Способ определения радиальной скорости объекта
METHOD FOR DETERMINING THE RADIAL VELOCITY OF AN OBJECT

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при определении параметров движения объектов, обнаруженных гидролокатором.
Известны способы определения радиальной скорости целей [см., Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М., Радио и связь, 1986, с. 59; Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. Л., Судостроение, 1988.], включающие излучение тонального сигнала, прием и селекцию эхосигнала, узкополосную фильтрацию и определение радиальной скорости движения цели.
В указанных способах по максимальному выходному напряжению узкополосных фильтров определяется доплеровское смещение частоты отраженного сигнала относительно излученного и производится определение радиальной составляющей скорости движущегося объекта.
Д
ИЗЛ
Как известно [см. Справочник по гидроакустике (Библиотека инженера-гидроакустика). Л., Судостроение, 1982], зависимость доплеровской частоты f эхосигнала от скорости объекта при излучении тонального сигнала частотой f определяется формулой:
где V - абсолютное значение скорости объекта относительно приемо-излучающей антенны гидролокатора, с - скорость звука в воде. Знак (+) используется когда объект приближается к гидролокатору и частота эхосигнала увеличивается, а знак (-), соответственно, когда объект удаляется и частота уменьшается. Если использовать значение относительной скорости со знаком, то радиальная относительная скорость объекта, обусловленная эффектом Доплера, может быть определена по формуле:
ИЗЛ
Д
C
С
Как следует из (2) разрешающая способность по радиальной скорости при заданной ƒ определяется дискретностью определения ƒ, т.е. полосой используемых доплеровских фильтров. Квазиоптимальная обработка тонального сигнала предполагает [см. Рыжиков А.В., Барсуков Ю.В. Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике: Учеб. пособие. СПб., изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007] выбор полосы узкополосного фильтра равной ΔF≈1/T, где Т - длительность сигнала излучения.
Формула (2) может быть записана в виде:
мин
о
макс
мин
макс
о
о
о
ИЗЛ
C
где n - номер доплеровского канала, n=n…n…n, n и n определяют доплеровский диапазон частот или диапазон доплеровских скоростей объектов, n - «нулевой» доплеровский канал, т.е. канал, при котором радиальная доплеровская скорость равна нулю. Значение n может быть определено по формуле n=int[(ƒ-ƒ)/ΔF], где ΔF - полоса фильтра, int[*] - округление до целого в большую сторону. Тогда для i-го доплеровского канала и квазиоптимальной обработки, т.е. когда ΔF≈1/T, формула (3) принимает вид:
ИЗЛ
Как видно из формулы (4), разрешающая способность по радиальной скорости с использованием эффекта Доплера тем выше, чем больше частота излучения и больше длительность излучаемого тонального сигнала. Однако в гидроакустике, особенно при использовании низких частот, например, когда f≈1 кГц, при обнаружении объектов в ближней зоне длительность сигнала излучения ограничена наличием так называемой «зоны тени», обусловленной собственно излучением и влиянием реверберационных ограничений.
Формулу (4) можно представить в виде:
1
где Δν - разрешение по радиальной скорости, соответствующее дискретности доплеровской частоты.
ИЗЛ
1
Например, при ƒ=1500 Гц, Тс=0.2 с и с=1500 м/с разрешение по радиальной скорости Δv=2.5 м/с или около 5 узлов. Такое разрешение в ряде случаев не позволит отличать подвижные и неподвижные объекты. Увеличение количества фильтров также не позволит повысить разрешающую способность указанных способов определения радиальной скорости, т.к. крутизна спада аналоговых фильтров, как правило, составляет 6 дБ на октаву, что не позволяет однозначно определить доплеровскую частоту эхосигнала.
Недостатком указанных способов является низкая разрешающая способность определения радиальной скорости для низкочастотной гидролокации при ограничениях на длительность излучаемых сигналов при обнаружении объектов на малых дистанциях.
По количеству общих признаков наиболее близким к предлагаемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ определения радиальной скорости объекта [Рыжиков А.В., Барсуков Ю.В. Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике: Учеб. пособие. СПб., изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007, с. 103].
Способ-прототип включает излучение тонального сигнала, прием и селекцию эхосигнала, вычисление спектра эхосигнала на основе преобразования Фурье, выделение огибающей спектра эхосигнала (детектирование) и определение радиальной скорости по максимальному значению частоты эхосигнала.
