СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ СИГНАЛА ОТ ЦЕЛИ
METHOD OF DETECTING AND CLASSIFYING SIGNAL FROM TARGET

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем автоматической и автоматизированной классификации морских объектов, применительно к гидролокационным станциям ближнего действия.
Известны способы обнаружения и классификации эхосигнала, основанные на приеме эхосигнала гидролокатора на фоне шумов и помех в среде, преобразование акустического сигнала в электрический гидроакустической антенной, определении энергетического спектра электрического процесса на выходе гидроакустической антенны, представляющего собой смесь электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, изложенные, например, в работе Евтютова Е.С. и Митько В.Б. "Примеры инженерных расчетов в гидроакустике". Судостроение, 1981 г., с.77. Способ содержит спектральный анализ этого процесса, детектирование спектральных составляющих, интегрирование огибающей процесса и обнаружение сигнала при сравнении с порогом. При этом в качестве классификационного признака эхосигнала выбирается превышение уровня эхосигнала над уровнем помехи. Классификация осуществляется на классы эхосигнал и помеха. Похожий метод реализован в работе Яковлева А.Н., Каблова Г.П. "Гидролокаторы ближнего действия". Л., Судостроение, 1983 г.
Аналогичный способ обнаружения эхосигнала изложен в книге B.C. Бурдика "Анализ гидроакустических систем". Судостроение, 1988 г., стр.347 и содержит многоканальную по частоте фильтрацию, детектирование, выделение огибающей и сравнение с порогом.
Подобный способ приведен в "Справочнике по гидроакустике". Судостроение, 1988 г., стр.27. При этом под спектральным анализом понимают, как правило, полосовую фильтрацию, выделяющую основную энергию электрического процесса. При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса, (см., например, "Применение цифровой обработки сигналов", М., изд. Мир, 1990 г., стр.296).
Решение о наличии эхосигнала от цели принимается при превышении порога и по смещению спектра цели относительно спектра излученного сигнала. По величине смещения спектра классифицируется цель на классы подвижная и неподвижная. Этот способ применим в системах с использованием длительных зондирующих сигналов, и не может быть использован при применении зондирующих сигналов с короткой длительностью. В гидролокаторах освящения ближней обстановки, как правило, используются сигналы короткой длительности и для классификации может быть использована информация, которая основана на пространственных и временных особенностях классифицируемых объектов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, реализованный в аппаратуре рыбопоискового гидролокатора "Угорь". Способ предусматривает режим одновременного кругового обзора (Тикунов А.И. "Рыбопоисковые приборы и комплексы" Л., Судостроение, 1989 г., стр.140-153), который также может классифицировать эхосигнал и помеху на фоне нормального стационарного шума. В состав гидролокатора входит приемная и излучающая гидроакустическая антенна, коммутатор приема передачи, генераторное устройство, тракт приема, включающий аппаратуру обработки принятых сигналов и пульт управления с электронным индикатором.
Антенна гидролокатора «Угорь» в режиме одновременного кругового обзора не направленно излучает акустические зондирующие сигналы в горизонтальной плоскости. В режиме приема осуществляется электронное круговое сканирование диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, прием сигнала в каждом направлении, обработка сигнала в каждом направлении и вывод информации на дисплей для принятия решения оператором.
Таким образом, способ-прототип содержит следующую последовательность операций:
- не направленное излучение зондирующего сигнала,
- сканирование диаграммы направленности в горизонтальной плоскости,
- прием эхосигнала;
- согласованную фильтрацию принятого сигнала;
- детектирование и сравнение с порогом,
- вывод информации на индикатор дисплея.
Обнаружение сигнала производится либо оператором по информации, предоставляемой на индикаторе, либо при сравнении амплитуды эхосигнала с порогом в направлении цели в соответствии с выбранными критериями относительно нормальной стационарной помехи. Классификация осуществляется на классы эхосигнал от объекта и помеха. Классифицировать обнаруженные объекты на классы надводный объект или подводный объект с использованием имеющейся процедуры обработки не представляется возможным.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа.
