СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЦЕЛЕЙ ПО ГИДРОЛОКАЦИОННЫМ СИГНАЛАМ
METHOD OF IDENTIFYING TARGETS FROM SONAR SIGNALS

Изобретение относится к гидролокации и может быть применено для идентификации реальных объектов сложной геометрической формы (например морских подводных объектов или участков дна).
Известны способы идентификации (или классификации) по гидролокационным и радиолокационным сигналам (см. патенты РФ № 2176401, № 2161319, № 2000892, МКИ G01S 9/66, патент США № 3523292, MKИ G01S 9/02, НКИ 346-5 и др.).
В известных способах используется излучение узкополосных и широкополосных зондирующих импульсов. Анализируются спектры и корреляционные характеристики отраженных сигналов. Идентификация выполняется с использованием эталонных частотных и временных характеристик отраженных сигналов.
j
p
Реализация метода распознавания тел на основе взаимного расположения резонансных максимумов {f} в спектре эхо-сигнала представлена в патенте США № 3716823. В этом изобретении низкочастотный резонансный максимум f характеризует габаритный размер распознаваемого тела, а высокочастотные резонансы - толщины оболочек (или, возможно, резонансные свойства отдельных конструктивных элементов тела).
l
2
n
Длинные зондирующие импульсы с тональным заполнением на частотах f, f, …, f формируются с помощью генераторов и поступают на усилитель мощности. В усилителе мощности сигналы с генераторов усиливаются и через переключатель приемо-передачи поступают на гидроакустическую антенну.
1
n
n
1
Антенна должна быть широкополосной, чтобы обеспечить излучение и прием сигналов в полосе частот от f до f. Частота f может превышать частоту f в десятки раз и более. Использовать одну гидроакустическую антенну для излучения этих сигналов достаточно сложно (например, возможно применять многоэлементную антенну, состоящую из нескольких пьезоэлектрических преобразователей с разными резонансными частотами). В качестве такой антенны могут быть использованы параметрические излучатели. По-видимому, в настоящем изобретении предполагается использовать гидроакустическую антенну, состоящую из набора пьезоэлектрических преобразователей с разными резонансными частотами.
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
ω
Отраженный сигнал (или несколько сигналов на разных частотах) от распознаваемого тела поступает на приемник, в котором выполняется усиление сигналов в широкой полосе частот. С выхода приемника исследуемый эхо-сигнал поступает на полосовые фильтры, настроенные на выделение отдельных частотных составляющих f, f, - , f. Полосы частот фильтров согласуются с шириной полосы излучаемых сигналов. Если распознаваемое тело (объект) и (или) судно, на котором находится устройство, движутся, то в фильтрах должно быть учтено доплеровское смещение частоты эхо-сигнала (в описываемом устройстве это не предусматривается, по-видимому, судно и распознаваемое тело считаются неподвижными или малоподвижными). Сигналы с выходов фильтров поступают в компьютер. В компьютере вычисляются отношения амплитуд выходных сигналов kS, kS, …, kS фильтров, исключая зависимость их от коэффициента передачи гидроакустического канала k. Вычисленные соотношения амплитуд kS, kS, …, kS сопоставляются с их эталонными значениями для разных тел, поступающими в компьютер из запоминающего устройства. В компьютере принимается решение о принадлежности выборки kS, kS, …, kS одному из эталонов (решающее правило не указывается). Сигнал принятия решения для каждой зондирующей посылки поступает на устройство регистрации, а затем на цифровые индикаторы (люминесцентные индикаторы, печатающее устройство или другие индикаторы). Одновременно с распознаванием измеряются координаты облучаемого тела. С этой целью отдельным генератором формируется зондирующий импульс на частоте f, усиливается в усилителе мощности, через переключатель приемо-передачи поступает на один из преобразователей гидроакустической антенны и излучается одновременно с излучением основного полихроматического сигнала в направлении распознаваемого тела (дополнительные узлы схемы, необходимые для измерения координат тела).
a
Отраженный сигнал с выхода антенны через приемо-передатчик поступает на полосовой фильтр с центральной частотой f и с шириной полосы, соответствующей ширине спектра излучаемого сигнала. С выхода фильтра сигнал поступает в канал определения координат облучаемого тела, где измеряется его местоположение одним из известных способов. Измеренные координаты записываются в устройстве регистрации. Таким образом, в устройство регистрации одновременно поступает информация о типе (классе) распознаваемого тела (объекта), дальности его расположения и угловых координатах.
