспечивающий классификацию объектов в реальных натурных условиях, когда гидролого-акустические условия и помехо-сигнальная обстановка в морской среде не известны или известны частично.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Величкин С.М., Миронов Д.Д., Антипов В.А., Зеленкова И.Д., Перельмутер Ю.С. Патент РФ №2156984 от 27.09.2000. Способ получения информации о шумящем в море объекте и способ получения цветовых шкал для него. МПК G01S 3/84.
2. Волкова А.А., Консон А.Д. Патент РФ №2703804 от 22.10.2019, приоритет от 22.10.2018. Способ классификации морских объектов пассивными гидроакустическими средствами. МПК G01S 3/80.
3. Либенсон Е.Б., Стреленко Т.Б. Патент РФ №2528114 от 10.09.2014, приоритет от 11.04.2013. Активный гидролокатор с классификацией объекта. МПК G01S 15/00.
4. Волкова А.А., Консон А.Д. Патент РФ №2689968 от 29.05.2019, приоритет от 29.03.2018. Способ классификации морских объектов в типовой шумопеленгаторной станции. МПК G01S 3/80.
5. Кобылянский В.В. Разработка алгоритмов классификации шумовых гидроакустических сигналов на основе использования акустико-конструктивных характеристик объектов излучения и моделей среды. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Л.: ЦНИИ «Морфизприбор». 1982.
6. Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. -Л.: Судостроение. 1981. 265 с.
7. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок / Пер. с англ. - М.: Мир. 1985. 272 с.
8. Литвиненко С.Л. Патент РФ №2515133 от 10.05.2014 Сферическая гидроакустическая антенна. МПК G01S 15/00.
9. Смарышев М.Д., Черняховский А.Е., Иванов A.M., Шатохин А.В., Селезнев И.А., Никандров В.А., Маляров К.В., Барсуков Ю.В. Патент РФ №2539819 от 27.01.2015. Антенный модуль с цифровым выходом. МПК H04R 1/44.
10. Ю.Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. СПб.: Наука. 2004.
11. Бетелин В.Б., Капустин Г.И., Кокурин В.А., Корякин Ю.А., Лисе А.Р., Немытов А.И., Першин А.С., Рыжиков А.В., Челпанов А.В., Шалин СА. Патент РФ №2207620 от 10.03.2003. Цифровой вычислительный комплекс для обработки сигналов в гидроакустических системах. МПК G06F 15/16, G01S 15/88.