Технический результат состоит в обеспечении возможности автоматической классификации эхосигналов от надводных и подводных объектов.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный способ, содержащий излучение сигнала, прием эхосигнала, согласованную фильтрацию, детектирование эхосигнала, сравнение с порогом и вывод на индикатор введены новые операции, а именно: прием сигнала осуществляют статическим веером характеристик направленности (ХН), производят дискретизацию входной информации по всем каналам характеристик направленности, запоминают все принятые отсчеты, обработку информации в характеристиках направленности производят последовательно по мере поступления входной информации, вычисляют порог по среднему значению всех отсчетов, измеренных в первом цикле приема по всем характеристикам направленности, автоматическое обнаружение эхосигнала производят по превышению выбранного порога последовательно по всем характеристикам направленности статического веера; измеряют и запоминают амплитуды отсчетов, превысивших порог; измеряют и запоминают номера отсчетов, превысивших порог; измеряют и запоминают номера характеристик направленности, в которых произошло превышение порога, измеряют и запоминают амплитуды отсчетов, имеющих максимальное значение и их номера, повторяют эти операции для последующих 3-х и более циклов излучения и приема эхосигнала, идентифицируют измеренные максимальные амплитуды отсчетов по характеристикам направленности, идентифицируют измеренные максимальные амплитуды отсчетов по времени приема, измеряют радиальную скорости объекта классификации, вычисляют дисперсию максимальных амплитуд отсчетов эхосигнала от объекта для 3-х и более циклов излучения и приема, а решение в пользу надводного объекта принимают при величине дисперсии амплитуд максимальных отсчетов больше порогового значения при постоянной радиальной скорости объекта классификации. В противном случае принимается решение в пользу подводной цели.
2
2
2
порог.
мax
порог
мax
При пересечении характеристик направленности на уровне 0,7 порог принятия решения выбирается по формуле б =0.15A , где б  - пороговое значение оценки дисперсии для подводного неподвижного объекта, A - максимальное значение амплитуды эхосигнала из всей выборки, используемой для оценки дисперсии.
Поясним достижение заявленного технического результата.
Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Объекты, которые могут быть обнаружены гидролокатором ближнего действия, имеют различные физические характеристики. Объекты могут находиться на поверхности или быть погружены на различную глубину, или просто располагаться на дне. Эхосигналы от этих объектов будут различаться по своим энергетическим характеристикам. Для определения этих характеристик используется многоканальный прием эхосигнала статическим веером характеристик направленности, что обеспечивает пространственную селекцию обнаруженных объектов по всем характеристикам направленности (ХН). Для автоматического обнаружения эхосигнала применяется стандартная процедура сравнения эхосигнала с порогом, но особенностью определения величины порога является измерение уровня помехи по результату осреднения суммы всех дискретизированных отсчетов первого набора во всех характеристиках направленности. Обработка эхосигнала начинается почти сразу же после окончания излучения. На вход приемной системы поступают дискретизированные отсчеты с выхода антенны последовательно по всем характеристикам направленности. После измерения помехи и выбора порога обнаружения следует процедура обнаружения эхосигнала, которая производится последовательно по всем характеристикам направленности. Определяются отсчеты эхосигнала, которые превысили порог, оценивается амплитуда отсчетов эхосигнала и длительность, временное положение отсчетов эхосигнала и их положение в характеристиках направленности. Эхосигнал от объекта, как сумма и конфигурация отсчетов, может находиться в одном или нескольких характеристиках направленности, поскольку характеристики направленности перекрываются. Число характеристик направленности, в которых произошло обнаружение объекта, не может являться классификационным признаком для классификации надводной и подводной цели. На поверхности, в глубине, и на дне могут находиться объекты, имеющие как одинаковые, так и различные пространственные и протяженные характеристики. Один и тот же объект, например батискаф, может быть и в подводном и в надводном положении в зависимости от выполняемой задачи.
Зависимость интенсивности эхосигнала от эквивалентного радиуса объекта определяется выражением (А.Н.Яковлев, Г.П.Каблов «Гидролокаторы ближнего действия». Судостроение, Л., 1983 г., стр.39):
Где: А - интенсивность эхосигнала, K - коэффициент концентрации, Ф - аномалия распространения, R - эквивалентный радиус.
При фиксированной дистанции все входящие в формулу параметры будут постоянными для надводной цели, кроме эквивалентного радиуса, который будет изменяться в зависимости от волнения. Если объект находится на поверхности воды, то в зависимости от его размера и осадки он будет подвергаться воздействию волнения, которое формируется случайным образом и зависит от состояния погоды. Объект локации под воздействием волнения будет либо погружаться в воду, либо всплывать при прохождении фронта морской волны, что известно из практики плавания как качка. Если объект погружается в воду, то площадь погруженного объекта увеличивается, что приводит к увеличению энергии отраженного эхосигнала. Если при прохождении фронта морской волны объект обнажается, то площадь локации уменьшается, и уровень эхосигнала, отраженного от объекта в данный момент, будет уменьшаться.