В качестве прототипа принимается патент США №4084148, в котором предложен способ и устройство для распознавания тел сложной формы по эхо-сигналу при использовании коротких зондирующих импульсов, обеспечивающих высокую разрешающую способность устройства распознавания по дальности расположения отдельных отражающих элементов тела 1.
ξ
ξ
Короткие тональные зондирующие импульсы, пространственная длина которых сτ/2 (где с - скорость звука, τ - длительность зондирующего импульса) значительно меньше габаритных размеров распознаваемых тел, формируются с помощью генератора и излучаются в водную среду с помощью излучателя.
ξ
ξ
ξ
ξ
Отраженный от облучаемого тела сигнал s(t) поступает на приемник. В блоке прямого преобразования Фурье-БППФ определяется спектр F(ω) эхо-сигнала s(t). Зондирующий импульс с генератора поступает одновременно на излучатель и в блок прямого преобразования Фурье-БППФ, где вычисляется его спектр F(ω). В инверторе формируется функция 1/ F(ω), обратная спектру зондирующего импульса ξ(t). В умножителе вычисляется отношение спектра эхо-сигнала F(ω) к спектру зондирующего импульса F(ω). Таким образом, определяется частотная передаточная функция отражающего тела Н(ω)=F(ω)/F(ω). B блоке обратного преобразования Фурье-БОПФ вычисляется переходная функция отражающего тела h(t). Функцию h(t) представляют в виде суммы дельта-функций:
i
i
Где a - амплитудные коэффициенты; τ - времена запаздывания прихода отдельных отраженных сигналов от тела сложной формы.
i
i
ξ
ξ
Вычисленная переходная функция характеризует взаимное расположение отражающих элементов на теле сложной формы с помощью величин τ и соотношения уровней отражения зондирующего импульса от этих элементов - амплитудными коэффициентами a. Переходная функция h(t) используется непосредственно для распознавания тел сложной формы. В схеме устройства не приведены блок эталонов и блок принятия решений. В описании способа и устройства не указан тип решающего правила. Вычисление передаточной функции отражающего тела Н(ω) в виде отношения спектра эхо-сигнала F(ω) к спектру зондирующего импульса F(ω) связано с определенными трудностями при движении судна-носителя настоящего устройства относительно распознаваемого тела. В этом случае спектр эхо-сигнала F(ω) будет смещен и возможно расширен относительно спектра зондирующего импульса F(ω). В рассмотренном патенте не приведены формулы для Н(ω) и h(t) с учетом доплеровского сдвига частоты эхо-сигнала. Недостатком этого устройства является необходимость три раза выполнять преобразование Фурье, что усложняет построение системы распознавания тел сложной геометрической формы.
j
j
По-видимому, целесообразно выделять переходную функцию h(t) непосредственно из огибающей эхо-сигнала, например, с помощью алгоритма выделения существенных локальных максимумов (Давыдов B.C. Алгоритм выявления существенных максимумов в огибающей сигнала. // Тезисы доклада на всесоюзном акустическом семинаре. М., 1988, с.64). В этом случае не требуется дополнительно учитывать доплеровское смещение спектра эхо-сигнала при вычислении h(t). Для распознавания тел сложной формы следует использовать в первую очередь наиболее информативное признаковое пространство временных положений максимумов в эхо-сигналах {τ}, а признаковое пространство амплитудных значений максимумов {S} привлекать в качестве дополнительного, если требуется повысить вероятность правильного распознавания. При этом возможно применять оптимальные решающие правила (Давыдов B.C. Оптимальное решающее правило для распознавания тел сложной геометрической формы по отраженным гидроакустическим сигналам.// Тезисы доклада IV Дальневосточной конференции. Акустические методы и средства исследования океана. // АН СССР, Владивосток, 1986, с.33-36).
