Способ обнаружения шумящих в море объектов
METHOD FOR DETECTING NOISY MARINE OBJECTS

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования.
С развитием автономных систем, функционирующих в условиях ограниченных вычислительных ресурсов, задача обнаружения слабого шумоизлучения цели при воздействии сильных локальных помех и необходимости автоматического выбора схемы обнаружения в зависимости от помехосигнальной ситуации является в современной гидроакустике крайне актуальной задачей.
Известны монографии, посвященные оптимальным и адаптивным способам обнаружения с использованием, например, отношения правдоподобия пространственно-временных выборок принимаемых шумовых сигналов, полностью адаптивному приему шумовых сигналов и адаптивному подавлению локальных помех, см. В.А. Лазуткин. Статистические методы обработки гидроакустических сигналов. Киев: Наукова думка. 1987, В.Н. Фомин. Рекуррентное оценивание и адаптивная фильтрация. М.: Наука, 1984, «Подводная акустика и обработка сигналов» под ред. Л. Бьерне, М.: Мир, 1985. Одним из главных общих недостатков этих способов является то, что они требуют априорной информации о сигналах и помехах, в частности, знания их законов распределения, которые, как правило, неизвестны, а также то, что в некоторых случаях высокая стоимость может препятствовать применению полностью адаптивной системы или просто не возникает надобность в таких характеристиках, которые они могут обеспечить.
Описание большей части применяемых в настоящее время способов адаптации изложено в монографии Малышкина Г.С. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов / АО «Концерн "ЦНИИ "Электроприбор"». СПб, 2011. 374 с.
Известен способ [Г.С. Малышкин. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Том 2, с. 27-43] подавления сильной локальной помехи в пространственном канале (ПК), для чего используется «опорный луч», ориентированный на локальную помеху. Для ориентации суммируют сигналы приемников антенны с введением временных задержек, компенсирующих разность времен распространения сигнала локальной помехи к приемникам. Сигналы с сумматора «опорного луча» используют для вычитания (режекции) мешающего сигнала локальной помехи из выходного сигнала ПК.
Преимуществом этого способа является подавление локальной помехи в пространственном канале, что обеспечивает повышение выходного отношения сигнал/помеха, обнаружение слабого сигнала и определение его параметров. Недостаток этого метода в том, что он требует получения информации о положении локальной помехи от оператора-гидроакустика или по данным системы ее сопровождения, то есть существенно увеличивает нагрузку на оператора или требования к вычислительным ресурсам.
Возможен подход к подавлению мешающего локального источника (источников) на приемных элементах антенны.
Известен способ подавления сильной локальной помехи для обнаружения слабого сигнала на ее фоне при отсутствии информации о положении мешающего объекта шумоизлучения (объектов) (И.И. Горбань. Обработка гидроакустических сигналов в сложных динамических условиях. Киев. Наукова думка. 2008), который является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности.
Способ основан на формировании пространственных каналов (ФПК) в области пространственных частот, для чего на приемных каналах проводится двумерный спектральный анализ во временной и пространственной областях, режекция локальной помехи производится в каждом приемном элементе антенны, а в качестве локальной помехи используется усредненная оценка помехи по всем направлениям (пространственным частотам), которая определяется как произведение вектора выходов приемных каналов на отклики каждого пространственного канала, с усреднением полученного произведения по реализациям и соседним частотам и нормированием на усредненный подобным же образом квадрат модуля отклика (оценку спектра мощности) для каждого канала, после чего делается повторное формирование пространственных каналов по очищенным процессам, то есть способ требует до обнаружения проведения ФПК дважды.
К достоинствам способа следует отнести возможность его использования без участия оператора или использования системы слежения, а к основным недостаткам этого способа относятся высокие требования к вычислительным ресурсам, а также то, что способ обоснован только для линейных антенн.
