Способ обнаружения морской шумящей цели автономной гидроакустической станцией
METHOD FOR DETECTING A MARINE NOISY TARGET BY AN AUTONOMOUS HYDROACOUSTIC STATION

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к автономным гидроакустическим станциям (АГАС), и может быть использовано для обнаружения, классификации и определения координат и параметров движения шумящих морских объектов (целей) в различных районах мирового океана.
Известны способы обнаружения шумящих морских объектов, описанные в работах [1, 2]. В гидроакустических станциях, работающих в режиме шумопеленгования (ШП), задачи обнаружения шумящих целей решаются последовательными циклами длительностью ΔT, на каждом из которых формируются пространственные каналы (ПК), покрывающие всю зону обнаружения АГАС. При этом в каждом ПК последовательно производится накопление смеси сигнала и помехи и сравнение накопленных статистик обнаружения с первичным порогом, по ПК с превышенными пороговыми значениями строится траектория цели, производится отнесение траектории к сигнальной или к помеховой, а затем производится классификация и определение координат и параметров движения цели (КПДЦ).
Применительно к АГАС такой способ обнаружения траекторий цели обладает тем недостатком, что необходимо непрерывно совершать большое количество вычислений в тракте обнаружения, что также требует его непрерывного обеспечения электроэнергией от источника электропитания, следствием чего является снижение продолжительности автономного функционирования АГАС.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ обнаружения, классификации и определения координат и параметров движения морской шумящей цели, описанный в [3]. Известный способ заключается в том, что все задачи, составляющие обнаружение цели, решаются совместно на одном и том же временном отрезке. Для этого с момента завязки новой сигнальной траектории начинается статистическая проверка не двух гипотез («цель» - «помеха»), а М+1 гипотез (М - количество классов в заданном алфавите классов целей), т.е. проверяются гипотезы о принадлежности траектории к каждому из М классов заданного алфавита классов цели, а также к классу "помеха". Проверка гипотез осуществляется циклически при поступлении на вход алгоритма любой новой информации и состоит в вычислении вероятностей принадлежности траектории каждому из классов заданного алфавита и сравнении вычисленных вероятностей с заданным пороговым значением. Для расчета вероятностей класса цели применяются автоматические адаптивные алгоритмы, учитывающие текущие гидроакустические и помехосигнальные условия, а также взаимную статистическую зависимость используемых параметров сигнала (классификационных признаков). Если хотя бы одна из вычисленных вероятностей превышает пороговое значение, принимается решение в пользу соответствующей гипотезы и в качестве КПДЦ принимаются те из них, которые определены для этого класса [4]. При этом если траектория обусловлена приемом сигналов локального шумящего объекта, процесс проверки гипотез продолжается на стадии сопровождения шумящего объекта с уточнением принятых решений, а если сигнальная траектория прервется до принятия решения в пользу одной из гипотез, она принимается за траекторию, состоящую из помех (помеховую траекторию) и ее обработка прекращается. Обнаружение новых траекторий продолжается. Способ обеспечивает сокращение длительности принятия решения об обнаружении цели на 30%. Вместе с тем недостатком данного способа является то, что и в отсутствие цели в зоне обнаружения осуществляется непрерывная пространственно-временная обработка сигналов и построение помеховых траекторий, что так же требует большого количества вычислений. При этом так же расходуется электроэнергия источника электропитания, что обуславливает малую автономность АГАС.
Техническим результатом от использования заявляемого изобретения является снижение энергопотребления при работе АГАС за счет перевода АГАС из режима шумопеленгования в мало энергопотребляющий дежурный режим на период времени, достаточный для обеспечения на последующих циклах обнаружения заданной вероятности обнаружения малошумной цели за расчетное время нахождения ее в пределах зоны обнаружения АГАС.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе, включающем построение траекторий из обнаруженных сигналов, разделение траекторий на сигнальные и помеховые, определение класса, координат и параметров движения источника каждой сигнальной траектории, для принятия решения о принадлежности траектории к сигнальной или помеховой дополнительно применена двухпороговая процедура, в соответствии с которой отнесение траектории к сигнальной осуществляется после не менее чем k обнаружений сигналов в n последовательных обнаружениях, а отнесение траектории к помеховой осуществляется после необнаружения сигналов в  последовательных обнаружениях. Причем при принятии решения о помеховой траектории АГАС переводится из режима обнаружения в дежурный режим, имеющий минимальное энергопотребление, а перевод из дежурного режима в режим обнаружения производится через период времени, равный расчетному времени нахождения малошумной цели в зоне обнаружения АГАС минус время, затрачиваемое на не менее чем одну последовательность n обнаружений.
Благодаря новой совокупности признаков обеспечивается возможность эпизодически, на время отсутствия малошумных целей в зоне обнаружения, отключать приемный тракт от источника электропитания с переводом АГАС в дежурный режим, в котором энергопотребление АГАС значительно ниже, чем достигается увеличение времени автономного функционирования АГАС без смены источников электропитания.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг. 1 - последовательность действий АГАС при пересечении ее зоны обнаружения шумящей целью;
фиг. 2 - последовательность действий АГАС при отсутствии шумящей цели в ее зоне обнаружения.
