СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ОБЪЕКТА НА ФОНЕ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПОМЕХИ
METHOD OF DETECTING LOCAL OBJECT ON BACKGROUND OF DISTRIBUTED INTERFERENCE

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения локального объекта в условиях наличия распределенных помех различного происхождения. Под локальным объектом понимается подводный или надводный объект искусственного происхождения ограниченного размера (корабль, подводный аппарат, буй, контейнер и т.д.).
В практике построения систем обнаружения обычно рассматривается задача обнаружения эхо-сигнала на фоне нормальной стационарной помехи.
Относительно мощности нормальной стационарной помехи выбирается порог в соответствии с выбранными критериями и происходит обнаружение эхо-сигнала в случае превышения сигнала над порогом (А.Н.Яковлев, Г.П.Каблов Гидролокаторы ближнего действия Судостроение Л 1983 г. стр.88).
Однако в реальных условиях имеется помеха, обусловленная реверберацией либо наличием отражения сигнала, излученного гидролокатором, от звукорассеивающих слоев естественного и искусственного происхождения, так называемая распределенная помеха. Распределенная помеха затрудняет обнаружение локального объекта или приводит к повышению вероятности ложной тревоги. Классификация помех по характеру их возникновения рассматривается в книге Л.В.Орлова, А.А. Шаброва Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота Л. Судостроение 1987 г. стр.51-59.
Известен способ обнаружения локального объекта, основанный на приеме эхо-сигнала гидролокатора на фоне шумов и помех в среде, преобразовании акустического сигнала в электрический гидроакустической антенной, определении энергетического спектра электрического процесса на выходе гидроакустической антенны, представляющего собой смесь электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, изложенный, например, в работе Евтютов Е.С. и Митько В.Б. "Примеры инженерных расчетов в гидроакустике". Судостроение 1981 г., с.77. Способ содержат спектральный анализ этого процесса, детектирование спектральных составляющих, интегрирование огибающей и обнаружение сигнала при сравнении с порогом.
Аналогичный способ обнаружения локального объекта изложен в книге B.C.Бурдик "Анализ гидроакустических систем". Судостроение 1988 г. стр.347 и содержит многоканальную по частоте фильтрацию, детектирование, выделение огибающей и сравнение с порогом. Подобный способ приведен в "Справочнике по гидроакустике", Судостроение 1988 г. стр.27. При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса. "Применение цифровой обработки сигналов", изд. Мир М. 1990 г. стр.296.
Недостатками всех рассмотренных способов является то, что они не могут обнаруживать локальные объекты на фоне распределенных помех. И в том, и в другом случае уровень эхо-сигнала от распределенной помехи может быть сравнимым с эхо-сигналом от цели, которая представляет собой локальный отражатель, размеры которого меньше, чем размеры источника распределенной помехи.
Наиболее близким аналогом является метод обнаружения локального объекта с использованием гидролокатора, бокового обзора, установленного на подвижном носителе. Использование этого метода позволяет обнаруживать локальный объект, измерять до него дистанцию и измерять направление на него (Яковлев А.Н. Каблов Г.П. Гидролокаторы ближнего действия. Л. Судостроение 1983 г.).
Этот способ содержит:
- излучение зондирующего сигнала,
- измерение времени задержки между излученным сигналом и принятым эхо-сигналом,
- определение дистанции до цели по величине временной задержки и известной скорости распространения звука,
- определение направления прихода эхо-сигнала.
Недостатком данного способа является то, что он не может обнаруживать локальный объект на фоне распределенной помехи. Обнаружение сигнала производится либо оператором по информации, предоставляемой на индикаторе, либо при сравнении амплитуды эхо-сигнала с порогом в направлении цели в соответствии с выбранными критериями относительно нормальной стационарной помехи.
Задачей изобретения и его техническим результатом является обеспечение возможности обнаружение локального отражателя на фоне распределенной помехи.
Указанный технический результат достигается тем, что в способ обнаружения локального объекта на фоне распределенной помехи, содержащий излучение зондирующего сигнала, прием эхо-сигнала, измерение времени прихода эхо-сигнала, сравнение его с порогом и принятие решения об обнаружении локального отражателя, введены новые признаки, а именно: прием эхо-сигнала осуществляют многоканальным приемным трактом, пространственные приемные каналы которого образуют веер статических характеристик направленности, пересекающихся на уровне, не меньшем, чем 0,7 от максимума; набор временных реализации для обработки осуществляют последовательно в каждом приемном канале; определение превышения эхо-сигналом уровня выбранного порога производят в каждом приемном канале, выбирают соседние приемные каналы, в которых произошло превышение порога, определяют временные интервалы прихода эхо-сигнала в этих каналах и при совпадении временных интервалов измеряют корреляционную функцию между временными наборами выбранных соседних приемных каналов и число каналов, в которых произошло превышение порога, а принятие решения о наличии локального отражателя принимают при коэффициенте корреляции между временными наборами соседних приемных каналов, имеющих одинаковое время прихода эхо-сигнала, большем 0,5, в противном случае принимают решение о наличии распределенной помехи или о наличии нелокального отражателя.
