СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННЕ
METHOD OF PROCESSING INFORMATION IN HYDROACOUSTIC ANTENNA

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при разработке гидроакустических антенн различного назначения для коррекции выходных сигналов гидроакустических приемников с целью исключения составляющей, обусловленной вибрациями корпуса носителя.
Виброзащита гидроакустических приемников и антенн предназначается для уменьшения влияния вибрации корпуса носителя (структурной помехи) на выходные показания приемников антенн. Эта необходимость вызвана чувствительностью приемников не только к звуковым, но и к вибрационным воздействиям, и, как следствие, возникновением в выходных сигналах приемников составляющей, обусловленной воздействием не гидроакустических полей.
Совершенствование гидроакустических приемников, повышение их чувствительности, и связанный с этим рост требований к дальности обнаружения локальных источников шума, ставит задачу компенсации вибрационного возмущения, вызываемого корпусом носителя, для повышения отношения сигнал/помеха. Применение виброизолирующих материалов в местах крепления приемников или антенных модулей позволяет снизить влияние данного фактора. Их применение описывается, например, в патенте РФ №2303336 «Гидроакустическая многоэлементная антенна и пьезоэлектрический стержневой преобразователь для такой антенны».
Однако, подход с установкой виброизолирующих материалов усложняет конструктив системы и ее монтаж. Кроме того, с течением времени характеристики демпфирующих материалов изменяются и они требуют замены, что приводит к сокращению срока эксплуатации гидроакустической системы. Наличие экранов и виброзащитных систем также увеличивает габариты и массу антенны.
В качестве альтернативных путей виброзащиты известны решения с размещением вибродатчиков на обтекателе антенны - полезная модель РФ №96665 «Гидроакустическое приемное устройство» и заявка на изобретение США №20070194982 «Antenna signal processing apparatus». В полезной модели РФ №96665 описана многоэлементная гидроакустическая антенна с обтекателем и системой компенсации помех, вызванных его вибрацией, а в заявке США №20070194982 приводятся общие подходы к компенсации структурной помехи, вызванной вибрацией корпуса для жестко закрепленных на формообразующем каркасе гидроакустических приемников.
Решение, предлагаемое в данном изобретении, является наиболее близким к решению, описанному в заявке США №20070194982 «Antenna signal processing apparatus», которая является прототипом. В данной заявке описан по меньшей мере один жестко закрепленный на корпусе антенны акселерометр. По выходному сигналу данного акселерометра и известной передаточной функции от выходного сигнала акселерометра к выходному сигналу гидроакустического приемника по вибрационной помехе, производится компенсация вибрационной помехи на каждом гидроакустическом приемнике путем вычитания сигнала на выходе акселерометра из сигнала на выходе приемника.
Одним из основных недостатков предложенного решения является необходимость знания вышеуказанной передаточной функции, получение которой довольно затруднительно и которая может меняться в процессе эксплуатации антенны и в зависимости от внешних условий. Такой подход требует периодической калибровки, что описывается в заявке, а, следовательно, специальных условий для ее проведения, например, минимизации шумовых гидроакустических воздействий на приемники антенны.
Задачей изобретения является уменьшение влияния вибраций корпуса носителя на выходные сигналы гидроакустических приемников и снижение требований к виброизоляции.
Для решения поставленной задачи компенсации вибрационной погрешности в выходных сигналах гидроакустических приемников в способ обработки выходных сигналов гидроакустических приемников, жестко установленных на корпусе гидроакустической антенны, по выходным Сигналам трехкомпонентных акселерометров, жестко установленных на корпусе гидроакустической антенны таким образом, что по крайней мере один из трехкомпонентных акселерометров формирует различимый на фоне собственных помех выходной сигнал гидроакустического приемника при наличии минимально допустимых вибраций в точке установки любого из гидроакустических приемников, заключающийся в том, что сигналы с выходов приемников подвергаются преобразованию Фурье, внесены следующие новые признаки:
i
i
i
i
i
i
i
i
1) выходные сигналы акселерометров так же подвергаются преобразованию Фурье и для каждого спектрального отсчета в рабочей полосе частот полученного спектра каждого гидроакустического приемника формируется выходной спектральный отсчет ξ, передаваемый внешним потребителям, по формуле: ξ=y-kz, где k - компенсирующий коэффициент, y - значение i-го спектрального отсчета спектра сигнала с выхода гидроакустического приемника, a z - значение i-х спектральных отсчетов спектров сигналов с выходов трехкомпонентного акселерометра, обладающего наибольшей чувствительностью к вибрациям в точке расположения рассматриваемого гидроакустического приемника.