Устройство, реализующее указанный способ в гидролокаторе, содержит последовательно соединенные приемо-излучающий тракт с селекцией эхосигнала в пространственной и временной области, буферное запоминающее устройство (БЗУ), где накапливаются N отсчетов эхосигнала, блок дискретного преобразования Фурье (ДПФ) или быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок выделения огибающей спектра эхосигнала (линейный или квадратичный детектор), блок определения относительной радиальной скорости объекта.
Значение радиальной скорости объекта определяется по максимальной амплитуде доплеровской частоты спектра эхосигнала в соответствии с формулой (5), при этом дискретность приращения радиальной скорости, соответствующая дискретности приращения доплеровской частоты, определяется по формуле
1
ДПФ
1
Δv=ΔF/Δƒ,
1
ИЗЛ
1
где Δƒ=2*ƒ/с - приращение доплеровской частоты (в Гц), соответствующее приращению радиальной скорости на 1 м/с (размерность Δƒ есть Гц/(м/с)).
ДПФ
d
ДПФ
ΔF=F/N - полоса ДПФ,
d
F - частота дискретизации,
ДПФ
N - размерность (количество отсчетов) ДПФ.
ДПФ
сигн
d
В способе-прототипе размерность ДПФ (N) равна количеству отсчетов излучаемого (опорного) сигнала N=T⋅F.
ДПФ
Таким образом, недостатком способа определения радиальной скорости объекта [Рыжиков А.В., Барсуков Ю.В. Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике: Учеб. пособие. СПб., изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007] (способа-прототипа) является низкая разрешающая способность по радиальной скорости при обнаружении малоподвижных объектов в ближней зоне акустической освещенности, т.к. точность данного способа непосредственно зависит от дискретности ΔF. В случае ограничения на максимальную длительность излучаемого сигнала обеспечить необходимую точность определения радиальной скорости способом-прототипом невозможно.
Задачей изобретения является снижение погрешности определения радиальной скорости объектов для низкочастотной гидролокации при ограничениях длительности излучаемых сигналов при обнаружении объектов на малых дистанциях.
Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в снижении погрешности определения радиальной скорости объектов для низкочастотной гидролокации при ограничениях длительности излучаемых сигналов.
ДПФ
ДПФ
Указанный технический результат достигается тем, что в способ определения радиальной скорости объекта, включающий излучение тонального сигнала, прием и селекцию эхосигнала, аналого-цифровое преобразование и накопление N отсчетов на длительности сигнала, вычисление спектра эхосигнала на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ), выделение огибающей спектра эхосигнала и определение максимального значения амплитуды доплеровской частоты, определение относительной радиальной скорости объекта с использованием значения доплеровской частоты эхосигнала, отличающийся тем, что при вычислении спектра эхосигнала устанавливают размерность преобразования Фурье N в виде N=К⋅N, где К=2, 4, запоминают значения К/2 амплитуд и номеров частотных составляющих, соседних с каждой стороны от номера частоты с максимальным значением амплитуды, определяют уточненное значение доплеровской частоты путем интерполяции, а значение радиальной скорости определяют с учетом интерполированного значения доплеровской частоты эхосигнала.
Увеличение размерности ДПФ и применение интерполяции доплеровской частоты внутри дискретного интервала позволяет получить более высокую разрешающую способность по частоте и уменьшить погрешность определения радиальной скорости объектов.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
рад
На фиг. 2 представлены результаты моделирования и сравнительной оценки погрешностей определения радиальной скорости объекта предлагаемого способа и способа-прототипа, где обозначены графики: (а) - абсолютная погрешность расчетного значения радиальной скорости ΔV по предлагаемому способу, (б) - абсолютная погрешность расчетного значения радиальной скорости по способу-прототипу.
На фиг. 3 представлены результаты моделирования и сравнительной оценки зависимости среднеквадратической ошибки (СКО) абсолютного отклонения радиальной скорости объекта от заданной предлагаемого способа и способа-прототипа с различными значениями К, где обозначены: (с) - СКО по предлагаемому способу, (d) - по способу-прототипу.
ДПФ
Устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные приемо-излучающий тракт 1, буферное запоминающее устройство (БЗУ) 2, блок 3 дискретного преобразования Фурье (ДПФ) размерности N=К⋅N, блок 4 выделения огибающей спектра эхосигнала, блок 5 выбора доплеровских каналов (ДК) с максимальным откликом и соседних с ним доплеровских каналов, блок 6 интерполяции, блок 7 определения радиальной скорости объекта, также содержит блок 8 выбора значения К, причем второй выход блока 1 соединен со входом блока 8, первый выход блока 8 соединен со вторым входом блока 2, а второй выход блока 8 соединен со вторым входом блока 5.
