ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ЗАГЛУБЛЕННОГО ИСТОЧНИКА ЗВУКА И ИЗМЕРЕНИЯ ЕГО КООРДИНАТ В МЕЛКОМ МОРЕ
HYDROACOUSTIC SYSTEM FOR DETECTING SUBMERGED MOVING SOUND SOURCE AND MEASURING COORDINATES THEREOF IN SHALLOW SEA

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для обнаружения движущегося источника звука, измерения координат источника звуковых волн в мелком море в пассивном режиме с помощью акустических приемников, установленных на морском дне, координаты которых и угловое положение считаются известными.
Известен способ обнаружения шумящих объектов (заявка на изобретение №95113277, МПК G01S 15/00, 1998 г.), включающий прием сигналов шумоизлучения двумя разнесенными в пространстве антеннами, спектральный анализ принятых сигналов, измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми этими антеннами, измерение автокорреляционной функции, нормирование измеренной функции к максимуму, измерение основного лепестка нормированной функции при ее уровнях от 0.1 до 0.8 от максимального значения с шагом 0.1, вычисление отношения предыдущего измерения к последующему на каждом шаге, сравнение полученных результатов с расчетными и при отличии измеренных значений от расчетных принятие решения о наличии нескольких целей на одном направлении, причем о числе целей судят по числу шагов, имеющих это отличие.
Недостатком данного способа обнаружения является малая дальность обнаружения при работе в мелком море. Кроме того, данный способ обнаружения принципиально не может быть использован для определения горизонта источника звука, что представляет определенный практический интерес. При работе обнаружителя в мелком море в присутствии помехи сама задача обнаружения источника звука и поддержания с ним акустического контакта представляет серьезную проблему, которая решается только при достаточно большом отношении сигнал-помеха и при весьма ограниченной дальности обнаружения источника сигнала.
x
y
z
Известно устройство (патент РФ на полезную модель №82972, МПК, H04B 10/00, 2008 г.), в котором для устранения этих недостатков используется многоканальный цифровой комбинированный гидроакустический комплекс, содержащий N акустических комбинированных приемников, каждый из которых состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей, телеметрический блок, вход которого соединен с выходом акустических комбинированных приемников, включающий делители напряжения, аналого-цифровую преобразующую схему, единую схему электронного мультиплексирования, модулятор и оптический излучатель, связанный оптической линией связи с оптическим ресивером, а также систему сбора, обработки и отображения информации, содержащую блок сбора обработки и отображения информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера, устройство доступа к цифровым сетям передачи данных, вход которого соединен с выходом блока сбора обработки и отображения информации, и формирователь диаграммы направленности, вход и выход которого соединены со входом и выходом блока сбора обработки и отображения информации. В каждом комбинированном приемнике этого устройства измеряются компоненты вектора интенсивности I, I, I в локальной ортогональной системе координат, связанной с акустическим комбинированным приемником, а направление на источник звука определяется по формуле
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>y</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>x</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где φ - азимутальный угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от оси X локальной системы координат, связанной с акустическим комбинированным приемником. При необходимости результаты измерений углового положения источника звука в локальной системе координат пересчитываются в пеленг.
Аналогичным образом можно определить угол места, если акустический комбинированный приемник расположен в ближней зоне источника звука
<mrow><mi>θ</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>z</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>r</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>I</mi><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>x</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>y</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В этом устройстве N акустических комбинированных приемников и программный модуль для формирования диаграммы направленности в режиме реального времени образуют гидроакустическую антенну, которая обладает повышенной помехоустойчивостью и малой погрешностью измерения координат источник звука по сравнению с аналогом [1]. При определенной конфигурации элементов антенны дальность обнаружения источника звука может быть увеличена, а погрешность измерения координат источника может быть уменьшена при работе измерительного комплекса в мелком море. Данное устройство является наиболее близким к заявленному изобретению.
