Способ обработки сигнала шумоизлучения цели
TARGET NOISE SIGNAL PROCESSING METHOD

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при решении задач обработки сигнала шумоизлучения объекта в гидроакустических системах.
Известны методы обработки сигналов шумоизлучения объектов для задач обнаружения, основанные на сравнении уровня принятого сигнала с уровнем помехи. (Справочник по гидроакустики Судостроение Л. 1988 г. стр. 26., Бурдик B.C. «Анализ гидроакустичсеских систем». Л. Судостроение. 1988 г. Стр. 364). Рассматриваемые методы содержат прием временной реализации, набор временных отсчетов фиксированной длительности, измерение спектров набранной временной реализации, накопление спектров, измерение энергии накопленного спектра и сравнение измеренной энергии с порогом, определенным по помехе, измеренной в отсутствии сигнала. Недостатком данного способа является то, что он не может фиксировать факт наличия второго источника сигнала шумоизлучения, трасса которого пересекается с трассой первого в том же частотном диапазоне.
Известен аналогичный способ цифровой обработки гидроакустических сигналов, который содержит прием сигнала антенной, усиление, полосовую фильтрацию, аналогово-цифровое преобразование сигнала, предварительную пространственную обработку, спектральную обработку на основе БПФ (быстрое преобразование Фурье) всех пространственных каналов статического веера характеристик направленности, накопление энергетических спектров и представление на дисплей. (Применение цифровой обработки сигналов. Изд. Мир М. 1980 г. Стр. 452). В существующих методах обработки отношение сигнал/помеха увеличивается за счет накопления спектров.
Как правило, время накопления спектров выбирается из условия обеспечения требуемого отношения сигнал/помеха и может достигать значительной величины при обнаружении слабых сигналов, за счет этого при большом накоплении уровень принимаемого стационарного детерминированного сигнала увеличивается больше, чем накапливаемый уровень случайной помехи. Однако, это происходит не всегда, поскольку при движении шумящего объекта происходит изменение спектра шумоизлучения сигнала за счет пространственного перемещения шумящего объекта и приемника, а спектр помехи продолжает накапливаться потому, что продолжает накапливаться постоянная составляющая помехи после преобразования Фкрье.
Известен способ обработки сигнала шумоизлучения объекта по патенту РФ №2572219, опубликованный 27.12.2015 г., который содержит прием временной последовательности сигнала шумоизлучения, дискретизацию принятой временной последовательности, набор временных отсчетов, спектральный анализ на основе быстрого преобразования Фурье, последовательное накопление энергетических спектров и представление результата на индикатор, при котором запоминают первый энергетический спектр первого набора временной последовательности, определяют коэффициент корреляции между первым принятым спектром и каждым следующим накопленным спектром, запоминают коэффициенты корреляции при каждом очередном накоплении, сравнивают коэффициенты корреляции и при уменьшении коэффициента корреляции уменьшают число накоплений до значения, при котором коэффициент корреляции больше или равен пороговому значению, при этом, если коэффициент корреляции не достиг порогового значения, выносят решение об изменении стационарности поступления спектров шумоизлучения объекта.
Недостатком данного технического решения является то, что изменение исходного стационарного входного процесса может происходить не только от изменения характера собственного движения, но и от наличия другого источника случайного шумоизлучения, который принимается характеристикой направленности (ХН), направленной на объект. Наличие второго источника шумоизлучения, трасса которого пересекает трассу обнаруженного источника, изменяет характер принимаемого спектра и снижает коэффициент корреляции. Как правило, если этот источник более сильный и стабильный, то происходит самопроизвольное переключение на сопровождение сильношумящего источника, снижение достоверности измеряемых спектральных параметров и классификационных признаков.
При этом методы автоматического определения факта изменения динамики входного процесса шумоизлучения не известны, а оператор при работе с несколькими объектами может не заметить эту ситуацию, что приведет к потере сопровождения исходного наблюдаемого объекта шумоизлучения. В результате снижается достоверность измеряемых спектральных параметров и классификационных признаков, что и является недостатком рассмотренного метода обработки.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы системы обнаружения шумящих объектов в условиях интенсивного судоходства.
Техническим результатом изобретения является определение факта изменения стационарности входного процесса, вызванного наличием источника мешающего шумоизлучения и предотвращение срыва автосопровождения выбранного объекта шумоизлучения.