Известен способ обнаружения шумящих в море объектов [Патент РФ №2300118 от 29.08.2005. Способ обнаружения шумящих в море объектов, МПК G01S3], включающий прием первичного поля шумоизлучения объектов статическим веером характеристик направленности в горизонтальной плоскости, частотно-временную обработку в каждом пространственном канале (ПК) наблюдения, квадрирование и усреднение в полосе частот и по времени, центрирование и нормирование сигналов к помехе, наблюдение на текущем цикле обзора принятых нормированных сигналов и принятие решения об обнаружении.
Недостатком этого способа является то, что он адаптирован только к распределенной помехе, и при наличии сильных сигналов локальных помех слабые шумовые сигналы могут не обнаруживаться.
Задачей изобретения является упрощение способа адаптации к гидроакустическим условиям приема при обнаружении слабого сигнала, принимаемого на фоне сильных локальных помех, уменьшение вычислительных затрат на реализацию способа, автоматический (без участия оператора) выбор информации, по которой принимается решение об обнаружении сигнала.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности обнаружения слабых объектов шумоизлучения и поддержание длительного контакта с шумящим в море объектом путем частичного подавления сильных мешающих сигналов локальных помех в аддитивной смеси полезного сигнала, шума и локальных помех во всем секторе обзора, не требующее участия оператора, при существенном уменьшении требований на ресурсы по сравнению с приведенными выше техническими решениями.
i
k
k
k
Н
В
k
Н
В
i
k
i
k
k
i
k
Для обеспечения указанного технического результата в способ обнаружения шумящих в море объектов при воздействии локальных помех, при котором принимают первичное поле шумоизлучения объектов многоэлементной антенной решеткой со статическим веером характеристик направленности, осуществляют частотно-временную обработку в каждом i-ом пространственном канале наблюдения (i=1…N, N - число ПК), квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют выходные эффекты пространственных каналов к распределенной помехе, получая массив исходных индикаторных процессов, формируют опорный канал, производят режекцию локальных помех и принимают решение об обнаружении, введены новые признаки, а именно: в качестве опорного канала выбирают один приемный элемент многоэлементной антенной решетки, обеспечивающий прием сигналов со всех направлений в заданном секторе обзора, на каждом цикле обзора до квадрирования для каждого частотного отсчета дополнительно формируют пространственные каналы, очищенные от сигналов локальных помех - «очищенные» каналы, для чего в секторе обзора на каждой частоте формируют мгновенные оценки взаимных спектров каждого i-го пространственного канала с опорным каналом и мгновенную оценку спектра мощности опорного канала, накапливают мгновенные оценки взаимных спектров W(ƒ) и спектра мощности опорного канала P(ƒ) для заданного времени накопления, где ƒ∈[ƒ, ƒ], ƒ, ƒ, ƒ - текущая, верхняя и нижняя частоты рабочего частотного диапазона, соответственно, определяют частотно-зависимые весовые коэффициенты K(ƒ), как отношение оценки взаимных спектров к спектру мощности опорного канала W(ƒ)/P(ƒ), а формирование «очищенных» каналов осуществляют режекцией из оценки спектра каждого i-го пространственного канала оценки спектра опорного канала, взвешенной с коэффициентами K(ƒ), после чего квадрируют и на каждом цикле обзора суммируют по всем частотам значения выходов «очищенных» пространственных каналов в рабочем частотном диапазоне, усредняют по времени, центрируют и нормируют выходные эффекты «очищенных» пространственных каналов к распределенной помехе, получая массив «очищенных» индикаторных процессов, массив исходных индикаторных процессов сравнивают с заранее заданным порогом обнаружения сильного мешающего сигнала локальной помехи и при превышении его хотя бы в одном пространственном канале, то есть при обнаружении сигнала локальной помехи, решение об обнаружении шумящих в море объектов принимают по выходам «очищенных» индикаторных процессов.
