СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ЦЕЛЕЙ ОТ СЛУЧАЙНЫХ РЕВЕРБЕРАЦИОННЫХ ПОМЕХ
METHOD OF TARGET ISOLATION FROM RANDOM REVERBERATION INTERFERENCES

Изобретение относится к гидролокации и может быть применимо для распознавания неподвижных и малоподвижных целей сложной геометрической формы (реальных подводных объектов, дна или аквалангистов) от случайных реверберационных помех (объемной и поверхностной реверберации).
3
4
4
Известны способы и устройства распознавания целей по гидролокационным и радиолокационным сигналам от реверберационных помех (см. патент Франции №2524983, МКИ G01S 9/00, приоритет от 10.04.82; патент Швеции №2404231, МКИ G01S 9/00, публикация 25.05.79 г.; международная заявка №86/01001, МКИ G01S 13/52, 7/23, публикация 13.02.86 г.; международная заявка №86/01000, МКИ G01S 7/52, 15/87, публикация 13.02.86 г.; заявка Франции №2525774, МКИ G01S 7/28, 15/00, публикация 28.10.83 г.; европейская заявка №0093057, МКИ G01S 15/52; патент США №4195359, MKИ G01S 9/66, 7/23, публикация 25.03.80 г. и др.).
В известных способах используется излучение зондирующих импульсов и прием отраженных сигналов. Устанавливаются пороги для обнаружения отраженных сигналов. В отдельных случаях измеряется дистанция от излучения до рассеивающих отражений. Анализируются спектры отраженных сигналов и распознаются реверберационные помехи от движущихся целей, отличающихся существенными доплеровскими смещениями спектра отраженных сигналов за счет движения целей. Распознаются неподвижные и малоподвижные цели при условии существенного превышения уровней отраженных эхосигналов от целей над уровнем реверберационных помех.
В патенте Швеции №2404231 «Способ, позволяющий отличить сигналы от перемещающихся целей от сигналов, отраженных поверхностью воды» (МКИ G01S 9/00, публикация 25.05.79) излучают звуковые зондирующие импульсы и принимают отраженные сигналы. Измеряют спектры волн отражающей взволнованной поверхности воды и максимальный угол наклона этой поверхности относительно излучателя. Определяют максимально ожидаемое изменение расстояния между излучателем и поверхностью воды в отсутствие цели. Распознают только перемещающую цель по спектру отраженных сигналов, отличающихся от спектра сигналов, рассеянных взволнованной поверхностью, и по расстоянию до перемещающейся цели, отличному от дистанции между излучателем и взволнованной поверхностью воды.
Известен способ локации и обнаружения подводной цели на охраняемой морской акватории (патент РФ №2176401), суть которого заключается в том, что с помощью сфокусированного излучения в месте предполагаемого расположения цели в охраняемой морской акватории излучают ударную звуковую волну или последовательность ударных звуковых волн. Отраженные от подводной цели звуковые волны вместе с излученными звуковыми волнами принимаются гидроакустическим приемником с остронаправленной характеристикой направленности. В результате обработки принятых сигналов выполняют обнаружение и сопровождение подводной цели. При этом обнаружение цели возможно, если уровень отраженного сигнала от нее существенно превышает уровень реверберационных помех.
Известен способ обнаружения подводных объектов на морском рубеже в мелком море (патент РФ №2161319), в котором излучают направленные в верхнее полупространство гидроакустические импульсы из ряда точек с известными координатами, расположенных на дне на линии рубежа, принимают отраженные от объектов эхосигналы в этих же точках и о месте положения объекта судят по координатам приемника, обнаружившего эхосигнал, излучают импульсы в соседних точках разной частоты на разных частотах и во всех точках одновременно, принимают в каждой точке эхосигнал собственной частоты и по меньшей мере двух других частот от соседних по линии излучателей с каждой стороны, расстояние между соседними точками приемоизлучения выбирают равным двойной глубине моря по линии рубежа, время прихода эхосигналов ограничивают временем прихода отраженных от поверхности моря импульсов на каждой из принимаемых в данной точке частот, а местоположение обнаруженного объекта уточняют по координатам излучателей, работающих на частоте принятых эхосигналов. Следят за уровнем прямых гидроакустических импульсов, принятых от соседнего излучателя, и при изменении этого уровня судят о появлении объекта вблизи дна. Однако этим способом не может быть обнаружен подводный объект или аквалангист, зависающий на поверхности или вблизи поверхности моря, а также аквалангист или подводный объект неподвижный или идущий с малой скоростью на фоне объемной реверберации, например, рыбных скоплений.