В том случае, если объект находится полностью под водой, то его эквивалентный радиус практически не будет изменяться и, соответственно, не будет изменяться уровень эхосигнала. Таким образом, если измерять максимальную амплитуду эхосигнала, отраженного от объекта, и величину изменения максимальной амплитуды по нескольким посылкам, то можно вынести решение о классе обнаруженного объекта. Величина, которая характеризует изменение максимальной амплитуды эхосигнала по нескольким измерениям, что соответствует нескольким циклам излучения - прием за равные промежутки времени, является оценка дисперсии амплитуды максимума, которая вычисляется по стандартной процедуре. Особенностью этих измерений является необходимость выбирать максимальную амплитуду отсчета эхосигнала среди нескольких пространственных каналов статического веера и среди нескольких отсчетов, принадлежащих объекту классификации. Для этого необходимо произвести идентификацию отсчетов по характеристикам направленности и по протяженности объектов. В качестве критерия принадлежности максимума эхосигнала характеристикам направленности является нахождение эхосигнала на одной дистанции в соседних характеристиках направленности, что соответствуют идентификации по номерам отсчетов характеристик направленности. Кроме того, необходимо провести идентификацию эхосигналов в последующих циклах излучение - прием. Критерием принадлежности эхосигнала одной и той же цели является оценка радиальной скорости цели, которая определяется по двум и более излучениям. Если измеренные оценки радиальных скоростей цели отличаются незначительно, то это одна цель, и необходимо оценить изменение амплитуды максимального эхосигнала из полученной последовательности. Критерием изменения амплитуды является оценка дисперсии, полученная по последовательным измерениям на протяжении нескольких циклов излучение - прием. Поскольку эквивалентный радиус объектов изменяется в зависимости от волнения моря при нахождении объекта на поверхности, то изменяется и амплитуда принятого эхосигнала, что выражается в оценке дисперсии максимальной амплитуды эхосигнала за несколько циклов излучения - прием. Для подводной цели амплитуды эхосигнала также будет изменяться во времени из-за различных случайных процессов, действующих на характеристику направленности, но величина изменения амплитуды эхосигнала будет существенно меньше, чем у надводной цели.
Дисперсия является статистической оценкой величины изменения амплитуды максимума эхосигнала, поэтому она является не смещенной и достоверной характеристикой. Для малых выборок дисперсия определяется по известной формуле. (В.И.Пустыльников «Статистические методы анализа и обработки наблюдений». М., Наука, 1968 г., стр.93 - стр.101). При этом надо выбирать достаточно короткую длительность зондирующего сигнала, за время действия которого мгновенное значение амплитуды эхосигнала не изменится. Период качки зависит от размеров надводного объекта. Если объект большого водоизмещения, то период качки будет большой, и раскачивание такого объекта будет происходить при большом волнении. Следует учитывать, что, как правило, объекты большого водоизмещения подвижные и при движении они подвергаются и бортовой и килевой качке, кроме того, они движутся в пелене пузырей, что приводит к изменению эквивалентного радиуса. Для малого объекта типа буя достаточно будет любого волнения, чтобы проявился эффект качки на амплитуду отраженного сигнала. Если длительность эхосигнала соизмерима или больше длины волны качки, то оценить дисперсию изменения амплитуды эхосигнала будет затруднительно, так как за время действия зондирующего сигнала на объект его отражающая способность будет изменяться во времени совместно с движением волны. Поэтому длительность зондирующего сигнала должна быть меньше длительности волны качки в несколько раз, что практически всегда выполняется при длительности зондирующего сигнала порядка 1 мс - 10 мс.
мax
мax
мax
мax
порог.
