УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ, ИЗЛУЧАЮЩИХ АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ
DEVICE FOR DETECTING OBJECTS EMITTING ACOUSTIC SIGNALS

Изобретение относится к радиолокации, в частности к устройствам определения местоположения шумящих объектов с помощью разнесенных волоконно-оптических измерителей звукового давления. Изобретение может быть использовано в радиолокации и охранных системах.
Известны устройства обнаружения летательных аппаратов, излучающих сигналы звукового диапазона [1]. Они состоят из пары акустических рупоров, образующих диаграмму направленности приемной антенны (ДНА), следящих приводов, с помощью которых изменяется положение ДНА в азимутальной и угломестных плоскостях, сравнивающего устройства, системы фильтров звукового диапазона. Однако такие устройства имеют громоздкую конструкцию и для организации "барьерной" зоны обнаружения шумящих объектов требуется установка множества таких устройств, соединенных между собой каналами связи. Строительство таких "барьеров" потребует привлечения крупных финансовых средств, отчуждения земельных участков под строительство сооружений, обслуживания разнесенных позиций.
Известны обнаружители акустических сигналов, состоящие из приемного устройства, измерителя мощности, порогового устройства, блоков сравнения и задержки, сумматора и двух нерекурсивных фильтров [2, 3]. Обнаружение акустических сигналов в этих устройствах осуществляется за счет скользящей интервальной оценки среднего значения амплитуды акустического шума. В случае превышения амплитудой акустического сигнала заданного порогового значения принимается решение о появлении в зоне чувствительности приемного устройства источника звукового излучения, например летательного аппарата. Когда сигнал становится ниже порога ограничения, принимается решение об окончании действия акустического сигнала или о выходе его источника из зоны чувствительности датчика.
К недостаткам таких обнаружителей можно отнести
- невозможность построения протяженной "барьерной" зоны;
- необходимость организации каналов связи для передачи сведений о параметрах обнаруженного акустического сигнала на центральный пункт обработки.
Наиболее близким к заявляемому является устройство [4], состоящее из N параллельно соединенных между собой через 2(N-1) тройников 2(N-1) световодов волоконно-оптических датчиков (ВОД) акустического сигнала. К входу первого тройника, подключенному к первому из группы N ВОД, через световод подключен источник оптического излучения (лазер), а вход второго тройника, первого из группы N ВОД, через световод подключен к фотоприемному устройству (ФПУ). На вход источника оптического излучения подаются сигналы с выхода генератора импульсов (ГИ). Оценка спектрального состава и уровня акустического сигнала, воздействующего на каждый датчик, осуществляется по измеренной в заданные моменты времени амплитуде продетектированного сигнала, снимаемого с выхода соответствующего датчика в регистрирующем устройстве. Синхронизация процессов измерения (выборки) амплитуды оптического акустического сигнала, модулированного акустическими волнами, производится с помощью задержанных импульсов, снимаемых со второго выхода ГИ. Время задержки импульсов относительно сигналов, подаваемых на вход источника оптического излучения, известно и соответствует времени прохождения оптического импульса по 2i световодам и одному ВОД. Поэтому оптические импульсы, прошедшие через датчики, могут быть легко выделены в демультиплексоре. Спектральный состав (акустический портрет) шумящего объекта может быть получен с помощью системы фильтров.
Для прототипа характерны следующие недостатки:
- низка точность измерения амплитуды сигнала с N-го ВОД, так как при прохождении оптического сигнала по 2N световодам и 2N ответвителям его мощность падает, а следовательно, на последних датчиках уменьшается отношение сигнал/шум. Поэтому на результаты измерений будут влиять шумы оптического тракта и расстояние от датчика до ФПУ: чем больше расстояние до объекта, тем ниже точность измерений;
- не обеспечивается процедура распознавания «шумящих» объектов;
- не осуществляется сравнение результатов измерений звукового давления в датчиках и, следовательно, затруднена возможность определения местоположения объекта и его траектории движения. Эта возможность зависит от отношения сигнал/шум, точки размещения датчика с максимально зафиксированным уровнем звукового давления и положения его диаграммы направленности.