Известен способ обнаружения подводных объектов, в основе которого лежит облучение контролируемого пространства набором тонально-модулированных сигналов, несущие и модуляционные частоты которых выбраны в соответствии с предполагаемыми размерами объектов, их положением относительно поверхности водоема и скорости (см. патент РФ №2008692). Принятый сигнал расфильтровывают, детектируют и по ослаблению соответствующих компонент сигнала судят о наличии и размерах объектов. Устройство для обнаружения подводных объектов содержит излучатель, усилитель мощности, задающий генератор, модулятор, блок набора несущих частот, блок набора модуляционных частот, приемную антенну, усилитель, многоканальный частотный фильтр, детектор, индикатор. Способ выявляет известный объект при превышении отраженного от него сигнала над уровнем реверберационных помех.
Известен способ обнаружения вторжения подводного объекта в контролируемую область водоема (патент США №4319349), использующий последовательное гидролокационное облучение различных зон контролируемого водоема и прием гидроакустических сигналов, отраженных от искомого подводного объекта гидроакустическим приемником, с последующим определением местоположения, курса и скорости движении объекта по параметрам принятого сигнала.
Известен способ обнаружения вторжения подводного объекта в контролируемую акваторию водоема (патент РФ №2150123), в котором с помощью гидроакустических отражателей, располагаемых по эллиптической поверхности, задают контролируемую область водоема. В фокусах эллиптической поверхности располагают гидроакустические излучатель и приемник. Излучатель выполняют в виде круговой гидроакустической антенны, а приемник, подключенный к индикатору кругового обзора, - с равномерной характеристикой направленности. Последовательно по различным направлениям излучатель формирует импульсы акустической энергии, которые за один и тот же промежуток времени достигают приемника, отражаясь от гидроакустических отражателей. На индикаторе кругового обзора формируется серия импульсов. При вторжении подводного объекта в контролируемую зону один из импульсов на индикаторе кругового обзора пропадает, что указывает на наличие цели. Последовательная обработка выходных сигналов позволяет определить курс и скорость движения цели. Этот способ будет давать ложные срабатывания при вхождении в охраняемый водоем рыб. Охраняемый водоем не может охватывать поверхность моря.
В качестве прототипа принимается патент Франции №2524983 «Способ и устройство для распознавания целей и подавления паразитных сигналов в радиолокационных и гидролокационных станциях», МКИ G01S 7/66, приоритет от 10.04.82 г.
В этом способе контролируемая станцией зона подразделяется по азимуту и дальности на несколько ячеек. Для каждой ячейки оценивается средняя мощность суммарной (шумовой и реверберационной) помехи адаптивным способом. В результате этих оценок устанавливается порог в каждой ячейке, превышающий уровень суммарной помехи. Если уровень отраженного сигнала в ячейке превышает порог, то фиксируется присутствие цели. Дополнительно предусматривается подавление реверберационных помех и отраженных сигналов от неподвижных и малоподвижных целей, не имеющих доплеровского смещения спектров или имеющих малое доплеровское смещение. При этом подавляются как реверберационные сигналы, так и отраженные сигналы от неподвижных и малоподвижных целей. Диапазон скоростей малоподвижных целей, отраженные сигналы от которых подавляются вместе с реверберационной помехой, определяется шириной полосы подавляющего (режекторного) фильтра, настроенного на ширину спектра реверберационных помех. Движущиеся цели сортируются по нескольким диапазонам скоростей в зависимости от величины доплеровского смещения спектров отраженных от них сигналов.
Этот способ позволяет распознавать неподвижные и малоподвижные цели от реверберационных помех, но только в том случае, когда уровень отраженных сигналов от этих целей уверенно превышает уровень реверберационных помех, оцениваемый в отсутствие целей, на величину задаваемого порога.