Недостатком этого устройства является невозможность значительного увеличения числа акустических комбинированных приемников и апертуры антенны из-за значительных дисперсионных искажений акустического сигнала при его распространении в мелком море. Вследствие таких искажений алгоритмы фазирования сигналов, принятых отдельными элементами антенны, которые положены в основу функционирования формирователя диаграммы направленности, и сами алгоритмы определением азимутального угла на источник звука по формуле (1) и угла места по формуле (2) становятся неэффективными. В результате дальность обнаружения измерительной антенны не увеличивается, а погрешность измерения пеленга не уменьшается при увеличении апертуры антенны. Кроме того, недостатком этого устройства является большая погрешность измерения горизонта источника при работе измерительного комплекса в мелком море и малая дальность обнаружения источника звука.
б
2
В основу настоящего изобретения поставлена задача увеличения дальности обнаружения источника звука, а также уменьшения погрешности измерения координат источника при работе измерительного комплекса в мелком море путем увеличения апертуры его измерительной системы и использования корреляционных свойств звукового поля движущегося источника звука. Для достижения поставленной цели предлагается использование корреляционных свойств звукового поля по отношению к вертикальной компоненте вектора интенсивности, которая генерируется комплексным угловым спектром движущегося источника. В соответствии с результатами работы (Щуров В.А., Кулешов В.П., Ткаченко Е.С. Вихри акустической интенсивности в мелком море // Техническая акустика. 2010. №12. ) вертикальная компонента вектора интенсивности обладает явно выраженной периодической структурой в звуковом поле, создаваемом движущимся источником звука в мелком море на расстояниях, существенно превышающих размер ближней зоны r=Н/λ (Н - глубина моря, λ - длина волны на средней частоте рабочего диапазона частот). Это означает высокую коррелированность звуковых полей по отношению к вертикальной компоненте вектора интенсивности, а также простую связь горизонта источника с измеряемыми параметрами этой величины. Кроме того, уровень вертикальной составляющей вектора интенсивности в шумах судоходства убывает экспоненциально быстро с глубиной, поэтому шумы судоходства оказывают минимальное влияние на измерение этой компоненты звукового поля в случае, если источник звука, подлежащий обнаружению, является заглубленным.
н
н
12
12
1
2
1
2
Для реализации поставленной задачи в гидроакустическом измерительном комплексе, содержащем N акустических комбинированных приемников, каждый из которых состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей, телеметрический блок, вход которого соединен с выходом акустических комбинированных приемников, включающий делители напряжения, аналого-цифровую преобразующую схему, единую схему электронного мультиплексирования и оптический излучатель, связанный оптической линией связи с оптическим ресивером, систему сбора, обработки и отображения информации, содержащую блок сбора, обработки и отображения информации, вход которого соединен с выходом оптического ресивера, и устройство доступа к цифровым сетям передачи данных, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и передачи информации, посредством N акустических комбинированных приемников образуются две донные вертикально ориентированные эквидистантные антенны, в каждой из которых число элементов равно N/2, а локальные координатные системы всех акустических комбинированных приемников совмещены. При этом расстояние между вертикальными антеннами 1>λ, где λ - длина волны на нижней частоте рабочего диапазона шумоизлучения источника звука, расстояние между акустическими комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, а число приемников в каждой антенне N/2=h/Δz, h=z-z, z, z нижний и верхний горизонты вероятного нахождения источника звука, образующие коридор обнаружения.
1n
2n
Кроме того, в систему сбора, обработки и отображения информации дополнительно введены N-канальный блок вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации, блок определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом N-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, N-канальный блок вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации, N-канальный блок вычисления азимутальных углов φ, φ, вход которого соединен с первым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок вычисления усредненных азимутальных углов, первый вход которого соединен с выходом N-канального блока вычисления азимутальных углов, а второй вход соединен со вторым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, блок вычисления горизонтальных координат источника звука, вход которого соединен с выходом блока вычисления усредненных азимутальных углов, причем усредненные азимутальные углы определяется формулами
<mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mn>1</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mo>,</mo><mn>1</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>l</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>I</mi><mi>l</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>ln</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>ln</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>N</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mo>,</mo><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>I</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>I</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>N</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mo>,</mo><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
n
x,1n
y,1n
где φ, I, I - азимутальный угол и компоненты вектора интенсивности, относящиеся к n-ому акустическому комбинированному приемнику, индексы 1, 2 относятся к двум вертикально ориентированным эквидистантным антеннам, горизонтальные координаты источника звука в локальной системе координат (x, y), совмещенной с локальной системой координат акустических комбинированных приемников, определяются формулами
<mrow><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>l</mi><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>y</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>l</mi><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
а за горизонт источника принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности. Информация с выхода блока вычисления горизонтальных координат источника звука и блока определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности поступает на первый и второй входы устройства доступа к цифровым сетям передачи данных.