Решается задача создания устройства обнаружения объектов, излучающих акустические сигналы, определения их местоположения и распознавание типа объекта.
Технический результат - повышение точности измерения за счет оценки спектрального состава акустического сигнала и параметров движения объекта.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство обнаружения объектов, излучающих акустические сигналы, содержащее N параллельно включенных ВОД, связанных между собой через 2N оптических ответвителей (ОО) с помощью 2(N-1) световодов, к первому источнику оптического излучения подключен (2N-1)-й световод, а вход/выход первого ОО из первой группы N ОО связан через 2N-й световод с первым фотоприемным устройством (ФПУ), выход первого ФПУ подключен к первому демультиплексору-коммутатору, первый выход генератора импульсов (ГИ) соединен с первым источником оптического излучения, а второй - с управляющими входами первого демультиплексора-коммутатора, первые bN выходов системы фильтров подключены к первой группе входов регистрирующего устройства (bN - число полос частот акустического сигнала, в которых осуществляется оценка акустического «портрета» объекта), введены второе ФПУ, вход которого через последовательное соединение «(2N+1)-й световод - (2N+1)-й ОО - (2N+2)-й световод» подключен к первому из второй группы из N ОО, а выход - ко второму демультиплексору-коммутатору, bN выходов которого через схему объединения подключены к первой группе входов системы фильтров, а ко второй группе входов системы фильтров также через схему объединения - bN выходов первого демультиплексора-коммутатора, вход/выход N-го ОО из второй группы из N оптических ответвителей через последовательно соединенные (2N+3)-й световод, третье ФПУ, второй генератор импульсов, второй источник оптического излучения, (2N+4)-й световод подключен к N-му оптическому ответвителю из первой группы из N ОО, третий выход первого ГИ связан с управляющими входами второго демультиплексора-коммутатора, а четвертый выход первого ГИ - со вторым входом регистрирующего устройства.
1
2
N
11
21
N1
12
22
N2
N
11
21
N1
12
22
N2
На рисунке приведена структурная схема заявляемого устройства обнаружения объектов, излучающих акустические сигналы: 1, 1, …, 1 - волоконно-оптические датчики акустических сигналов (N - число датчиков); 2, 2, …, 2 и 2, 2, …, 2 - оптические ответвители (разветвители оптического сигнала) в количестве 2 штук; 3, 3, …, 3 и 3, 3, …, 3 - световоды в количестве 2(N-1) штук; 4 - первый источник оптического излучения; 5 - (2N-1)-й световод; 6 - 2N-й световод; 7 - первое фотоприемное устройство; 8 - первый демультиплексор-коммутатор; 9 - первый генератор импульсов; 10 - система фильтров; 11 - регистрирующее устройство; 12 - второе фотоприемное устройство; 13 - (2N+1)-й световод; 14 - (2N+1)-й оптический ответвитель; 15 - (2N+2)-й световод; 16 - второй демультиплексор-коммутатор; 17 - схема объединения; 18 - (2N+3)-й световод; 19 - третье фотоприемное устройство; 20 - второй генератор импульсов; 21 - второй источник оптического излучения; 22 - (2N+4)-й световод. Направленность оптических связей на рисунке не показана.