Этот способ использует для идентификации классификационные признаки, содержащие наибольшую информацию о телах сложной геометрической формы. Однако при использовании зондирующих импульсов с высокой разрешающей способностью по дальности уровень отражения сигналов меньше, чем при использовании длинных зондирующих импульсов (без сжатия) за счет того, что отдельные максимумы эхо-сигналов формируются при отражении импульсов не от всего корпуса цели, а от его отдельных отражающих элементов. Для идентификации необходимо превышение максимумов над минимумами, а минимумы должны быть больше уровня помех, при соотношении сигнал/помеха меньше 18 дБ сложно обеспечить надежную идентификацию ПЛ.
Целью настоящего предложения является повышение помехоустойчивости идентификации целей сложной геометрической формы по конструкции ее корпуса при угле лоцирования, определяемом с погрешностью не более 15°.
Цель достигается тем же, что в способе идентификации целей по гидролокационным сигналам, включающем излучение зондирующих импульсов с высоким разрешением по дальности, прием отраженных сигналов от цели, определение угла лоцирования цели с погрешностью не более 15°, формируют эталонные значения временных положений максимумов в отраженных сигналах в процессе обучения, при идентификации выбирают из памяти эталонные значения временных положений существенных максимумов в отраженных сигналах для различных целей и определенного диапазона углов лоцирования, соответствующего величине измеренного угла лоцирования, формируют зондирующие сигналы в виде суммы зондирующих импульсов с эталонными временными задержками, причем задержки зондирующих импульсов относительно первого импульса в формируемом сигнале соответствуют временным положениям существенных максимумов относительно последнего максимума в отраженном сигнале, излучают сформированные сигналы в направлении на цель, принимают отраженные сигналы, выделяют огибающие этих сигналов, запоминают средний уровень каждой огибающей отраженного сигнала и идентифицируют цель, соответствующую зондирующему суммарному сигналу, вызвавшему отраженный сигнал с превышением максимума его огибающей над средним уровнем на величину задаваемого порога.
При использовании сложных зондирующих импульсов после излучения сформированных суммарных сигналов и приема отраженных сигналов перед выделением огибающих сигналов выполняют согласованную фильтрацию отраженных сигналов.
Существенными отличительными признаками заявляемого решения от известных технических решений (см. патенты РФ № 2176401, № 2161319, 2000892) и прототипа являются:
- формирование зондирующих сигналов в виде суммы зондирующих импульсов с эталонными временными задержками, соответствующими расположенным в обратном порядке эталонным значениям временных положений существенных максимумов в отраженных сигналах для разных целей и определенного диапазона углов лоцирования, соответствующего величине измеренного угла лоцирования цели;
- идентификация цели, соответствующей излученному суммарному зондирующему сигналу, вызвавшему отраженный сигнал с превышением максимума его огибающей над средним уровнем на величину задаваемого порогового значения.
Таким образом, заявляемое решение обладает существенными отличиями.
Положительный эффект - повышение помехоустойчивости идентификации целей достигается за счет облучения цели зондирующим сигналом, представляющим собой сумму зондирующих импульсов, задержки между которыми соответствуют расположенным в обратном порядке временным положениям существенных максимумов в отраженном сигнале от этой цели (т.е. расположению наиболее существенных по отражающей способности элементов корпуса цели) в диапазоне углов лоцирования, соответствующем углу лоцирования цели. При этом отраженный сигнал формируется в результате сложения отдельных отраженных импульсов от совокупности отражающих элементов цели. В отраженном сигнале формируется максимум при сложении отраженных импульсов от всех наиболее существенных по отражающей способности элементов корпуса цели. Уровень этого максимума соответствует уровню отраженного длинного зондирующего импульса от всей отражающей поверхности цели сложной геометрической формы и превышает средний уровень отраженного сигнала от цели при использовании зондирующих импульсов с высоким разрешением по дальности (например, для протяженных тел сложной формы, как правило, на 8-12 дБ для всех косых углов лоцирования).