Предлагаемый способ основан на том, что сильные сигналы локальных помех имеют достаточно большое отношение сигнал/шум (ОСШ) на выходе отдельного приемного канала, в отличие от слабых сигналов обнаруживаемых шумящих объектов, которые могут быть на порядок меньше сигнала локальной помехи, и которые для своего обнаружения требуют формирования пространственных каналов, то есть синфазного сложения процессов на выходе большой группы приемных элементов антенны. Поэтому все сформированные каналы имеют ненулевую корреляцию по сильным локальным помехам с процессом на выходе одного опорного приемного канала, что и позволяет «очистить» их от влияния локальной помехи. В то же время по слабому сигналу выходы опорного приемного канала и канала, сформированного по большому числу приемных элементов АР, практически не коррелированы.
При этом если в секторе обзора есть не одна, а несколько сильных помех, информация обо всех их присутствует в процессе на выходе элементарного канала и, следовательно, он может быть использован для очистки. Единственным условием этого является нахождение опорного канала в апертурном окне, принимающем фронт локальной помехи (ЛП).
Сущность изобретения поясняется рисунками фиг. 1-3, где фиг. 1 - блок-схема устройства, реализующего предложенный способ, фиг. 2-3 - результат применения алгоритма обнаружения шумящих в море объектов при наличии одной (фиг. 2) и двух (фиг. 3) локальных помех.
На фиг. 2 пример моделирования ситуации наблюдения слабого сигнала на фоне сильной локальной помехи, на фиг. 3 - то же при наличии двух ЛП, где а) пеленгационный рельеф на выходе системы обработки без применения процедуры режекции сигнала локальной помехи, б) пеленгационный рельеф после применения процедуры режекции ЛП.
На рисунке фиг. 2 а), б) обозначены: 16 - сигнальная отметка (СО) слабого сигнала шумящего в море объекта, приходящего по нормали к антенне (0°), 17 - СО локальной помехи, приходящей с направления 3.5°, 18 - фоновое суммарное поле, 19 - боковой лепесток ЛП, 20 - суммарное поле распределенной помехи, слабого сигнала и ЛП. На рисунке фиг. 3 а), б) обозначены: 21 - СО слабого сигнала шумящего в море объекта, 22 и 23 - СО двух сильных локальных помех, 24 - фоновое суммарное поле, 25 - суммарное поле распределенной помехи, слабого сигнала и двух ЛП.
k
Устройство, реализующее способ, (фиг. 1) содержит многоэлементную антенную решетку 1 (АР); аппаратуру 2 предварительной обработки гидроакустической информации (АПО); устройство 3 формирования в частотной области веера пространственных каналов (УФПК); блок 4 оценки накопленных на заданном интервале времени ВСПМ всех сформированных каналов и ОК (ВСПМ); блок 5 оценки накопленной на заданном интервале времени СПМ опорного канала (СПМ); блок 6 определения коэффициентов K и формирования «очищенных» каналов блока 3 путем режекции ОК (РЕЖ ОК); блоки 7 и 8 квадрирования и суммирования по частотам выходов блоков 3 и 6 соответственно (СУМ); блоки 9 и 10 усреднения по времени выходов блоков 7 и 8 (интеграторы - ИНТ); блоки 11 и 12 центрирования и нормирования выходов блоков 9 и 10 соответственно (ЦН); блок 13 сравнения выходов блока 11 с порогом обнаружения сильного мешающего сигнала и принятия с решения об обнаружении сильного сигнала локальной помехи (ПО); блок 14 выбора схемы принятия решения об обнаружении слабого сигнала шумящего в море объекта (ВС); блок 15 принятия решения об обнаружении сигнала шумящего в море объекта (ОС).
Способ обнаружения реализуется устройством - шумопеленгаторной станцией с системой цифровой пространственно-частотно-временной обработки сигналов (см. Корабельная гидроакустическая техника. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.Н., СПб., Наука, 2004 г., стр. 53).