В устройстве обнаружения объектов, излучающих акустические сигналы, N параллельно включенных волоконно-оптических датчиков связаны между собой через 2N оптических ответвителей с помощью 2(N-1) световодов. К первому источнику оптического излучения подключен (2N-1)-й световод, а вход/выход первого оптического ответвителя из первой группы N оптических ответвителей связан через 2N-й световод с первым фотоприемным устройством, выход первого фотоприемного устройства подключен к первому демультиплексору-коммутатору, первый выход генератора импульсов соединен с первым источником оптического излучения, а второй - с управляющими входами первого демультиплексора-коммутатора, первые bN выходов системы фильтров подключены к первой группе входов регистрирующего устройства (bN - число полос частот акустического сигнала, в которых осуществляется оценка акустического "портрета" объекта), второе фотоприемное устройство, вход которого через последовательное соединение (2N+1)-й световод - (2N+1)-й оптический ответвитель - (2N+2)-й световод подключен к первому из второй группы из N оптических ответвителей, а выход - ко второму демультиплексору-коммутатору, bN выходов которого через схему объединения подключены к первой группе входов системы фильтров, а ко второй группе входов системы фильтров также через схему объединения - bN выходов первого демультиплексора-коммутатора, вход/выход N-го оптического ответвителя из второй группы из N оптических ответвителей через последовательно соединенные (2N+3)-й световод, третье фотоприемное устройство, второй генератор импульсов, второй источник оптического излучения, (2N+4)-й световод подключен к N-му оптическому ответвителю из первой группы из N оптических ответвителей, третий выход первого генератора импульсов связан с управляющими входами второго демультиплексора-коммутатора, а четвертый выход первого генератора импульсов - со вторым входом регистрирующего устройства.
1
2
N
Работа заявляемого устройства обнаружения заключается в следующем. Первый генератор импульсов 9 формирует последовательность импульсов длительностью Т. Величина Т должна быть такой, чтобы импульсы с каждого датчика 1, 1, …, 1 на приемной стороне были раздельно наблюдаемы. Поэтому длительность импульса выбирается из условия
i1
i2
в
T<(2L+L)/с,
i1
i2
i
i-1
i+1
в
п
где L и L - минимальные длины световодов 3i между ОО 2 к i-му датчику и оптическими ответвителями 2 и 2 к (i-1)-му и (i+1)-му датчикам, соответственно i=2, … (N-1), с - скорость света в волоконном световоде. Период повторения Т импульсов генераторов первого 9 и второго 20 выбирается следующим образом:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>п</mi></msub><mo>></mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>3</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>L</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>/</mo><msub><mi>C</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>T</mi><mi>з</mi></msub></mrow>
,
з
N
1
i
где Т - суммарная длительность задержки в ВОД 1 или ВОД 1 в зависимости от направления передачи оптического импульса плюс время задержки в узлах 18, 19, 20, 21; L - длина i-го световода, 2N+3 - общее число световодов.
12
1
1
11
1
2
N
i
Эти видеоимпульсы преобразуются в первом источнике оптического излучения 4 и через световод 5, ОО 14, световод 15, ОО 2 вводятся в волоконно-оптический датчик 1. В датчике 1 оптические сигналы модулируются по интенсивности звуковым давлением от шумящего объекта и через оптический ответвитель 2, световод 6, подключенный к выходу первого датчика 1 подаются на вход первого ФПУ 7. Аналогичным образом передаются оптические сигналы через цепочки, образованные соответствующими световодами, оптическими ответвителями и датчиками 1, …, 1. Первым генератором импульсов 9 на втором выходе формируется гребенка импульсов, временное положение каждого из них соответствует времени задержки выходного сигнала соответствующего датчика 1. С выхода первого ФПУ 7 видеосигнал поступает на первый демультиплексор-коммутатор 8, где в зависимости от задержки относительно опорного импульса первого генератора импульсов 9 поступает на соответствующий канал. Импульсы со второго выхода первого генератора импульсов 9 с помощью первого демультиплексора-коммутатора 8 вырезают только информационную часть видеосигнала с датчиков 1, увеличивая тем самым отношение сигнал/шум. Эта процедура позволит увеличить качество дальнейшей фильтрации сигналов с датчиков 1, а следовательно, и повысить точность определения местоположения и типа объекта за счет оценки спектрального состава его акустического шума и оценки параметров движения.