Целью настоящего предложения является повышение помехоустойчивости при распознавании неподвижных и малоподвижных целей сложной геометрической формы (морских подводных объектов, дна или аквалангистов) от объемной и поверхностной реверберации.
Цель достигается тем, что в способе распознавания объектов от случайных реверберационных помех (включающем циклическое облучение цели зонирующими импульсами, прием отраженных сигналов, установление амплитудного первого порога для обнаружения отраженных сигналов на фоне шумовых помех и обработку отраженных сигналов) излучают зондирующий импульс с высоким разрешением по дальности, выделяют один или несколько отраженных сигналов по превышению их уровня над первым порогом в пределах временного строба, соизмеримого с длительностью отраженного сигнала от цели, записывают эти сигналы в оперативную память, перед началом следующего цикла излучения считывают каждый из записанных сигналов из памяти в обратном порядке, то есть первыми считывают отсчеты, соответствующие заданному фронту каждого записанного сигнала, переизлучают эти сигналы с определенным интервалом в том же направлении, что и предыдущий зондирующий импульс, принимают отраженные сигналы, выполняют их согласованную фильтрацию, выделяют огибающие отраженных сигналов, определяют и запоминают средний уровень каждой огибающей отраженного сигнала на участке определенной продолжительностью и распознают цель, соответствующую переизлученному в последнем цикле сигналу, вызвавшему отраженный сигнал с превышением максимума его огибающей над средним уровнем на величину задаваемого второго порога.
При использовании короткого зондирующего импульса после приема отраженных сигналов и выделения одного или нескольких отраженных сигналов выделяются огибающие отраженных сигналов и из максимумов огибающих формируются последовательности импульсов, например, прямоугольных, после считывания записанных сигналов из памяти перед переизлучением модулируются последовательностями импульсов несущие колебания.
Существенными отличительными признаками заявляемого решения от известных технических решений (патент Швеции №3404231, международная заявка №86/01001, европейская заявка №0093057 и др.) и прототипа являются:
- считывание каждого из записанных отраженных сигналов из памяти в обратном порядке, то есть первыми считываются отсчеты, соответствующие заданному фронту каждого записанного сигнала, и переизлучение этих сигналов через определенные интервалы в том же направлении, что и предыдущий зондирующий импульс;
- распознавание цели, соответствующей переизлученному в последнем цикле сигналу, вызвавшему превышение максимума его огибающей над средним уровнем на величину задаваемого второго порога.
Таким образом, заявляемое решение обладает существенными отличиями.
Положительный эффект - повышение помехоустойчивости распознавания неподвижных и малоподвижных целей сложной геометрической формы (преимущественно реальных морских подводных объектов - МПО, дна или аквалангистов) от поверхностной и объемной реверберации - достигается за счет облучения цели сигналом, отраженным от этой же цели и приблизительно на том же угле лоцирования (угол лоцирования между циклами облучения цели изменяется не более, чем на 2÷3°). Отраженный сигнал от цели состоит из суммы зондирующих импульсов, задержки между которыми соответствуют расположению наиболее существенных по отражающей способности элементов корпуса цели. При переизлучении отраженного сигнала в направлении цели (в том же направлении, что и предыдущий зондирующий импульс) в обратном порядке, то есть передний фронт переизлученного сигнала соответствует заданному фронту отраженного сигнала, формируется отраженный сигнал в результате сложения всех составляющих отраженных импульсов от совокупности отражающих элементов цели. В результате в отраженном сигнале образуется максимум при сложении отраженных импульсов от всех наиболее существенных по отражающей способности элементов корпуса цели. Уровень этого максимума соответствует уровню отражения длинного зондирующего импульса (перекрывающего всю длину объекта) от всей отражающей поверхности цели и превышает средний уровень отраженного сигнала от корпуса реальной цели при использовании зондирующих импульсов с высоким разрешением по дальности на ~ 8-12 дБ для косых углов лоцирования корпусов протяженных морских объектов (за исключением траверзных углов 90°±10°, 270°±10°, носовых углов 0±3÷5° и кормовых узлов 180°±3÷5°). Этот максимум не будет формироваться при рассеянии сигналов от движущихся по случайному закону рассеивателей (например, скоплении рыб, взволнованной поверхности моря), формирующих случайную реверберационную помеху (то есть объемную и поверхностную реверберацию).