Кроме того, для увеличения дальности обнаружения движущегося источника звука и поддержания с ним акустического контакта в систему сбора, обработки и отображения информации дополнительно введены N/2-канальный вычислитель взаимного спектра, входы которого соединены с выходами N-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, N/2-канальный вычислитель взаимной корреляционной функции, входы которого соединены с выходами N/2-канального вычислителя взаимного спектра, сумматор, вход которого соединен с выходами N/2-канального вычислителя взаимной корреляционной функции, блок измерения максимума взаимной корреляционной функции, вход которого соединен с выходом сумматора, блок нормирования взаимной корреляционной функции, входы которого соединены с выходами сумматора и блока измерения максимума взаимной корреляционной функции, блок вычисления ширины основного лепестка нормированной взаимной корреляционной функции на уровнях от 0.1 до 0.8 от максимального значения с шагом 0.1, вход которого соединен с выходом блока нормирования взаимной корреляционной функции, вычислитель отношения предыдущего измерения к последующему на каждом шаге, вход которого соединен с выходом блока вычисления ширины основного лепестка нормированной взаимной корреляционной функции на уровнях от 0.1 до 0.8 от максимального значения с шагом 0.1, компаратор, первый вход которого соединен с выходом блока вычислителя отношения предыдущего измерения к последующему, блок задания расчетных значений отношений предыдущего измерения к последующему, выход которого соединен со вторым входом компаратора, блок принятия решения об обнаружении источников звука и их числе, вход которого соединен с выходом компаратора, а выход соединен с третьим входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных.
В предлагаемом комплексе существенными признаками, общими с прототипом, являются:
- N акустических комбинированных приемников, каждый из которых состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей;
- телеметрический блок, включающий делители напряжения, аналого-цифровую преобразующую схему, единую схему электронного мультиплексирования, модулятор и оптический излучатель, связанный оптической линией связи с оптическим ресивером;
- система сброса, обработки и передачи информации, содержащая блок сбора, обработки и передачи информации, и устройство доступа к цифровым сетям передачи данных.
Отличительными существенными признаками являются:
н
н
12
12
1
2
1
2
- акустическими комбинированными приемниками образуются две донные вертикально ориентированные эквидистантные антенны, в каждой из которых содержится N/2 комбинированных приемников, расстояние между вертикальными антеннами 1>λ, где λ - длина волны на нижней частоте рабочего диапазона шумоизлучения источника звука, расстояние между акустическими комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, а число приемников в каждой антенне N/2=h/Δz, h=z-z, z, z нижний и верхний горизонты вероятного нахождения источника звука, образующие коридор обнаружения;
- N-канальный блок вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации;
- блок определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом N-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности;
- N-канальный блок вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока сбора, обработки и отображения информации;
- N-канальный блок вычисления азимутальных углов, вход которого соединен с первым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности;
- блок вычисления усредненных азимутальных углов, первый вход которого соединен с выходом N-канального блока вычисления азимутальных углов, а второй вход соединен со вторым выходом N-канального блока вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, а усредненные азимутальные углы определяются формулой
<mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mn>1</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mo>,</mo><mn>1</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>l</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>I</mi><mi>l</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>ln</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>ln</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>N</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mo>,</mo><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>I</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>I</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>N</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mo>,</mo><mn>2</mn><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>x</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
п
xn
yn
где φ, I, I- азимутальный угол и компоненты вектора интенсивности, относящиеся к n-y акустическому комбинированному приемнику, индексы 1, 2 относятся к двум вертикально ориентированным эквидистантным антеннам;