В случае пересечения целью границы зоны обнаружения АГАС производится завязка новой сигнальной траектории с момента последовательного обнаружения сигналов на не менее чем двух циклах обнаружения длительностью ΔT, не отнесенных ни к одной из наблюдаемых траекторий. По последовательности принятых сигналов осуществляется построение траекторий с одновременной проверкой двух альтернативных статистических гипотез о происхождении траектории: траектория обусловлена приемом сигналов локального шумящего объекта, либо траектория сформирована из помеховых сигналов, случайно образовавших траекторию. Одновременно производится классификация сигналов и определение КПДЦ. Для этого на каждом цикле обнаружения в сигналах, превысивших первичный порог обнаружения, производится выделение классификационных признаков цели из заданной совокупности, накопление вероятности принадлежности цели к классу из алфавита классов, определение пеленга на цель и дальности до нее и построение траектории движения цели по полученным координатам. Принятие решения об обнаружении траектории движения цели производится при накоплении не менее k обнаружений сигналов, принадлежавших траектории в n последовательных циклах обнаружения. Уровень первичного порога и значения k и n, обеспечивающие заданные на АГАС вероятность правильного обнаружения траектории цели и вероятность ложной тревоги, определяются с использованием известных выражений [1, 3]. После обнаружения сигнальной траектории на каждом последующем цикле продолжаются обработка смеси сигнала и помехи, сравнение статистик обнаружения с первичным порогом, классификация и определение КПДЦ, до выхода цели из зоны обнаружения АГАС. Только на этом этапе процесс приобретает статус сопровождения цели и уточнения принятых решений.
В случае отсутствия шумящей цели в зоне обнаружения АГАС (фиг. 2), так же как и в первом случае, в каждом ПК производится сравнение статистики обнаружения с первичным порогом и если в  последовательных циклах не будет зафиксировано ни одного превышения первичного порога сигналом, принадлежащим траектории, то принимается решение об отсутствии целей в зоне обнаружения и АГАС переводится в дежурный режим. При непревышении первичного порога в последовательности  обнаружений вероятность принятия решения об обнаружении сигнальной траектории в последующих  циклах равна 0. Следующее включение АГАС в режим обнаружения производится через промежуток времени, достаточный для того, чтобы не менее одного раза за расчетное время пребывания малошумной цели в пределах зоны обнаружения АГАС была произведена такая же процедура обнаружения траектории сигнала.
Способ может быть реализован путем включения в состав АГАС модуля управления электропитанием (МУЭ), который по заданной программе по данным от режима обнаружения подключает или отключает тракт обнаружения (ТО) от блока электропитания (БЭП), а сам МУЭ при этом продолжает функционировать.
При принятии решения об отсутствии цели в зоне обнаружения АГАС в ТО формируется сигнал, при получении которого МУЭ отключает линию электропитания между БЭП и ТО. Таким образом, АГАС переключается в дежурный режим, в котором функционирует по заданной программе только МУЭ, построенный на базе микроконтроллера и реле для коммутации линии питания. МУЭ имеет пренебрежимо малое энергопотребление по сравнению ТО. Например, у программируемого микроконтроллера типа STM32 [5] энергопотребление составляет 0,5 Вт⋅ч, а энергопотребление ТО в десятки раз больше. По окончании дежурного режима МУЭ подключает БЭП к ТО и АГАС переходит в режим обнаружения. При этом обеспечиваются заданные на АГАС вероятности обнаружения малошумных целей и ложной тревоги.
Основным назначением АГАС является обнаружение малошумных целей, которые с целью обеспечения скрытности действий предпочитают равномерное прямолинейное движение на максимально-малошумной скорости в пределах 4-12 узлов. Для любого периода функционирования АГАС количество малошумных целей будет составлять не более 1-3% от общего количества целей в зоне обнаружения АГАС. Эти особенности малошумных целей позволяют использовать заявляемый способ, предусматривающий эпизодические отключения режима обнаружения АГАС в периоды отсутствия малошумных целей в зоне обнаружения без снижения эффективности АГАС при решении основной задачи.
Заявляемый способ позволяет сократить время функционирования АГАС в режиме ШП, а, следовательно, и ее энергопотребление в N раз.
N=
(1)
где:
р
Ш - ширина рубежа обнаружения,
ц
V - скорость малошумной цели,
q - количество переключений АГАС из дежурного режима в режим обнаружения за расчетное время пребывания цели в зоне обнаружения,
n - максимальное количество циклов обнаружения и сравнения с первичным порогом для принятия решения об обнаружении сигнальной траектории,
ΔT - длительность усреднения статистики обнаружения перед сравнением ее с первичным порогом.
р
Эффективность способа рассмотрим на примере АГАС [6], которые при размещении на линии с заданной вероятностью обнаруживают малошумные цели на границе рубежа шириной Ш=6 км в течение 6 месяцев без замены источников электропитания. Для оценки примем следующие исходные данные:
ц
- V= 8 узл. (4,11 м/с);
- ΔT=20 с;
- k=5,
- n=7,
- q = 2 или 3.
При подстановке исходных данных в формулу (1) получим увеличение времени автономного функционирования АГАС в 5,2 раза, т.е. с 6 до 31 месяца и в 3,4 раза, т.е. с 6 до 20 месяцев при переключении АГАС из дежурного режима в режим обнаружения за расчетное время пребывания малошумной цели в зоне обнаружения соответственно 2 и 3 раза.
Источники информации
1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы. - СПб.: Наука, 2004.
2. Гаткин Н.Г., Карновский Н.И., Красный Л.Г., Шнер И.И. О пространственно-временной обработке шумовых сигналов // Радиотехника. - 1973. - Т. 28. № 5. - С. 9-16.
3. Патент на изобретение RU 2692839. Способ обнаружения, классификации и определения координат и параметров движения морской шумящей цели. Опубл. 28.06.2019 г.
4. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. - М.: Сов. радио, 1974.
5. Обзор микроконтроллеров семейства STM32. Электронный ресурс: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/micros/arm/cortex
6. Морская радиоэлектроника. Краткий справочник. - СПб.: Политехника, 2003. - C.186-188.