Для распознавания неподвижных и малоподвижных целей требуется определить превышение этого максимума над средним уровнем огибающей отраженного сигнала. При этом уровень реверберационных помех может быть соизмерим со средним уровнем огибающей отраженного сигнала. В прототипе для распознавания неподвижных и малоподвижных целей уровень реверберационных помех должен быть меньше уровня отраженных сигналов от цели на величину задаваемого порога. Под малоподвижными целями следует понимать цели, движущиеся со скоростями, вызывающими такие доплеровские смещения спектров отраженных сигналов, которые могут попадать в пределы подавления паразитных сигналов (реверберационных помех) и отраженных сигналов от неподвижных целей за счет использования доплеровской фильтрации, как это имеет место в прототипе и других указанных выше изобретениях. Уровень шумовых помех практически всегда может быть существенно меньше уровня реверберационных помех.
Таким образом, в заявляемом решении допускается уровень случайных реверберационных помех, соизмеримый со средним уровнем огибающей отраженного сигнала, превышающий допустимый уровень реверберационных помех в прототипе. Следовательно, помехоустойчивость заявляемого решения выше, чем у прототипа и других известных способов распознавания неподвижных и малоподвижных целей на фоне реверберационных помех.
На фиг.1 приведен пример распознавания цели, состоящей из нескольких отражателей, от случайной реверберационной помехи при использовании коротких зондирующих импульсов, где:
1 - огибающая короткого зондирующего импульса;
2 - огибающие реверберационного и отраженного сигналов;
3 - последовательности прямоугольных импульсов, сформированных из максимумов огибающих реверберационного и отраженного сигналов;
4 - переизлученные последовательности импульсов;
5 - принятые после переизлучения сигналы.
На фиг. 2 представлен пример результатов обработки экспериментальных данных, полученных при проведении модельных гидролокационных испытаний в гидроакустическом бассейне:
2
3
а) Зависимость  от угла лоцирования α при переизлучении S(t) для τ =30 мкс при α = 10°, β=0 - угол места;
3
б) Зависимость  от угла лоцирования α при излучении 7 равноотстоящих импульсов для τ=30 мкс, β=0 - угол места.
Предложенный способ может быть реализован устройством, функциональная схема которого приведена на фиг.3, где:
6 - генератор зондирующих импульсов,
7 - усилитель мощности,
8 - приемоизлучающая антенна,
9 - распознаваемая цель,
10 - блок-усилитель премного тракта,
11 - первая ключевая схема,
12 - первый компаратор,
13 - ждущий мультивибратор,
14 - вторая ключевая схема,
15 - усилитель-ограничитель,
16 - аналого-цифровой преобразователь,
17 - запоминающее устройство,
18 - схема синхронизации,
19 - цифро-аналоговый преобразователь,
20 - фильтр,
21 - согласованный фильтр,
22 - детектор,
23 - интегратор,
24 - запоминающее устройство,
25 - линия задержки,
26 - вычитающее устройство,
27 - второй компаратор,
28 - счетчик импульсов,
29 - пеленгатор,
30 - индикатор.
1
i
i
На фиг.1 показана огибающая короткого зондирующего импульса 1, излучаемого в первом цикле облучения распознаваемой цели. Далее приведены огибающие реверберационного и отраженного от цели сигналов 2, превышающие первый порог Un1. При облучении цели зондирующим импульсом с высоким разрешением по дальности (коротким зондирующим импульсом или сложным сигналом с последующим сжатием) огибающая отраженного сигнала имеет несколько максимумов, формируемых в результате отражения импульса от отдельных отражающих элементов цели. Отраженный сигнал от цели S(t) определяется сверткой зондирующего импульса ξ(t) с передаточной функцией цели. Передаточная функция цели может быть представлена в виде суммы дельта-импульсов, задержанных друг относительно друга на время t с амплитудами а.