Выходные сигналы первого демультиплексора-коммутатора 8 через схему объединения 17 подаются на N входов системы фильтров 10, где на первом этапе обработки из сигнала с помощью фильтра нижних частот выделяются низкочастотные составляющие, например, в диапазоне (20-10000) Гц. Затем с помощью b полосовых фильтров этот звуковой диапазон разбивается на b полос. Величина b выбирается с учетом охвата всех характерных частотных составляющих спектра акустического сигнала, создаваемого заданными объектами при движении. Оценка уровня сигнала ВОД в каждой из b полос в регистрирующем устройстве 11 осуществляется с помощью многоразрядных аналого-цифровых преобразователей. Цену младшего разряда выбирают равной амплитуде шумов первого ФПУ 7 и второго 12, а число разрядов от 10 до 16. Для синхронизации процессов преобразования аналоговых сигналов в дискретные и их обработки в регистрирующем устройстве 11 используют импульсы первого генератора 9.
Оценка спектрального состава и уровня акустического сигнала, воздействующего на каждый датчик, осуществляется по измеренной в заданные моменты времени амплитуде продетектированного сигнала, снимаемого с выхода соответствующего датчика в регистрирующем устройстве 11. Синхронизация процессов измерения (выборки) амплитуды продетектированного в первом ФПУ 7 и втором 12 оптического сигнала, модулированного акустическими волнами, производится с помощью задержанных высокостабильных импульсов, снимаемых с четвертого выхода первого ГИ 9, выполненного, например, на кварцевом резонаторе и счетчиках импульсов. Время задержки импульсов относительно сигналов, подаваемых на вход источника оптического излучения, известно и соответствует времени прохождения оптического импульса по световодам 3 и одному датчику 1. Поэтому оптические импульсы, прошедшие через датчики и продетектированные в первом ФПУ 7 и втором 12, могут быть легко выделены в демультиплексорах-коммутаторах первом 8 и 16.
Оценка уровня спектральных составляющих каждого датчика позволяет получить акустический "портрет" объекта - осуществить распознавание его типа с помощью регистрирующего устройства 11 путем сравнения полученного акустического «портрета» с заложенными в его базу данными. Амлитудно-частотная и фазово-частотная характеристики источников оптического излучения первого 4, второго 21 и ФПУ первого 7, второго 12 выбираются с учетом обеспечения безыскаженных параметров импульсного сигнала длительности Т при проведении процедур его формирования, передачи, приема и обработки. Измеряемые в регистрирующем устройстве 11 параметры: время прохождения последовательной цепочки датчиков 1, изменение частоты наиболее мощной из спектральных составляющих акустического сигнала за счет эффекта Доплера, оцениваемые совместно с уровнем акустического сигнала, позволяют также распознать тип «шумящего» транспортного средства. Минимальная частота этой спектральной составляющей акустического сигнала (частота Доплера равна нулю) характеризует момент прохождения транспортным средством линии между двумя соседними датчиками 1 с наибольшей амплитудой акустического сигнала.
N2
Аналогично осуществляется съем и обработка видеосигналов с датчиков 1, сформированных с помощью оптических сигналов второго источника оптического излучения 21. Однако направление передачи противоположно рассмотренному ранее и длины волн оптического излучения разные, например 1,3 мкм и 1,55 мкм. Функции, выполняемые световодом 22, вторым источником оптического излучения 21, вторым ФПУ 12, вторым демультиплексором-коммутатором 16, аналогичны рассмотренным ранее. На вход второго источника оптического излучения 21 подаются импульсы с ОО 2, прошедшие световод 18, третье ФПУ 19, второй ГИ 20, в котором может быть предусмотрена задержка импульсов с выхода третьего ФПУ 19 для исключения коллизий при обработке акустических сигналов.
Группируя в схеме объединения 17 сигналы одноименных датчиков 1, можно добиться увеличения отношения сигнал/шум на входе регистрирующего устройства 11 и получить преимущества, указанные ранее.