- блок вычисления горизонтальных координат источника звука, которые определяются по формулам
<mrow><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>l</mi><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>y</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>l</mi><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>〈</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>〉</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
- вертикальная координата источника звука принимается равной вертикальной координате акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимум вертикальной компоненты вектора интенсивности, определяемый в блоке определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности;
- N/2 - канальный вычислитель взаимного спектра, входы которого соединены с выходами N-канального блока вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности;
- N/2 - канальный вычислитель взаимной корреляционной функции, входы которого соединены с выходами N/2-канального вычислителя взаимного спектра;
- сумматор, вход которого соединен с выходами N/2-канального вычислителя взаимной корреляционной функции;
- блок измерения максимума взаимной корреляционной функции, вход которого соединен с выходом сумматора;
- блок нормирования взаимной корреляционной функции, входы которого соединены с выходами сумматора и блока измерения максимума взаимной корреляционной функции;
- блок вычисления ширины основного лепестка нормированной взаимной корреляционной функции на уровнях от 0.1 до 0.8 от максимального значения с шагом 0.1, вход которого соединен с выходом блока нормирования взаимной корреляционной функции;
- вычислитель отношения предыдущего измерения к последующему на каждом шаге, вход которого соединен с выходом блока вычисления ширины основного лепестка нормированной взаимной корреляционной функции на уровнях от 0.1 до 0.8 от максимального значения с шагом 0.1;
- компаратор, первый вход которого соединен с выходом блока вычислителя отношения предыдущего измерения к последующему;
- блок задания расчетных значений отношений предыдущего измерения к последующему, выход которого соединен со вторым входом компаратора;
- блок принятия решения об обнаружении источников звука и их числе, вход которого соединен с выходом компаратора, а выход соединен с третьим входом устройства доступа к цифровым сетям передачи данных.
Таким образом, именно такая совокупность существенных признаков заявленного устройства позволяет создать гидроакустический измерительный комплекс для обнаружения движущегося заглубленного источника звука и измерения его координат, уменьшить погрешность измерения и увеличить дальность действия самого комплекса при работе в мелком море.
н
н
12
12
1
2
1
2
Новизна предлагаемого устройства заключается в том, что в нем в качестве измерительного комплекса используются две донные вертикально ориентированные эквидистантные антенны, в каждой из которых содержится N/2 комбинированных приемников, расстояние между вертикальными антеннами l>λ, где λ - длина волны на нижней частоте рабочего диапазона шумоизлучения источника звука, расстояние между акустическими комбинированными приемниками равно заданной погрешности определения вертикальной координаты (горизонта) источника звука Δz, а число приемников в каждой антенне N/2=h/Δz, h=z-z, z, z нижний и верхний горизонты вероятного нахождения источника звука, образующие коридор обнаружения, а в качестве рабочего сигнала используется вертикальная компонента вектора интенсивности. Именно эта характеристика обладает наибольшей пространственной коррелированностью в звуковом поле в мелком море, в наименьшей степени подвержена влиянию помех судоходства, если источник звука является заглубленным, и имеет причинно-следственную связь с горизонтом источника.
Кроме того, для определения горизонтальных координат источника звука используется возможность определения пеленга на источник звука с помощью одиночного комбинированного приемника и избыточная информация об угловом положении источника звука, позволяющая минимизировать погрешность их определения. Именно эта особенность позволяет существенно уменьшить погрешность измерения и увеличить дальность действия всего устройства.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены две донные вертикально ориентированные эквидистантные антенны, разнесенные на базовое расстояние 1, на фиг.2 представлена блок-схема гидроакустического измерительного комплекса.
Заявленный гидроакустический комплекс для обнаружения движущегося заглубленного источника звука и измерения его координат в мелком море содержит N-элементную донную антенну I, телеметрический блок II и систему III сбора, обработки и передачи информации.