2) по п.1, компенсирующий коэффициент рассчитывается по формуле
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></mfrac></mrow>
i
где z - сигнал акселерометра, обладающий наибольшей мощностью на временном интервале вычисления преобразования Фурье выходных сигналов акселерометра.
3) по п.1, компенсирующий коэффициент рассчитывается по формуле
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mi></mi><mi></mi><msub><mi>z</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mi></mi><mi></mi><msub><mi>z</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mi>T</mi></msup></mrow>
где
- вектор-столбец сигналов с выходов трехкомпонентного акселерометра.
Техническим результатом изобретения является уменьшение влияния структурной составляющей помехи корпуса носителя на показания гидроакустических приемников, входящих в антенный модуль и снижение требований к виброизоляции, вплоть до отказа от таковой при необходимости. При этом исключается необходимость в расчете передаточной функции от выходного сигнала акселерометра к выходному сигналу гидроакустического приемника.
Вышеуказанные технические результаты достигаются за счет использования алгоритма корреляционного подавления структурной составляющей помехи в отсчетах спектра выходных сигналов гидроакустических приемников по формуле, описанной ниже:
i
i
i
i
ξ=y-kz,
i
где ξ - скомпенсированный i-й отсчет выходного сигнала,
i
y - i-й отсчет выходного сигнала гидроакустического приемника,
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mi></mi><mi></mi><msub><mi>z</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mi></mi><mi></mi><msub><mi>z</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mi>T</mi></msup></mrow>
a
при использовании сигнала с одной компоненты акселерометра и
, а
при использовании всех выходных сигналов акселерометра.
Сущность изобретения поясняется на фигурах 1 и 2:
1i
2i
3i
1) В случае использования одного из выходов акселерометра обработка информации происходит по нижеследующей схеме. При возникновении вибраций на корпусе антенны, обусловленных, например, структурной помехой со стороны носителя, в гидроакустическом приемнике (1) возникает соответствующая составляющая в выходном сигнале, обусловленная вибрационной помехой. При этом в выходных сигналах - z, z, z - трехкомпонентного акселерометра (2) также возникают сигналы, обусловленные вибрационной помехой и коррелированные с соответствующей составляющей в выходном сигнале гидроакустического приемника. В вычислительных блоках (3) осуществляется преобразование Фурье выходных сигналов акселерометров и гидроакустических приемников. При этом, из всех сигналов трехкомпонентного акселерометра выделяется обладающий наибольшей средней мощностью на временном интервале преобразования Фурье в вычислительном блоке (4). На основе полученных спектров сигналов в вычислительном блоке (5) производится компенсация вибрационной составляющей погрешности гидроакустических приемников по формуле
i
i
i
i
ξ=y-kz,
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></mfrac></mrow>
где
.
1i
2i
3i
2) В случае использования всех выходов акселерометра обработка информации происходит по нижеследующей схеме. При возникновении вибраций на корпусе антенны в гидроакустическом приемнике (1) возникает соответствующая составляющая в выходном сигнале, обусловленная вибрационной помехой. При этом в выходных сигналах - z, z, z - трехкомпонентного акселерометра (2) также возникают сигналы, обусловленные вибрационной помехой и коррелированные с соответствующей составляющей в выходном сигнале гидроакустического приемника. В вычислительных блоках (3) осуществляется преобразование Фурье выходных сигналов акселерометров и гидроакустических приемников. На основе полученных спектров сигналов в вычислительном блоке (4) производится компенсация вибрационной составляющей погрешности гидроакустических приемников по формуле
i
i
i
i
ξ=y-kz,
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><msubsup><mi>z</mi><mi>i</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mi></mi><mi></mi><msub><mi>z</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mi></mi><mi></mi><msub><mi>z</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mi>T</mi></msup></mrow>
где
, a
.
Предложенный способ компенсации вибрационной погрешности в выходных сигналах гидроакустических приемников позволяет компенсировать в показаниях гидроакустических приемников составляющую, вызванную структурной помехой. Таким образом, задачу изобретения можно считать решенной.