Реализацию предлагаемого способа обнаружения сигналов целесообразно показать на примере работы устройства, схема которого показана на фиг. 1.
m
ПФ
m
k
i
min
i
max
α
i
i
k
k
н1
i
k
r
k
k
н1
k
i
k
i
r
k
i
k
k
Н
В
k
н2
1
Приемная многоэлементная антенная решетка 1 принимает акустические сигналы, содержащие шумы моря (распределенная помеха) и сигналы локальных источников излучения и преобразует их в электрические сигналы ξ(t). В блоке 2 сигналы проходят первичную обработку (ПО): усиление, первичную частотную фильтрацию, цифровое преобразование, ограничение полосы частот, циклическое преобразование Фурье (ПФ) с заданным интервалом времени Т, в результате которого на выходах блока 2, соединенных с соответствующими входами блока 3, получают сигналы η(ƒ) в частотной области. В блоке 3 формируют веер направленных каналов (НК), оси ХН которых ориентированы в направлениях α в секторе наблюдения α≤α≤α с заданной угловой дискретностью Δ, получая в результате на каждой частоте ПФ для каждого направления α выходной сигнал с сумматора антенны x(ƒ). В блоке 4 на каждой частоте ƒ определяются и накапливаются в пределах заданного времени накопления Т значения ВСПМ выходных сигналов x(ƒ) блока 3 с выходным сигналом одного приемного элемента (опорного канала - ОК) с номером r - η(ƒ): . В блоке 5 на каждой частоте ƒ определяются и накапливаются в пределах заданного времени накопления Т значения СПМ выхода опорного канала - . В блоке 6 на каждой частоте ƒ выполняется очистка каждого сформированного канала x(ƒ) от влияния сильных локальных помех: для этого из оценки спектра сформированного канала осуществляют вычитание (режекцию) взвешенной с коэффициентом K оценки спектра опорного элементарного канала η(ƒ) на текущем такте ПФ, причем компенсирующий коэффициент K вычисляется как отношение ВСПМ и СПМ P(ƒ). Квадраты модулей выходов блока 3 (исходные сформированные каналы, i=1…N) и блока 6 (каналы, очищенные от влияния сильных ЛП, - i=1…N) в блоках 7 и 8 соответственно суммируют по частоте ƒ в пределах заданного частотного диапазона приема ƒ, ƒ с заданной частотной характеристикой h(ƒ) для каждого из N сформированных каналов, а затем в блоках 9 и 10 накапливают во времени на заданном интервале Т. Результаты суммирования и накопления исходного процесса (выход блока 9) и очищенного (выход блока 10) в блоках 11 и 12 соответственно центрируют и нормируют к помехе, как в [Патент РФ №2300118 от 29.08.2005. Способ обнаружения шумящих в море объектов, МПК G01S3]. В блоке 13 центрированный и нормированный исходный процесс (выход блока 11) сравнивают с порогом обнаружения локальных помех - R, который в несколько раз (в 3-5 раз) больше порога обнаружения слабого сигнала обнаруживаемого объекта. Если ни в одном исходном пространственном канале этот порог не превышен, в блоке 14 вырабатывается признак отсутствия сильной ЛП, и в блоке 15 принятие решения об обнаружении слабых сигналов проводится по выходу блока 11, т.е. по исходному процессу. Если хотя бы в одном исходном пространственном канале этот порог оказывается превышен, в блоке 14 вырабатывается признак наличия сильной ЛП и необходимости ее режекции. В этом случае в блоке 15 сравнивают с порогом обнаружения результат центрирования и нормирования очищенного от влияния ЛП процесса (выход блока 12), по которому и принимается решение об обнаружении малошумного объекта (объектов).
Для антенн с ненаправленными приемными элементами в качестве опорного может выступать любой канал, а, например, для цилиндрической антенны с экраном, приемные элементы которой ориентированы в различные, иногда противоположные, стороны, сектор обзора разбивается на несколько частей, в каждой из которых используется свой опорный канал. Поскольку ширина характеристики направленности отдельного приемного элемента, как правило, достаточно велика, то даже при круговом обзоре опорных каналов должно быть не более 4-6. Количество опорных каналов и сектора «очистки» для каждого опорного канала должны определяться отдельно для каждой конфигурации антенны.