Донная антенна I состоит из двух вертикально ориентированных эквидистантных антенн, в каждой из которых содержится N/2 комбинированных приемников, каждый из которых состоит из гидрофона, трехкомпонентного векторного приемника и соединенных с ними усилителей (на чертеже не показаны). Геометрия расположения акустических приемников и источника звука относительно локальной системы координат поясняется фиг.1.
Телеметрический блок II включает: делители напряжения 1, аналого-цифровую преобразующую схему 2, единую схему 3 электронного мультиплексирования, модулятор 4 и оптический излучатель 5, связанный оптической линией 6 связи с оптическим ресивером 7.
x
i
y
i
Система III сбора, обработки и передачи информации содержит блок 8 сбора, обработки и передачи информации, N-канальный блок 9 вычисления вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока 8, блок 10 определения максимума вертикальной компоненты вектора интенсивности, вход которого соединен с выходом блока 9. Та же сигнальная информация с выхода блока 8 сбора, обработки и отображения информации поступает на вход N-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, с выхода которого численные значения горизонтальных компонент вектора интенсивности I(ω,r), I(ω,r) поступают на вход N-канального блока 12 вычисления азимутальных углов. Численные оценки азимутальных углов на источник звука, вычисленные по формуле (1) для каждого из N акустических комбинированных приемников, усредняются в блоке 13 по формуле (3), а усредненные значения азимутальных углов передаются на вход блока 14 вычисления горизонтальных координат источника звука. С выхода блока 14 вычисления горизонтальных координат источника звука информация поступает на второй вход устройства 15 доступа к цифровым сетям передачи данных, а с первым входом последнего соединен выход блока 9.
Кроме того, сигналы с выхода N-канального блока 9 вычисления спектральной плотности вертикального потока мощности поступают на вход N/2-канального блока вычисления взаимного спектра 16, с выхода которого сигналы поступают на вход N/2-канального блока 17 вычисления взаимной корреляционной функции, выход которого соединен со входом сумматора 18, выполняющего суммирование корреляционных функций. Суммарная взаимная корреляционная функция В(τ) с первого выхода сумматора 18 поступает на вход блока 19 измерения максимума взаимной корреляционной функции, выход которого и второй выход сумматора 18 соединены со входом блока 20 нормирования взаимной корреляционной функции. После процедуры нормирования взаимной корреляционной функции сигнал с выхода блока 20 поступает на вход блока 21 вычисления ширины основного лепестка нормированной взаимной корреляционной функции на уровнях от 0.1 до 0.8 от максимального значения с шагом 0.1, выход которого соединен со входом вычислителя отношения предыдущего измерения к последующему на каждом шаге. Численная оценка этого отношения сравнивается в компараторе 22 с расчетными значениями этого отношения, которые формируются в блоке 23 и соответствуют фоновым значениям этих величин в отсутствие источников звука. По результату сравнения измеренных значений с расчетными значениями в блоке 24 принятия решений делается вывод о наличии источников звука и их числе, а информация с выхода блока 24 принятия решений поступает на третий вход устройства 15 доступа к цифровым сетям передачи данных.
Комплекс работает следующим образом.
