СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ОБЪЕКТА В ВОДНОЙ СРЕДЕ
METHOD OF OBJECT IN AQUEOUS MEDIUM AUTOMATIC DETECTION AND CLASSIFICATION

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем автоматической и автоматизированной классификации морских объектов, применительно к гидролокационным станциям ближнего действия.
К приводняющимся объектам могут быть отнесены сбрасываемые с самолетов или вертолетов гидроакустические буи, устанавливаемые подводные стационарные маяки и др. Иногда эти постановки бывают легальными и согласованными, а в большинстве случаях противоправными, что влечет за собой необходимость обнаруживать нелегальную установку и ликвидировать ее. Именно этим объясняется необходимость обнаружения и классификации приводняющихся объектов.
В рассматриваемой задаче необходимо классифицировать приводняющийся объект, который создает свою систему классификационных признаков, характерную для момента вхождения объекта в воду.
Известна система автоматической классификации гидролокатора ближнего действия по патенту РФ № 2465618, которая содержит последовательность операций: излучение зондирующего сигнала, прием эхосигналов, многоканальную пространственная обработку принятых эхосигналов, измерение помехи и выбор порога, обнаружение эхосигналов, превысивших порог, измерение угловой протяженности, измерение радиальной протяженности, автоматическая классификация принятых эхосигналов и отображение на индикаторе результатов.
Недостатком рассматриваемой системы классификации является тот, что отсутствует возможность классификации приводняющегося объекта.
Известен способ автоматической классификации объектов на классы - малоразмерная и крупноразмерная цель по патенту РФ 2461020 от 10.09.2012, при котором принимают эхосигналы статическим веером характеристик направленности, производят дискретизацию принятого сигнала, запоминают все принятые отсчеты, обработку информации в характеристиках направленности производят последовательно по мере поступления входной информации, по первому циклу приема производят определение уровня помехи, как результат суммирования всех отсчетов по первому циклу приема по всем пространственным каналам, вычисляют порог обнаружения по среднему значению всех отсчетов, измеренных в первом цикле приема по всем пространственным каналам, производят автоматическое определение превышения выбранного порога обнаружения последовательно по всем пространственным каналам статического веера характеристик направленности, измеряют и запоминают амплитуды и номера отсчетов, превысивших порог обнаружения, измеряют и запоминают номера пространственных каналов, в которых произошло превышение порога обнаружения, выбирают пространственный канал, имеющий максимальную амплитуду принятого сигнала, измеряют радиальную протяженность объекта в пространственном канале, имеющем максимальную амплитуду по количеству отсчетов, превысивших порог обнаружения, измеряют угловую протяженность объекта по числу пространственных каналов, в которых обнаружено превышение порога обнаружения в отсчетах, имеющих одинаковые номера, и если количество пространственных каналов, в которых обнаружен эхосигнал с одинаковыми номерами отсчета, не больше 2-х, а радиальная протяженность объекта в канале с максимальной амплитудой меньше заданного порога радиальной протяженности крупноразмерной цели, то объект автоматически классифицируют как мелкоразмерную цель, если количество пространственных каналов, в которых обнаружен эхосигнал с одинаковыми номерами отсчетов, больше 2-х, но меньше 5-ти, и радиальная протяженность в канале с максимальной амплитудой больше максимальной протяженности малоразмерной цели, то автоматически классифицируют как крупноразмерную цель.
Однако этот способ также не позволяет классифицировать приводняющиеся объекты. Этот способ является наиболее близким аналогом по своей технической сущности и поэтому целесообразно его принять за прототип.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение классификации приводняющегося объекта по нескольким посылкам.