Работоспособность предлагаемого способа обнаружения шумящих в море объектов подтверждена моделированием и натурной проверкой на записях сигналов, выполненных в натурных условиях.
0.7
s
0
LP
s
LP
=
В модели на фиг. 2-3 использована плоская многоэлементная антенная решетка, полоса сигнала ΔF - одна октава, , сектор направлений фазирования антенны α=(-45°+45°), ширина нормированной характеристики направленности (на уровне 0,7) сформированного канала θ≈2.3°, соотношение уровней сигнала и изотропной помехи P/Р=0.1, соотношение уровней первой локальной помехи (ЛП) и сигнала P/P=7.5, второй ЛП P4, углы прихода сигнала - 0°, первой ЛП - 3.5° (на фиг. 2) и 4° (на фиг. 3), второй ЛП - минус 12°.
0.7
Как видно из приведенных на фиг. 2, а) графиков, обнаружение слабого сигнала 16 на фоне сильной локальной помехи 17, отстоящей от него на 3.5°, что составляет 1.5 θ, практически невозможно. Применение алгоритма очистки выходов сформированных каналов от влияния сильной локальной помехи позволяет уменьшить уровень ЛП (17), сузить ее сигнальный отклик, уменьшить фоновую помеху 18 и боковое поле 19 и 20, и обнаружить слабый сигнал 16 (фиг. 2, б)).
Аналогичный результат достигается при наличии двух ЛП: сигнал 21, принимаемый на фоне двух сильных локальных помех 22 и 23, без применения предлагаемого способа невозможно обнаружить (рисунок фиг. 3, а)). После очистки выходов сформированных каналов (рисунок фиг. 3, б)) сигнальные отклики помех 22 и 23 и уровень суммарной 25 и фоновой помехи 24 уменьшаются настолько, что слабый сигнал 21 становится отчетливо видимым на пеленгационной развертке.
Количественные результаты моделирования, описанного выше и отраженные в рисунках фиг. 2-3 следующие:
- уменьшение индикаторного отношения [ЛП]/[среднее значение фоновой помехи] в ~8 раз при приеме сигнала на фоне одной ЛП (фиг. 2) и в 4 раза для сильной ЛП и в 1.2 раза для более слабой помехи при приеме на фоне двух ЛП (фиг. 3);
- уменьшение среднего значения фоновой помехи на 40-60%;
- увеличение индикаторного отношения [приращение сигнала]/[стандартное отклонение помехи] (традиционный критерий помехоустойчивости) от 0 до 50-60;
В предлагаемом способе обнаружения на каждом цикле обработки не формируются пространственные каналы на локальные помехи и не уточняются углы их прихода в следящих измерителях направления (тракт АСЦ), то есть не выполняется наиболее затратная для многоэлементных антенн операция расчета комплексных фазирующих коэффициентов для каждого приемного элемента и каждого угла прихода ЛП на каждой частоте рабочей полосы, а также не вычисляются, как в способе-аналоге, матрицы ВСПМ помеховых каналов на каждой частоте рабочей полосы, что приводит к значительному уменьшению числа необходимых для реализации способа операций.
Таким образом, предлагаемый способ обнаружения приводит к частичному подавлению сильных целей, что демонстрируют результаты моделирования, и соответственно, повышению возможности обнаружения слабого сигнала, принимаемого на фоне сильных локальных помех. Это в сочетании с исключением работы оператора-гидроакустика и автоматизации процесса принятия решения позволяет обнаруживать шумящие объекты с большей достоверностью, чем в способах-аналогах, раньше определять наличие сигнала и длительно поддерживать акустический контакт с целью, уменьшив время маскирования ее сильными локальными помехами и время пропадания сигнала с потерей акустического контакта, при этом способ отличается простотой реализации и требует существенно меньше вычислительных ресурсов, чем способы-аналоги.