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>z</mi><mo>*</mo></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
z
i
i
i
x
i
y
i
Звуковая волна, излучаемая источником звука, принимается акустическими комбинированными приемниками, образующими две донные вертикально ориентированные эквидистантные антенны I(I), I(2). Все сигналы с выходов акустических приемников поступают на вход телеметрического блока II, а после прохождения через делители напряжения 1, аналого-цифровую преобразующую схему 2 и единую схему 3 электронного мультиплексирования преобразуются в поток цифровой информации, поступающий через модулятор 4, оптический излучатель 5 и оптическую линию 6 связи на оптический ресивер 7. С выхода оптического ресивера 7 информация поступает в цифровом виде на вход блока 8 сбора, обработки и отображения информации, находящегося в системе III сбора, обработки и отображения информации. В блоке 8 сбора, обработки и отображения информации сигналы вновь разделяются по отдельным каналам звукового давления и компонент вектора колебательной скорости и поступают в N-канальный блок 9 вычисления спектральной плотности
- вертикального потока мощности. В соответствии с результатами работы (Щуров В.А., Кулешов В.П., Ткаченко Е.С. Вихри акустической интенсивности в мелком море // Техническая акустика. 2010. №12. http://www.ejta.org.) именно эти величины обладают наибольшей пространственной коррелированностью, в наименьшей степени подвержены влиянию помех судоходства в случае, если источник звука является заглубленным, и связаны наиболее простой связью с горизонтом источника звука в звуковом поле, формируемом в мелком море. Эти свойства поля спектральной плотности вертикального потока мощности используются при дальнейшей обработке акустической информации. Эта обработка сводится к вычислению вертикальной компоненты вектора интенсивности I(ω,r)=ReS(ω,r) в блоке 9 для каждого из N акустических комбинированных приемников с последующим нахождением максимального из этих значений в блоке 10. За горизонт источника звука принимается горизонт акустического комбинированного приемника, которому соответствует максимальное значение вертикальной компоненты вектора интенсивности, а соответствующая информация поступает на первый вход устройства 15 доступа к цифровым сетям передачи данных. Та же сигнальная информация с выхода блока 8 сбора, обработки и отображения информации поступает на вход N-канального блока 11 вычисления горизонтальных компонент вектора интенсивности, с выхода которого численные значения горизонтальных компонент вектора интенсивности I(ω,r), I(ω,r) поступают на вход N-канального блока 12 вычисления азимутальных углов. Численные оценки азимутальных углов на источник звука, вычисленные по формуле (1) для каждого из N акустических комбинированных приемников, усредняются в блоке 13 по формуле (3), а усредненные значения азимутальных углов передаются на вход блока 14 вычисления горизонтальных координат источника звука. С выхода блока 14 вычисления горизонтальных координат источника звука информация поступает на второй вход устройства 15 доступа к цифровым сетям передачи данных. Сама процедура усреднения отдельных значений азимутального угла позволяет уменьшить случайную составляющую погрешности измерения этой величины.
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>z</mi><mo>*</mo></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Кроме того, для увеличения дальности обнаружения движущегося источника звука выполняется попарная взаимно-корреляционная обработка сигналов, принимаемых комбинированными приемниками, принадлежащими двум вертикальным антеннам и находящимися на одном горизонте. С этой целью сигналы с выхода N-канального блока 9 вычисления спектральной плотности
- вертикального потока мощности поступают на вход N/2-канального блока вычисления взаимного спектра 16
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mo>*</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
j
где r, r - координаты комбинированных приемников, принадлежащих двум вертикальным антеннам и находящихся на одном горизонте, с выхода которого сигналы поступают на вход N/2-канального блока 17 вычисления взаимной корреляционной функции
<mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>B</mi></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow></msup><mi>d</mi><mi>ω</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
в
где ω- верхняя частота рабочего диапазона частот шумоизлучения источника звука, выход которого соединен со входом сумматора 18, выполняющего суммирование корреляционных функций
<mrow><mi>B</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></munder><mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
.
Для дальнейшего решения задачи обнаружения источников звука и определения их числа суммарная взаимная корреляционная функция В(τ) с первого выхода сумматора 18 поступает на вход блока 19 измерения максимума взаимной корреляционной функции, выход которого и второй выход сумматора 18 соединены со входом блока 20 нормирования взаимной корреляционной функции. После процедуры нормирования взаимной корреляционной функции сигнал с выхода блока 20 поступает на вход блока 21 вычисления ширины основного лепестка нормированной взаимной корреляционной функции на уровнях от 0.1 до 0.8 от максимального значения с шагом 0.1, выход которого соединен со входом вычислителя отношения предыдущего измерения к последующему на каждом шаге. Численная оценка этого отношения сравнивается в компараторе 22 с расчетными значениями этого отношения, которые формируются в блоке 23 и соответствуют фоновым значениям этих величин в отсутствие источников звука. По результату сравнения измеренных значений с расчетными значениями в блоке 24 принятия решений делается вывод о наличии источников звука и их числе, а информация с выхода блока 24 принятия решений поступает на третий вход устройства 15 доступа к цифровым сетям передачи данных.