пор
пор
1
н1
пор
2
к1
к1
пор
2
1
3
н2
пор
4
к2
пор
1
3
к1
пор
н2
пор
1
4
3
Для достижения указанного технического результата необходимо в способе, содержащем излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала веером статических характеристик направленности, измерение помехи и выбор порога обнаружения A, определение эхосигналов, превысивших порог, автоматическое обнаружение превышения выбранного порога последовательно по всем пространственным каналам статического веера характеристик направленности, измерение и запоминание амплитуды и номера отсчетов, превысивших порог обнаружения, измерение и запоминание номеров пространственных каналов, в которых произошло превышение порога обнаружения, введены дополнительные признаки, а именно во всех пространственных каналах, амплитуда отсчетов которых превысила A, измеряют момент начала обнаруженного первого эхосигнала t, измеряют амплитуду начала первого обнаруженного эхосигнала A>A, измеряют момент времени окончания первого эхосигнала t, измеряют амплитуду конца первого эхосигнала A, снизившегося до уровня помехи A<A, измеряют временную протяженность первого эхосигнала как t-t , измеряют время начала второго обнаруженного эхосигнала t, измеряют амплитуду начала второго обнаруженного эхосигнала A>A, измеряют момента окончания второго обнаруженного эхосигнала t , при котором амплитуда конца второго обнаруженного эхосигнала A<A, определяют временную протяженность второго эхосигнала t-t , принимают решения в пользу приводняющегося объекта, если эхосигнал обнаружен не более чем в трех соседних пространственных каналах, и если в одном из пространственных каналов наблюдается уменьшение амплитуды конца первого эхосигнала до уровня помехи A<A, после этого наблюдается увеличение амплитуды начала второго эхосигнала A>A, и между окончанием первого эхосигнала и началом второго эхосигнала наблюдается помеха, и при этом измеренная длительность первого эхосигнала больше длительности второго эхосигнала (t2-t)>(t-t).
н1
пор
1
Особенностью классификации приводняющегося объекта является то, что одновременно наблюдается эхосигнал от крупноразмерного объекта, каковой является воздушная каверна, и от малоразмерного объекта, который представляет собой сам корпус приводняющегося объекта. Приводняющийся объект, как правило, имеет большую скорость падения и отрицательную плавучесть, поэтому при падении в воду он погружается и образует воздушную каверну, которая увлекается за падающим объектом. Таким образом, падающий объект погружается в воздушном мешке, окруженный пеленой пузырей. Сам падающий объект и пелена пузырей являются хорошими отражателями. При облучении зондирующими сигналами возникает отражение от пелены пузырей - первый эхосигнал и от корпуса - второй эхосигнал. Протяженный по длительности отраженный эхосигнал от каверны будет иметь A>A превышение порога в момент начала t. Конец всего эхосигнала будет определять положения металлического корпуса, который погружается быстрее, чем пелена пузырей, следующая за ним. Начало первого эхосигнала определяет дистанцию приводнения, относительно которой начинается измерение. По второму эхосигналу определяется положение корпуса приводняющегося объекта, что фиксируется по положению конца второго эхосигнала.
2
1
4
3
к1
пор
Формирование воздушной каверны и свободное движение объекта под собственной силой тяжести с определенной скоростью зависит от скорости вхождения объекта в воду, его массы и парусности. Эти параметры априорно неизвестны, но они влияют на значение скорости погружения, причем скорость погружения корпуса значительно больше нуля. Кроме того, вектор этой скорости направлен вниз и не может быть измерен традиционными методами измерения радиальной скорости по доплеровскому смещению спектра или временной задержки эхосигнала между посылками, поскольку нет радиального перемещения объекта, связанного с изменением дистанции. Таким образом, одним из признаков является перемещения объекта вниз вертикально с большой скоростью, и, как следствие, образование большой отражающей воздушной пузырьковой области, что отображается в протяженности первого эхосигнала (t-t) . Другим признаком является наличие эхосигнала, отраженного от корпуса при его погружении, длительность которого (t-t). Третьим признаком может быть различия в размерах воздушной каверны и самого тела приводняющегося объекта. Образованная воздушная полость имеет коническую форму, которая расширяется к поверхности и сужается в сторону погружения объекта, что приводит к уменьшению амплитуды первого эхосигнала A<A. Поэтому после окончания первого эхосигнала будет наблюдаться второй эхосигнал от корпуса самого объекта, характеристики которого будут отличаться от характеристик эхосигнала от воздушной каверны. Между корпусом объекта и воздушной каверной имеет место разрыв, который объясняется разностью направлений движения воздушных пузырей, образующих каверну и поднимающихся кверху, и корпусом объекта, который падает вниз под действием большой массы. Это приведет к отсутствию эхосигнала между корпусом и воздушной каверной, что является еще одним классификационным признаком. Воздушная каверна расширяется в сторону поверхности и поэтому эхосигнал от воздушной каверны может наблюдаться в нескольких пространственных каналах.