Практическое исполнение устройств, входящих в изобретение, известно из практики гидроакустики и реализуется на основе применения цифровых устройств [см., например, Рыжиков А.В., Барсуков Ю.В. Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике: Учеб. пособие. СПб., изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007].
Реализацию способа можно продемонстрировать на примере работы устройства.
ИЗЛ
сигн
В приемо-излучающем тракте 1 производится излучение тонального сигнала с частотой излучения ƒ и длительностью Т, далее производится селекция временной реализации по пеленгу и дистанции, содержащей эхосигнал от объекта.
d
сигн
n
Временная реализация эхосигнала преобразуется в блоке 2 буферного запоминающего устройства с частотой дискретизации Fd в выборку из N отсчетов, где N={F⋅Тс}, {*} - операция округления до ближайшего целого, кратного 2. Таким образом условие квазиоптимального приема сохраняется, т.е. когда ΔF≈1/T.
1зад
1зад
1
В блоке 8, исходя из параметров излучаемого сигнала, определяется величина К, как частное от деления расчетной дискретности приращения радиальной скорости объекта (см. формулу 5) и некоторой заданной величины Δv с округлением до ближайшего четного целого числа. Предположим Δv=1 м/с, тогда для вышеприведенного примера при Δv=2.5 значение К=2.5/1 следует выбрать равным 2.
Полученная выборка из N отсчетов дополняется справа (К-1)⋅N нулевыми отсчетами и в блоке 3 подвергается преобразованию Фурье размерности (К⋅N).
Далее в блоке 4 выделения огибающей спектра эхосигнала производится вычисление модулей первых K⋅N/2 отсчетов спектра. Полученные модули спектральных отсчетов передаются в блок 5.
i
макс
В блоке 5 производится выбор i-го доплеровского канала n с максимальным уровнем амплитуды частотной составляющей А, а также К/2 каналов, соседних с ним с каждой стороны. Амплитуды и номера выбранных доплеровских каналов поступают в блок 6 интерполяции.
int
В блоке 6 производится интерполяция значения доплеровского канала по известным алгоритмам линейной или квадратичной интерполяции и определяется n [см. например, Фильчаков П.Ф. Справочник по высшей математике. Киев, Наукова думка, 1973., с. 333; И.Н. Бронштейн и К.А. Семендяев. Справочник по математике. М., 1962, с. 571].
1
int
В блоке 7 производится расчет интерполированного значения радиальной скорости объекта по расчетному значению приращения Δv радиальной скорости на доплеровский канал (5) и интерполированному значению доплеровского канала n по формуле:
где
int
Значение n в формуле (6) соответствует интерполированному значению доплеровской частоты эхосигнала.
ИЗЛ
Результаты моделирования работы устройства, реализующего предлагаемый способ, приведены на фиг. 2. Для моделирования выбраны значения ƒ=1500 Гц, Тс=0.2 с, Fd=5000 Гц, N=1024, с=1500 м/с. При моделировании относительная радиальная скорость V плавно изменялась в пределах 0-5 м/с. Отношение сигнал/помеха задавалось на уровне порогового.
Как видно из графиков фиг. 2, отклонение интерполированного значения радиальной скорости объекта от заданного существенно меньше, чем отклонение в способе-прототипе. Особенно заметно такое отклонение при плавном изменении скорости и малых отношениях сигнал/помеха, когда возможен «дребезг» в оценке максимальной амплитуды доплеровской частоты эхосигнала.
По результатам моделирования были выполнены сравнительные оценки погрешности определения радиальной скорости по предлагаемому способу (7) и способу-прототипу (5). Приведенные расчеты (см. фиг. 3) показывают, что погрешность оценки радиальной скорости объектов в среднем в 2-3 раза меньше, чем в способе-прототипе.
В общем случае погрешность определения радиальной скорости будет определяться погрешностью метода интерполяции и конечно погрешностью определения скорости звука в воде.
Таким образом, использование предлагаемого технического решения обеспечивает снижение погрешности определения радиальной скорости объектов для низкочастотной гидролокации при ограничениях на длительность излучаемых сигналов, что подтверждает достижение технического результата.