В регистрирующем устройстве 11 осуществляется оценка уровня сигнала в каждой из 2bN полос частот по сравнению с уровнем эталонного сигнала, снятого без воздействия шума объекта. Затем определяется местоположение объекта по уровню сравниваемого с пороговым значением акустического сигнала, воздействующего на датчики. Уточнение местоположения и направления движения объекта производится путем усреднения результатов нескольких предыдущих операций, полученных для одного датчика с двух направлений подачи оптического импульса. На основе полученных результатов в регистрирующем устройстве 11 в соответствии с известными для многопозиционной радиолокации формулами [5] рассчитывается траектория движения объекта и определяется [6] его тип, например, по следующим характеристикам:
- времени пребывания в зоне обнаружения датчика или группы датчиков, например, менее скоростные объекты в зоне обнаружения будут находиться в течение более длительного интервала времени;
- акустической сигнатуре (спектральному составу акустического сигнала);
- направленности звукового излучения, например, у реактивных двигателей в зоне передних углов (0-60)° доминирует шум, излучаемый из воздухозаборника, в зоне задних углов (120-180)° - из сопла двигателя и т.п.
Эта информация в одном из стандартных видов, например, по стыку RS-232С, с выхода регистрирующего устройства 11 выдается получателю данных.
Узлы заявляемого объекта могут быть реализованы следующим образом: источники оптического излучения первый 4, второй 21 - на передающих оптических модулях [7] с разной длиной волны; световоды 3, 5, 6, 13, 15, 16, 18, 22 - на световодах кабеля марки ОКПН (ТУ 16.К71-026-88); ФПУ 7, 12, 19 - на фотоприемных устройствах [7] с разной длиной волны; система фильтров 10 - на ИМС серии 298; схема 17 - на резисторах; генераторы импульсов 9 и 20 - на ИМС 530ГГ1 и счетчиках серии 533, используемых в качестве делителей частоты; демультиплексоры-коммутаторы 8 и 16 - на ИМС 590КН1 со схемой управления; оптические ответвители 2 - на ответвителях У-образного типа [7]; датчики 1 - на датчиках давления "ОСКД" [7]; регистрирующее устройство 11 - на ПЭВМ "Багет-41" со встроенными модулями аналогово-цифровых преобразователей.
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы обработки информации, снимаемой с датчика, создана часть программного обеспечения.
Таким образом, создается "барьер", позволяющий обнаружить наземные и воздушные объекты, излучающие акустические сигналы. Путем объединения нескольких "барьеров" можно создать замкнутую зону обнаружения вокруг охраняемой территории. В этом случае выходные сигналы регистрирующих устройств 11 объединяются и обрабатываются в одной ЭВМ для выработки соответствующего решения.
Использование предложенного устройства позволит:
- обрабатывать информацию одновременно с нескольких датчиков и повысить точность определения местоположения шумящего объекта и качество распознавания его типа;
- осуществлять установку временного «окна» под оптический сигнал каждого ВОД, объединять сигналы с одноименных ВОД, что увеличивает отношение сигнал/шум, а также повышает точность определения местоположения шумящего объекта и качество распознавания его типа;
- по результатам сравнения результатов измерений звукового давления в соседних датчиках определять не только местоположение шумящего объекта, но и его траекторию движения;
- использовать волоконно-оптические датчики фазового и поляризационного типа, так как сигналы с их выходов разделены по времени.
Анализ аналогов показывает, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», а достигаемый технический результат свидетельствует о соответствии критерию «изобретательский уровень», работоспособность схемы, приведенной на рисунке, подтверждает «промышленную применимость».
Источники информации
1. B.C. Бурдик. Анализ гидроакустических систем: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1988, - 392 с.
2. АС №820426 МКИ G01S 7/52, 1979.
3. АС №1048929 МКИ G01S 7/52, 1982.
4. Гуляев Ю.В., Меш М.Я., Проклов В.В. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. - М.: Радио и связь, 1991. - 152 с. (с.131, рис. 6.5б - прототип).
5. Черняк B.C., Заславский Л.П., Осипов Л.В. Многопозиционные радиолокационные станции и системы // Зарубежная радиоэлектроника. - 1987. - №1. - С.9-69.
6. Авиационная акустика в 2-х ч. 4.1. Шум на местности дозвуковых пассажирских самолетов и вертолетов / Мунин А.Г., Самохин В.Ф., Шипов Р.А. и др.; Под ред. А.Г. Мунина. - М.: Машиностроение, 1986. - 248 с.
7. Изделия волоконно-оптической техники. Каталог. - М., - 1993.