Отраженный сигнал имеет вид:
Таким образом, отраженный сигнал состоит из суммы отраженных импульсов от отдельных жестко связанных между собой отражающих элементов. Взаимное расположение отраженных элементов выявляется во временных положениях максимумов в огибающей отраженного сигнала.
j
Устойчивость временных положений максимумов {τ} в эхосигналах от корпуса цели сложной геометрической формы была доказана для диапазонов углов лоцирования по 15°.
Между двумя циклами облучения цели сложной геометрической формы угол лоцирования изменяется не более чем на 2÷3°. Реверберационные помехи (при объемной и поверхностной реверберации) формируются в результате рассеяния зондирующих импульсов от дискретных рассеивателей, движущихся случайным образом (рыбы, взволнованная поверхность и др.). Поэтому случайные реверберационные помехи представляют собой также сумму рассеянных импульсов:
,
i
i
i
i
где R(t) - отдельные рассеянные сигналы; N(t) - число рассеянных сигналов или дискретных неоднородностей, изменяющееся от времени t; α - случайная величина, характеризующая коэффициент рассеяния звука на отдельных неоднородностях; φ(t) - функция, определяющая изменение рассеянных сигналов в процессе их распространения в морской среде; ξ(t) - зондирующий импульс; t - временные задержки между отдельными рассеянными сигналами в точке приема;  - случайные параметры, изменяющие форму рассеянных сигналов.
Однако временные задержки между этими импульсами изменяются от одного цикла облучения к другому. Устойчивыми эти задержки могут быть лишь при рассеивании звуковых колебаний от стационарных отражателей (например, подводных скал, МПО, аквалангистов). В случае донной реверберации помехи будут иметь неслучайную временную зависимость. Могут распознаваться предлагаемым способом рыбные косяки на фоне донной реверберации.
Устойчивость временных положений максимумов была доказана при распознавании реальных подводных объектов сложной геометрической формы (Давыдов B.C. Оптимальное решающее правило для распознавания тел сложной геометрической формы по отраженным гидроакустическим сигналам. Труды IV Дальневосточной конференции «Акустические методы и средства исследования океана» АН СССР, Владивосток, 1986 г.).
Для распознавания целей от объемной и поверхностной реверберации при использовании коротких зондирующих импульсов из максимумов огибающих отраженных сигналов 2 формируют последовательности прямоугольных импульсов 3, как это показано на фиг.1. После модуляции этими последовательностями импульсов несущих колебаний их излучают в направлении на цель в обратной последовательности 4. Последовательность импульсов, сформированная из отраженного от цели сигнала, имеет вид:
Последовательность импульсов, сформированная из реверберационной помехи, имеет вид:
v
При отражении последовательности импульсов с временными задержками {τ} от цели с передаточной характеристикой φ(t) отраженный сигнал имеет вид:
, где
v
j
При совпадении {τ} и {τ} отраженный сигнал равен сумме отраженных сигналов от всех отражающих элементов.
v
j
n2
В результате совпадения временных задержек {τ} и {τ} в середине отраженного сигнала от цели 5 наблюдается максимум, амплитуда которого равна энергетической сумме зондирующих импульсов ξ(t), отраженных от всех отражающих элементов цели и превышает второй порог ν.
c
1
2
2
c
Σ
Если в качестве зондирующего импульса используется длинный сложный зондирующий сигнал (частотно-модулированный, фазоманипулированный и др.) ξ(t), то принятый радиосигнал S(t) полностью запоминается в оперативной памяти, а затем считывается из нее в указанном выше обратном порядке для формирования излучаемого сигнала s(t). В этом случае s(t) представляет собой сумму длинных сложных зондирующих импульсов ξ(t). Тогда короткий максимум наблюдается в огибающей принятого суммарного сигнала S(t) после его согласованной фильтрации.
Σ
j
ν
Σ
Σ
1
При многолучевом распространении сигналов в морской среде возможно появление нескольких в суммарном сигнале S(t). Для случайных реверберационных помех такое совпадение {τ} и {τ} отсутствует либо может проявляться в значительно меньшей (случайной) степени, чем для жестких тел сложной формы. Поэтому наличие в огибающей суммарного сигнала S(t) глобального максимума  свидетельствует о том, что s(t)) и - s(t) эхосигналы от жесткого тела сложной формы.