Опыт показывает, что число пространственных каналов, в которых коэффициент корреляции превышает 0,5, не должно быть больше 4-х для локального отражателя.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Эхо-сигнал от локального объект формируется на основе отражения энергии падающего зондирующего сигнала на объект по нормали относительно направления прихода зондирующего сигнала гидролокатора. При этом, как правило, локальные отражатели принадлежат к классу отражателей искусственного происхождения и в зависимости от принадлежности могут иметь форму шара, эллипсоида, куба, цилиндра, конуса, плоскости или их различных сочетаний. Это приводит к тому, что при отражении формируется регулярный фронт волны, характеристика которой стабильна на некотором пространственном интервале (Е.А.Штагер, Е.В.Чаевский Рассеяние волн на телах сложной формы. М. Сов. радио 1974 г.). При этом гидролокатор принимает отраженный эхо-сигнал веером статических характеристик направленности. Поскольку локальный отражатель находится в дальнем поле и имеет ограниченные размеры, то эхо-сигнал от такого отражателя представляет плоскую, мало искаженную волну и будет приниматься несколькими характеристиками направленности одновременно и, соответственно, характеристики эхо-сигнала будут по своим свойствам достаточно близкими в нескольких пространственных каналах.
Распределенная помеха не имеет ярко выраженных когерентных свойств. В случае реверберации (см. Ольшевский В.В. Статистические свойства морской реверберации М Наука 1966 г.) эхо-сигнал формируется как сумма эхо-сигналов от элементарных отражателей, имеющих различную длительность и различную амплитуду, что приводит к искажению фронта плоской волны. В этой ситуации в соседних характеристиках направленности будут приниматься эхо-сигналы реверберации, которые не связаны между собой или имеют малую степень связи. Иногда в качестве источника распределенной помехи могут быть звукорассеивающие слои, которые формируются совокупностью мигрирующего планктона. Эхо-сигнал от такой совокупности случайно расположенных отражателей будет представлять собой случайную совокупность амплитуд, которые будут приниматься характеристиками направленности независимо друг от друга и поэтому также будут не связаны. Особую форму распределенных отражателей представляют газообразные отражатели, которые формируются за счет кильватерного следа объектов. Набор пузырей различного диаметра, перемещающихся в различных направлениях с различной скоростью, формируют отраженный эхо-сигнал, фронт которого имеет нерегулярную структуру и пространственные характеристики которого отличаются по различным направления. В этой ситуации свойства сигнала в различных пространственных каналах будут различными и будут отличаться по своим характеристикам. Единственным способом, который позволит отличить наличие когерентного локального отражателя, является корреляционная обработка временных реализаций, принимаемых одновременно в соседних пространственных каналах. Фронт волны, отраженный от локального отражателя, является равномерным и характеризуется свойствами поверхности отражателя. Фронт волны, отраженный от распределенного отражателя, определяется случайным формированием отраженного фронта волны отдельных отражателей, и при приеме соседними характеристиками направленности эхо-сигналы не будут иметь корреляционной связи. Таким образом, для реализации предлагаемого метода обработки необходим прием эхо-сигнала веером статических характеристик направленности, обнаружение эхо-сигнала соседними характеристиками направленности, выбор временных реализаций в соседних пространственных каналах, определение степени корреляционной связи меду каналами и определение числа каналов, в которых эта связь существует, после чего принимается решение о природе эхо-сигнала, либо эхо-сигнал локального объекта, либо это распределенная помеха или нелокальный объект. Выбор числа каналов, равных 4, объясняется протяженностью объекта по направлению. Некоторые локальные объекты могут иметь такие размеры на небольшой дистанции и они будут обнаруживаться в нескольких пространственных каналах на одинаковой дистанции и в одном и том же интервале времени. Локальные объекты типа буя практически всегда будут находиться в 1-2 пространственных каналах. Большие протяженные объекты типа скал, берега или подъемов грунта будут обнаруживаться на одной дистанции в числе пространственных каналов, больше 4-х.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где приведена блок схема устройства, реализующая рассматриваемый способ.