мax
2
2
Величину порога для оценки дисперсии амплитуды эхосигнала от неподвижного подводного объекта можно оценить из следующих практических положений. Амплитуда эхосигнала на данном цикле излучения - прием будет определяться положением объекта классификации относительно оси характеристики направленности (ХН). Характеристики направленности статического веера перекрываются на уровне 0,7 от оси характеристики направленности. Можно считать, что при обнаружении положение объекта классификации относительно оси характеристики направленности равновероятно. Поэтому амплитуда эхосигнала от неподвижного точечного подводного объекта, принимаемого одной характеристикой направленности, будет изменяться равновероятно в пределах от 0,7 A до A и от A до 0,7 A. Дисперсия будет определяться формулой: б =0.15A  (см. И.Г.Венецкий, В.И.Венецкая «Основные математико-статистические формулы и понятия в экономическом анализе». М., Статистика, 1979 г. стр.164). Для этого необходимо выбрать максимальную амплитуду эхосигнала из полученной выборки и относительно нее выбрать порог для классификации надводной цели. Это соотношение справедливо для пересечения характеристик направленности статического веера на уровне 0,7, для другого уровня пересечения и для сканирующей характеристики направленности соотношение будет другим.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство (фиг.1) содержит задающий генератор 1, который соединен с антенной 2 через коммутатор приема-передачи 3, выход коммутатора приема-передачи 3 соединен со входом цифрового многоканального приемного устройства 4, включающего цифровое преобразование принятого сигнала и цифровую оптимальную обработку входного сигнала по всем каналам, подсоединенным к характеристикам направленности. Устройство 4 соединено с входом блока 5 обнаружения сигнала и измерения пороговых сигналов. Первый выход блока 5 соединен через блок 6 оценки максимальных амплитуд сигналов с блоком 7 измерения дисперсии и далее через блок 10 принятия решения с индикатором 11. Второй выход блока 5 через блок 8 идентификации по характеристикам направленности соединен с блоком 13 измерения радиальной скорости и далее со вторым входом блока 10 принятия решения, а второй выход блока 8 соединен со вторым входом блока 7. На третий вход блока принятия решения 10 поступают с блока 12 пороги принятия решения, которые вырабатываются на основании оценок максимальных амплитуд, выделенных в блоке 6, второй выход которого соединен с блоком 12, блок управления 9 соединен с задающим генератором 1.
Работу способа целесообразно рассмотреть одновременно с рассмотрением работы предлагаемого устройства. По команде с блока управления 9 задающий генератор 1 формирует и усиливает зондирующий сигнал и через антенну 2 и коммутатор 3 приема-передачи зондирующий акустический сигнал излучается в водное пространство. После излучения сигнала коммутатор 3 переключается на прием входных эхосигналов от антенны 2 и передает их в цифровое многоканальное приемное устройство 4, содержащее процессор обработки. В устройстве 4 происходит дискретизация принятых аналоговых сигналов последовательно по всем каналам, подсоединенным к характеристикам направленности в цифровую форму, набор временных реализаций, фильтрация и оптимальная обработка принятых сигналов спецпроцессорами обработки. Принципы цифрового преобразования и обработки достаточно подробно приведены в работе Рокотов С.П., Титов М.С. «Обработка гидроакустической информации на судовых ЦВМ». Л., Судостроение, 1979 г., стр.32…42 и «Применение цифровой обработки сигналов». п/р Оппенгейма М., Мир, 1980 г., стр.389…436. Блок 5 обнаружения сигналов и измерения пороговых сигналов производит обнаружение и измерение пороговых сигналов. Кроме того, в блоке 5 отбирает входные отсчеты по первому циклу обработки всех характеристик направленности и формирует порог обнаружения, с которым происходит сравнение всех отсчетов входной выборки по всем характеристикам направленности. В блоке 5 происходит обнаружение всех сигналов, превысивших порог обнаружения, измерение амплитуды отсчета, превысившего порог, определение номера временного отсчета и определение номера характеристики направленности, в котором обнаружен отсчет, превысивший порог. В блок 6 поступают максимальные амплитуды отсчетов по каждой характеристике направленности. В блоке 8 по этой же информации происходит идентификация отсчетов и максимальных амплитуд по характеристикам направленности и при их совпадении обобщенные данные поступают в блок 7 измерения дисперсии максимальных амплитуд тех сигналов, которые прошли идентификацию по характеристикам направленности. Такая же информация поступает в блок 13 измерения радиальной скорости, где происходит оценка радиальной скорости объекта по последовательным измерениям временных отсчетов максимальных амплитуд в характеристиках направленности. С выхода блока 6 значение максимальной амплитуды передается в блок 12, где вырабатываются пороги принятия решения, которые поступают в блок 10.
В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал 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. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в книге «Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма М., Мир, 1980 г., Л.Рабинер, Б.Гоулд «Теория и применение цифровой обработки сигналов», Москва, Мир, 1978 г. Существующие программы цифровой обработки с использованием современного математического обеспечения позволяет реализовать предлагаемые процедуры автоматической классификации практически на любом современном компьютере. В блоке 10 осуществляется принятие решения по классу обнаруженного объекта в зависимости от величины дисперсии максимальной амплитуды в последовательных циклах излучения - прием. Необходимым условием при принятии решения является неизменность оценки радиальной скорости объекта во временных отсчетов за несколько циклов излучения - прием. На третий вход блока 10 поступают регулируемые пороги из блока 12. Необходимость регулировки порогов вызвана тем, что конкретные пороги будут зависеть от длительности используемых зондирующих сигналов и конкретных характеристик направленности, используемых в антенне.
Таким образом, предлагаемая последовательность операций позволит автоматически классифицировать обнаруженные объекты на классы надводные и подводные.