2
1
4
3
Классификация с использованием оценки радиальной протяженности известна достаточно давно (Фридман А. «Изображение формы тела с помощью звуколокационной или радиолокационной системы», Зарубежная радиоэлектроника, 1963 г., №8, стр. 43-64). Механизм формирования отраженного сигнала от объекта с конечной протяженности рассмотрен на стр. 48 А.Н. Яковлев, Г.П. Каблов «Гидролокаторы ближнего действия». -Л.: Судостроение,. 1983 г., где приведены принципы формирования тонкой структуры эхосигнала. Амплитуда огибающей каждого эхосигнала пропорциональна величине площади нормали относительно направления излучения, поэтому длительность эхосигнала от воздушной каверны будет больше длительности эхосигнала от корпуса объекта (t-t)>(t-t).  Методы оценки временной протяженности эхосигналов подробно изложены в монографии Б.Н. Митяшев «Определение временного положения импульсов при наличии помех».-М.: Сов. Радио, 1962 г.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена блок-схема устройства, реализующего способ.
На фиг. 1 представлено устройство, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ классификации.
Устройство содержит гидролокатор 1, который через многоканальное приемное устройство 2 , через процессор 3, в который входят последовательно соединенные блок 4 выбора порога и обнаружение эхосигналов, блок 5 измерение амплитуд и времен обнаруженных эхосигналов, блок 6 формирования классификационных признаков, блок 7 принятия решения, и через индикатор 8 соединен с блоком 9 оператора.
Гидролокаторы подробно рассмотрены в книге А.С. Колчеданцев «Гидроакустические станции».-Л: Судостроение, 1982 г.
С помощью предлагаемого устройства (фиг. 1) реализация предлагаемого способа происходит следующим образом:
н1
к1,
н2
к2
1
2
3
4
Гидролокатор 1 формирует зондирующий сигнал и излучает его в воду, после чего принимает отраженный эхосигнал статическим веером характеристик направленности и передает принятые эхосигналы в многоканальное приемное устройство. Гидролокатор является известным устройством, в котором происходит формирование и излучение зондирующего сигнала через штатную антенну, прием эхосигналов осуществляется статическим веером характеристик направленности. Принятые гидролокатором 1 эхосигналы через многоканальное приемное устройства 2 поступают в процессор 3, в котором происходит выделение классификационных признаков, которые характерны для приводняющегося объекта. В блоке 4 процессора происходит измерение помехи и выбор порога Апор., по превышению которого определяются эхосигналы в пространственных каналах. В блоке 5 происходит измерение амплитуд A, A А А и времен t, t, t, t, обнаруженных эхосигналов в соседних пространственных каналах, на основании которых происходит формирование классификационных признаков: число пространственных каналов, длительности эхосигналов и их последовательность, соотношения амплитуд, и при их наличии принимается решение о наличии приводняющегося объекта. Результат передается на индикатор 8 и предоставляется оператору для принятия решения. Управление работой осуществляется процессором, который определяет последовательность набора входной информации и порядок обнаружения и измерения пороговых сигналов.
В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах (см. Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника». СПб :Наука, 2004 г., стр. 164-176, стр. 278-295), которые преобразуют электрический сигнал на выходе антенны в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную обработку и обнаружение сигнала, а также измерение амплитуд эхосигналов, определение радиальной и угловой протяженности и принятие решения о цели. Существующие программы цифровой обработки с использованием современного математического обеспечения позволяют реализовать предлагаемые процедуры обнаружения и классификации практически на любом современном компьютере. Принципы цифрового преобразование и обработки достаточно подробно приведены в работе «Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма.- М.: Мир, 1980 г., стр. 389-436.
Таким образом, используя предлагаемую последовательность обработки и выделенные классификационные признаки можно решить задачу автоматического обнаружения и классификации приводняющегося объекта.