Для решения поставленной задачи в способ обработки сигнала шумоизлучения объекта, содержащий прием временной последовательности сигнала шумоизлучения, дискретизацию принятой временной последовательности, набор временной последовательности отсчетов, спектральный анализ на основе быстрого преобразования Фурье, последовательное накопление энергетических спектров, запоминание первого спектра первого набора временной последовательности, определение коэффициент корреляции между первым принятым спектром и каждым следующим накопленным спектром*, запоминание коэффициентов корреляции при каждом очередном накоплении, сравнении коэффициентов корреляции и представление результата на индикатор введены новые признаки, а именно: прием сигнала шумоизлучения производят статическим веером характеристик направленности, определяют средний уровень сигнала шумоизлучения в каждой характеристике направленности, определяют среднюю частоту сигнала шумоилучения, определяют характеристику направленности с максимальным средним уровнем шумоизлучения, определяют значение пеленга на момент измерения максимального среднего уровня, определяют отношение предыдущих коэффициентов корреляции к последующим в характеристике направленности с максимальным средним уровнем, и, если коэффициент корреляции уменьшился больше чем на 30% по сравнению с предыдущим измерением, то сравнивают средний уровень сигнала до изменения коэффициента корреляции и средний уровень сигнала после изменения коэффициента корреляции, сравнивают значения средних частот, измеренных в выбранной характеристике направленности, и принимают решение о наличии мешающего источника шумоизлучения, если изменились средние частоты, и средний уровень сигнала шумоизлучения увеличился одновременно с уменьшением коэффициента корреляции.
Существо изобретения заключается в следующем. Помеха представляет собой случайный процесс, интервал корреляции по времени которого, определяется шириной спектра помехи. Таким образом, спектры временных реализаций, набранных за время большее, чем интервал корреляции помехи не будут зависеть от уровня помехи. Время набора временной реализации для спектральной обработки существенно больше интервала корреляции шумовой помехи. Процесс шумоизлучения объекта является стационарным процессом, спектр шумоизлучения которого для конкретного объекта является детерминированным случайным процессом относительно спектров шумоизлучения других объектов, а для данного объекта процесс шумоизлучения закономерен и состоит на данном временном интервале из одних и тех же спектральных составляющих. Спектр шумоизлучения для каждого объекта характеризуется своими спектральными особенностями, что позволяет их классифицировать по спектральному составу, и по виду спектра создавать портрет объекта. (Л.Л. Мясников, Е.Н. Мясникова "Автоматическое распознавание звуковых образов". Л. Энергия, 1970 г., стр. 153).
Таким образом, для данного объекта спектры временных последовательных реализаций будут похожими, и при накоплении суммарный спектр будет похож на начальный спектр. Это означает, что если будет определен коэффициент корреляции между спектрами последовательных временных реализаций и начальным спектром, и он окажется больше пороговой величины, это означает, что на входе системы обработки в процессе накопления действует один и тот же объект шумоизлучения. (В.Г. Тимошенков «Статистические оценки последовательности энергетических спектров» НТС Гидроакустика вып. 27(3) 2016. стр. 74) Однако, поскольку при взаимном перемещении изменяется радиальная составляющая скорости, то из-за «эффекта Доплера», будет иметь место некоторое смещение спектров в последовательных временных реализациях, что приведет к искажению суммарного спектра и уменьшению коэффициента корреляции. Допустимый интервал изменения коэффициента корреляции, обусловленный эффектом Доплера, не превышает 30%. При работе в реальных условиях достаточно часто возникают ситуации, когда исходный временной сигнал на входе искажается за счет поступления сигнала шумоизлучения другого объекта, возникшего случайно на том же направлении. Все это приводит к дополнительному искажению стационарности исходного процесса наблюдения и снижению коэффициента корреляции. В этом случае измеряемые параметры не будут соответствовать параметрам исходного объекта шумоизлучения. Таким образом, если можно сравнить коэффициент корреляции спектров между начальным спектром и последовательными накопленными спектрами и определить коэффициент корреляции между ними, то можно идентифицировать степень схожести спектров шумоизлучения на входе. Исходными параметрами для конкретной цели является средняя частота спектра шумоизлучения и средний уровень шумоизлучения. При этом, если изменение коэффициента корреляции не укладывается в пределы 0,7-1, увеличился средний уровень сигнала шумоизлучения и одновременно изменилась средняя частота принимаемого сигнала, то это говорит о том, что изменилась стационарность входного процесса на данный момент работы. Измеряя изменение среднего уровня сигнала шумоизлучения, измеряя изменение средней частоты сигнала шумоизлучения и определяя уменьшение коэффициента корреляции между последовательными спектрами можно фиксировать наличие мешающего источника одновременно с исходным источником.
Блок схема устройства, реализующая предлагаемый способ обработки сигнала шумоизлучения объекта представлена на фиг. 1.
Устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные антенну 1 с системой формирования статического веера характеристик направленности, спецпроцессор 2, в который входят последовательно соединенные блок 3 БПФ обработки временных реализаций, блок 4 определения среднего значения частоты и среднего уровня сигнала, блок 5 определения превышения порога помехи в характеристике направленности, блок 6 определения коэффициента корреляции между последовательными спектрами, блок 7 сравнения коэффициентов корреляции, блок 8 определения стационарности входного процесса, блок 9 управления и отображения. Второй выход блока 6 через блок 11 памяти коэффициентов корреляции соединен со вторым входом блока 7, а второй выход блока 4 соединен со вторым входом блока 8. Второй выход блока 3 соединен через блок 10 накопления спектров со вторым вход блока 9, второй выход которого соединен со вторым входом блока 10
Антенна и система формирования статического веера характеристик направленности являются известными устройствами, которые используются в прототипе. Алгоритмы определения спектров на основе быстрого преобразования Фурье достаточно подробно изложены на стр. 441-463. («Применение цифровой обработки сигналов» Изд. Мир М. 1980 г. под. редакцией Э. Оппенгейма.). В современной гидроакустической аппаратуре сигналы, преобразованные в цифровой вид, обрабатываются специальными цифровыми процессорами на основе разработанных алгоритмов. (см. Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» СПб Наука 2004 г. стр. 164-176, стр. 278-295). В процессоре реализуются все блоки предлагаемого устройства такие, как спектральная обработка на основе БПФ, корреляционная обработка, блоки памяти, процедуры сравнения, накопления, принятия решения и корректировки. Практически все указанные процедуры могут быть реализованы на современных компьютерах и ноутбуках, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. (А.Б. Сергиенко Цифровая обработка сигналов СПб. «БХВ - Петербург» 2011 г.).
Способ посредством устройства (фиг. 1) осуществляется следующим образом. Антенна 1 с системой формирования статического веера характеристик направленности принимает сигналы характеристиками направленности и передает их на спецпроцессор 2, на вход блока 3 БПФ обработки временных реализаций. Последовательные спектры сигналов по всем пространственных характеристикам статического вера характеристик направленности передаются на блок 10 накопления спектров и далее на блок 9 управления и отображения для предоставления на индикаторе. Со второго выхода блока 3 спектры поступают на вход блока 4 определения средней частоты и среднего уровня сигналов, который сравнивается с порогом в блоке 5 определения превышения. Определение среднего уровня сигнала в каждой характеристике направленности является стандартной процедурой при обнаружении превышения порогового уровня помехи над уровнем сигнала. Так же стандартной процедурой является определение спектра сигнала шумоизлучения с использованием алгоритмов быстрого преобразования Фурье БПФ, которая производится во всех системах обработки при обнаружении превышения уровня сигнала. Как правило, определение спектра, измерение уровня сигнала и среднего значения частоты выполняются одновременно в каждом пространственном канале статического веера характеристик направленности, что изложено, например, в литературе (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Спб. «Наука» 2004 г. стр. 237). Со второго входа блока 4 эти же параметры передаются на вход блока 8 определения стабильности входного процесса. В блок 5 производится определение тех характеристик направленности, в которых уровень сигнала превысил порог уровня помехи. Эта процедура позволяет определить те характеристик направленности, в которых обнаружен сигнал шумоизлучения, стабильность которых должно быть определена в процессе дальнейшей обработки. Последовательные спектры выбранного пространственного канала поступают в блок 6 определения коэффициента корреляции последовательных спектров, В блоке 7 производится сравнение коэффициента корреляции текущего спектра и накопленных предыдущих спектров. Предельные значения коэффициента корреляции заключены между 0,7 и 1, что обеспечивает диапазон флюктуаций коэффициента корреляции спектров за счет изменения скорости собственного движения. При плавном уменьшении коэффициента корреляции, вызванном изменением входных спектров за счет влияния доплеровского смещения частоты спектра, производится корректировка числа накоплений в блоке 10. Определяются различие коэффициента корреляции двух последних спектров и коэффициентов корреляции двух предыдущих спектров. Если они не укладываются в диапазон 0,7-1, то это значение передается блок 8 определения стационарности входного процесса. Таким образом, в блоке 8 собираются данные по уровню сигнала, среднему значению частоты и величине различия коэффициента корреляции и вырабатывается сигнал о наличие факта отсутствия стабильности входного процесса шумоизлучения цели в выбранном пространственном канале. Выработанный сигнал поступает в блок 9 управления и отображения для принятия решения оператором о наличие мешающего сигнала.
Таким образом, определяя коэффициент корреляции между последовательными спектрами, измеряя среднюю частоту и уровень сигнала шумоизлучения можно оценить степень стабильности входного процесса по выбранному пространственному каналу, и определить факт воздействия постороннего источника шума на стабильность исходного процесса, что позволит принять необходимые меры для обеспечения достоверности измерений по наблюдаемому объекту.