Устройство содержит антенну 1, коммутатор приема передачи 2, усилитель мощности 3, задающий генератор сигналов 4, систему формирования характеристик направленности 5, многоканальную систему обнаружения эхо-сигнала 6, блок 7 идентификации каналов обнаружения, блок 8 измерения коэффициентов корреляции между каналами, блок 9 определения интервала корреляции по каналам, блок 10 принятия решения об обнаружении локального отражателя.
Вход антенны 1 соединен через коммутатор приема передачи 2 и усилитель мощности 3 с первым выходом задающего генератора 4. Выход коммутатора 2 соединен со входом системы формирования характеристики направленности 5, выход которой соединен через многоканальную систему обнаружения 6, блок идентификации каналов обнаружения 7 и блок определения интервала корреляции между каналами 8 с первым входом блока принятия решения 10. На второй вход блока 7 подается сигнал со второго выхода задающего генератора 4, который фиксирует время излучения и формирует сигнал начала роботы. На второй вход многоканальной системы 6 поступает значение выбранного порога для принятия решения о наличии сигнала. Выход блока 7 соединен через блок определения коэффициентов корреляции по каналам 9 со вторым входом блока принятия решения 10. Второй выход блока 8 соединен со вторым входом блока 9.
Задающий генератор, усилитель мощности и коммутатор приема передачи могут быть выполнены, например, по схеме стр.39-41 (Колчеданцев А.С. Гидроакустические станции Л. Судостроение 1982 г.). Антенна и система формирования характеристик направленности являются известными устройствами, рассмотренными, например, в Л.В.Орлов, А.А.Шабров Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Л. Судостроение 1987 г. Стр.116 или Смарышев М.Д. Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны Л. Судостроение 1984 г. Многоканальная система обнаружение является известным устройством, приведенным, например, в B.C.Бурдик Анализ гидроакустических систем Л. Судостроение 1988 г. Стр.365. Блок 7 идентификации каналов обнаружения может быть выполнен, например, по типу цифрового регистратор типа 7502 (Справочник по гидроакустике Л.Судостроение 1988 г стр. 408). Блок 8 измерения коэффициента корреляции является известным устройством и рассмотрен, например, в А.Н.Яковлев Г.П.Каблов. Гидролокаторы ближнего действия. Л. Судостроение. 1983 г. Стр.94-95 или Справочник по гидроакустике. Л.Судостроение. 1988 г. Стр.398. Блок 9 определения коэффициента корреляции по каналам представляет собой практически сумматор, который суммирует число поступивших импульсов. Блок 10 принятия решения может быть выполнен по схеме блока распознавания стр.107 или стр. 116, А.Н.Яковлев Г.П.Каблов. Гидролокаторы ближнего действия. Л. Судостроение. 1983.
В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную обработку и обнаружение сигнала, а также измерение коэффициента корреляции, определение интервала корреляции по времени и по частоте и принятие решения о цели. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в книге «Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма М. Мир 1980 г.
Операции предложенного способа целесообразно рассмотреть на примере работы реализующего его устройства.
Излучаемый зондирующий сигнал из задающего генератора 4 через усилитель мощности 3 поступает на коммутатор приема-передачи 2, далее передается на антенну 1 и излучается в водную среду.
Эхо-сигнал принимается антенной 1 и через коммутатор приема-передачи 4 поступает на систему формирования характеристики направленности 5 и далее на вход 6 многоканальной системы обнаружения. Количество каналов определяется возможностями системы формирования характеристики направленности 5. С выхода каждого канала обработки сигнал поступает на вход многоканальной системы обнаружения 6, где определяются моменты обнаружения и интервалы времени превышения сигнала над порогом.
Это время превышения соответствует дистанции до обнаруженной цели. Обнаруженные сигналы с оценкой интервалов времени поступают в блок идентификации каналов обнаружения 7, в котором производится селекция эхо-сигналов по времени и по пространственным каналам. Сигналы, которые имеют одинаковое время обнаружения и расположены в соседних каналах, подаются в блок определения коэффициента корреляции 8, где определяется коэффициент корреляции по времени между временными реализациями в соседних каналах. В блоке 9 определяется количество соседних каналов, в которых произошло превышения коэффициента корреляции выбранного порога 0,5. Значение коэффициента корреляции и число каналов подаются в блок принятия решения 10, который принимает решение о наличии локального объекта в пространственных каналах, где коэффициент корреляции превысил выбранный порог 0,5. Решение о наличие локального отражателя принимается, если коэффициент корреляции превышает 0,5, а количество каналов не превышает 4. В противном случае принимается решение, что обнаруженный эхо-сигнал является распределенной помехой или является нелокальным отражателем.
Таким образом, используя пространственные корреляционные свойства эхо-сигнала и определяя коэффициенты корреляции в пространственных каналах, задача обнаружения локального объекта на фоне распределенной помехи успешно решается.