Для идентификации цели достаточно определить превышение этого максимума над средним уровнем огибающей отраженного сигнала. При этом уровень помех может быть соизмерим со средним уровнем огибающей отраженного сигнала. Для идентификации целей в прототипе и других известных способах идентификации (или классификации) необходимо получить информацию о структуре отраженного сигнала. В прототипе требуется выявлять существенные максимумы по отношению к ограничивающим их минимумам, имеющим уровень на 18-20 дБ меньше уровня максимумов. В заявляемом решении уровень помех может соответствовать уровню этих максимумов в отраженном сигнале.
Таким образом, в заявляемом решении допускается уровень помех на 18-20 дБ больше, чем в прототипе. Следовательно, помехоустойчивость заявляемого решения на 18-20 дБ выше, чем прототипа и большинства известных способов идентификации (классификации) целей.
На фиг.1 приведен пример формирования отраженного сигнала от цели, состоящей из трех отражающих элементов, при облучении ее коротким зондирующим импульсом и суммарным сигналом, где
1 - огибающая отраженного сигнала;
2 - зондирующий сигнал, представляющий собой сумму зондирующих импульсов;
3 - сигнал, отраженный от первого отражающего элемента;
4 - сигнал, отраженный от второго отражающего элемента;
5 - сигнал, отраженный от третьего отражающего элемента;
6 - суммарный сигнал, отраженный от цели.
На фиг.2 приведена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ, где
8 - генератор зондирующих импульсов;
9 - усилитель мощности;
10 - приемо-излучающая антенна;
11 - идентифицируемая цель;
12 - усилитель премного тракта;
13 - пеленгатор;
14 - измеритель угла лоцирования;
15 - запоминающее устройство;
16 - ключевые схемы;
17 - сумматор;
18 - согласованный фильтр;
19 - детектор;
20 - интегратор;
21 - запоминающее устройство;
22 - линия задержки;
23 - вычитающее устройство;
24 - компаратор;
25 - счетчик импульсов;
26 - индикатор.
На фиг.1 показан пример огибающей отраженного сигнала от цели, имеющей сложную геометрическую форму, т.е. состоящий из нескольких отражающих элементов (в примере из трех отражающих элементов).
При использовании коротких тональных зондирующих импульсов или сложных зондирующих сигналов с последующим сжатием огибающая отраженного сигнала 1 содержит несколько существенных максимумов. Временные положения этих максимумов отмечены пунктиром.
i
i
1
Передаточная функция отражающей цели сложной геометрической формы представляется в виде набора дельта-импульсов, задержанных друг относительно друга на время τ с амплитудными множителями a. При облучении этой цели зондирующим импульсом ξ(t) отраженный сигнал S(t) формируется в виде суммы отдельных импульсов ξ(t), отраженных от элементов цели и определяется в виде свертки:
,
где  - переходная функция тела сложной формы;
i
a - амплитудные коэффициенты, характеризующие уровни отражения зондирующего импульса от отдельных участков тела;
δ(t) - дельта-функция Дирака;
i
τ - взаимные запаздывания между отдельными отраженными сигналами.
i
j
i
j
i
Зная эталонные усредненные значения временных положений максимумов {τ} в отраженных сигналах для различных целей и определенных диапазонов углов лоцирования, можно сформировать зондирующий сигнал в виде суммы зондирующих импульсов с временными задержками {τ}, расположенными в обратном порядке по отношению к {τ}. Формируемый зондирующий сигнал 2 представлен на фиг.1 в виде трех зондирующих импульсов, задержки между которыми {τ} соответствуют временным положениям максимумов в отраженном сигнале 1, но расположены в обратном порядке по отношению к {τ}.
Зондирующий сигнал можно представить в виде:
i
j
На фиг.1 для упрощения α и α изображены равными.
i
Сигналы, отраженные от первого, второго и третьего элементов цели 3, 4, 5, задержаны относительно друг друга в соответствии с временными положениями максимумов {τ} в отраженном сигнале 1.
2
На фиг.1 отраженные сигналы 3, 4, 5 для упрощения представлены в виде набора отдельных импульсов без учета диффузной составляющей отраженного сигнала. Суммарный сигнал 6, отраженный от цели, можно представить также в виде свертки зондирующего сигнала S(t) 2 с передаточной функцией отражающей цели в виде набора дельта-импульсов:
j
i
Σ
При совпадении {τ} и {τ} S(t) равен сумме отраженных сигналов от всех отражающих элементов объекта:
j
при а=1, для j=1, 2…n.