1
Σ
Для распознавания эхосигнала от тела сложной формы s(t) на фоне реверберационных помех вычисляется отношение  к среднему уровню огибающей суммарного сигнала  сравнивается с порогом либо распознавание эхосигналов от реверберационных помех выполняется по результату выявления наибольшего глобального максимума  в суммарном сигнале S(t).
2
k
3
υ
3
2
2
υ
j
На верхнем графике (фиг. 2а) приведена зависимость отношения  от угла лоцирования модели тела сложной геометрической формы в горизонтальной плоскости от 5° до 15° при переизлучении отраженного сигнала S(t), зарегистрированного при использовании короткого зондирующего импульса ξ(t) длительностью τ=30 мкс при α=10° (угол места β=0). Ниже приведен график (фиг. 2б) зависимости от  при излучении 7 импульсов с равными интервалами {τ} между импульсами длительностью τ=30мкс. Протяженность S(t) была соизмерима с 7-импульсной посылкой. Из графиков видно, что  при переизлучении отраженного сигнала S(t) значительно превышает отношение , полученное при излучении 7-импульсной посылки, для которой {τ} не совпадаете {τ}.
j
ν
р
j
р
р
При облучении этой последовательностью импульсов случайных рассеивателей такого совпадения временных задержек {τ} и {τ} не наблюдается, максимум в рассеянном сигнале отсутствует. Аналогичным образом не наблюдается совпадение временных задержек между импульсами {τ} и {τ}, а также {τ} и {τ} при облучении цели и случайных рассеивателей последовательностью импульсов, сформированной из реверберационной помехи.
В устройстве, реализующем предлагаемый способ (фиг.3), генератор 6 по команде от схемы синхронизации 18 формирует зондирующие импульсы с высоким разрешением по дальности (короткие или сложные зондирующие импульсы). Эти импульсы усиливаются в усилителе мощности 7 и излучаются с помощью антенны 8. Отраженные от цели 9 сигналы и реверберационные помехи усиливаются в блоке усилителя приемного тракта 10. После усиления сигналы проходят через первую ключевую схему 11 по команде из схемы синхронизации 18. Если принятые сигналы превышают первый порог, устанавливаемый исходя из уровня шумовой помехи, то срабатывает компаратор 12 и включается ждущий мультивибратор 13, который формирует импульс временного строба по длительности соизмеримого с длительностью ожидаемого отраженного сигнала.
Этот импульс открывает вторую ключевую схему 14 и пропускает сигналы с выхода усилителя 10 на вход усилителя-ограничителя 15, нормирующего эти сигналы по амплитуде. После нормирования эти сигналы поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 16, выполняющего квантование сигналов по времени от схемы синхронизации 18 и по амплитуде. После квантования сигналы записываются в оперативную память 17. В следующем цикле облучения по импульсу запуска из схемы синхронизации 18 происходит считывание записанных сигналов из оперативной памяти 17. После считывания эти дискретные сигналы преобразуются в аналоговые с помощью цифро-аналогового преобразователя 19, сглаживаются фильтром 20 и после усиления в усилителе мощности 7 излучаются с помощью антенны 8. Отраженные сигналы, принятые антенной 8 и усиленные в усилителе приемного тракта 10, поступают через первую ключевую схему 11 по команде из схемы синхронизации 18 на вход согласованного фильтра 21, где выполняется сжатие отраженных сигналов. Определяются средние уровни огибающих каждого отраженного сигнала с помощью интегратора 23, запоминаются в запоминающем устройстве 24 и поступают на вычитающее устройство 26. В вычитающем устройстве 26 вычисляется разность между текущими значениями огибающих (поступающих с детектора 22 через линию задержки 25) и их средним уровнем. Величина этой разности поступает на компаратор 27 и сравнивается со вторым порогом. При превышении второго порога срабатывает компаратор 27. Выходной сигнал компаратора поступает на индикатор 30. Отраженные сигналы с усилителя приемного тракта 10 поступают на пеленгатор 29, измеряющий пеленг по двум отраженным сигналам, поступающим на пеленгатор с двух фазовых центров антенны через два усилителя, заключенные в блоке 10 усилителя приемного тракта. Сигналы с выхода пеленгатора 29 поступают на индикатор 30.