В середине отраженного сигнала 6 виден ярко выраженный максимум, амплитуда которого равна энергетической сумме зондирующих импульсов, отраженных от всех отражающих элементов цели.
Как было указано выше, превышение этого максимума над средним уровнем огибающей отраженного сигнала, измеренным на участке, не захватывающем максимум, составляет, например, на косых углах облучения тела сложной формы 8÷12 дБ.
i
i
j
В устройстве, реализующем предложенный способ (фиг.2), генератор 8 формирует зондирующие импульсы с высоким разрешением по дальности (короткие по сравнению с длиной цели тональные зондирующие импульсы или сложные зондирующие импульсы, например, с частотной модуляцией). Зондирующие импульсы усиливаются с помощью усилителя мощности 9 и излучаются с помощью антенны 10. Отраженные от цели сигналы 11 усиливаются в усилителе приемного тракта 12. С помощью пеленгатора 13 и измерителя угла лоцирования 14 определяется угол лоцирования цели одним из известных способов. Информация об угле лоцирования с погрешностью не более 15° поступает в запоминающее устройство 15, где хранятся эталонные значения временных положений максимумов {τ} в отраженных сигналах для различных целей и диапазонов углов лоцирования. Эталонные значения {τ} выбираются из запоминающего устройства 15 в обратном порядке относительно первого максимума в отраженных сигналах и поступают в качестве управляющих сигналов на ключевые схемы 16. На ключевые схемы поступают также зондирующие импульсы с генератора 8. Задержанные относительно друг друга зондирующие импульсы суммируются в сумматоре 17, формируются в суммарные зондирующие сигналы и поступают для излучения на усилитель мощности 9. Суммарные зондирующие сигналы, сформированные в соответствии с {τ} для разных целей, излучаются с помощью антенны 10. Отраженные сигналы принимаются с помощью антенны 10, усиливаются в усилителе приемного тракта 12 и поступают в согласованный фильтр 18 (согласованный фильтр применяется только в случае использования сложных зондирующих сигналов). В согласованном фильтре 18 выполняется сжатие отраженных сигналов, например, путем корреляции их с копией зондирующего импульса (возможна многоканальная обработка с учетом доплеровского смещения спектров отраженных сигналов). В детекторе 9 выделяется огибающая каждого отраженного сигнала. Сигнал с детектора поступает на счетчик импульсов 25. Счетчик подсчитывает каждый отраженный сигнал. Номер каждого приходящего от цели отраженного сигнала соответствует номеру излученного зондирующего сигнала, а следовательно, номеру идентифицируемой цели. Сигналы со счетчика подаются на индикатор 26. Определяются средние уровни огибающих каждого отраженного сигнала с помощью интегратора 20, запоминаются в запоминающем устройстве 21 и поступают на вычитающее устройство 23. В вычитающем устройстве 23 вычисляется разность между текущими значениями огибающих (поступающих с детектора 19 через линию задержки 22) и их средним уровнем. Величина этой разности поступает на компаратор 24 и сравнивается с пороговым значением. При превышении порогового значения срабатывает компаратор 24. Выходной сигнал компаратора поступает на индикатор 26. При срабатывании компаратора его выходной сигнал дает разрешение на высвечивание или регистрацию с помощью индикатора 26 номера идентифицируемой цели.
Предлагаемый способ позволяет повысить помехоустойчивость идентификации целей сложной формы при использовании наиболее информативных классификационных признаков - временных положений максимумов в отраженных сигналах. Этот способ является устойчивым к возможным искажениям отраженных сигналов за счет многолучевого распространения сигналов в море, так как в этом случае в суммарном отраженном от цели сигнале формируется не один, а несколько глобальных максимумов, но правило идентификации цели не изменяется. Повышение помехоустойчивости идентификации целей позволяет увеличить дальность распознавания целей либо повысить вероятность их правильного распознавания.