Способ пассивного определения координат источников гидроакустического излучения
METHOD OF PASSIVE DETERMINATION OF COORDINATE OF SOURCES OF SONAR RADIATION

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в пассивной гидролокации, а также в атмосферной акустике и пассивной радиолокации.
Методы определения координат источника гидроакустического излучения по кривизне волнового фронта поля с использованием разнесенных в пространстве приемников основаны на оценке разности времен прихода сигнала со сферическим или цилиндрическим волновым фронтом от источника излучения к нескольким М приемникам или направленным антеннам с известным расположением их в пространстве. При наличии в секторе наблюдения других источников излучения имеет место взаимное искажение их поля, которое приводит к искажению откликов приемной системы, снижению индикаторного отношения сигнал/помеха и смещению оценок координат и дальности действия устройства обзора и определения координат. Известны адаптивные способы уменьшения взаимного влияния полей источников при обнаружении и определении направлений на них в случае, когда фрагмент поверхности поля в пределах апертуры приемной антенны можно считать плоским.
1
m
mj
j
Известен способ определения направления α на объект [1, с. 255] с использованием антенной решетки из М приемных элементов в плосковолновой зоне поля источника, на выходах которых имеет место смесь полезного сигнала и некоррелированной с ним помехи C=C+П, в том числе J локальных помех. Метод приема основан на формировании веера характеристик направленности (ФХН) в окрестностях направлении приема («очищаемого» направления) и в направлении на мешающий источник, оценке суммарного помехового сигнала в очищаемом направлении от локальных помех с других направлений α и вычитании его из процесса на выходе обычного устройства ФХН.
Преимуществом этого способа является повышение отношения сигнал/помеха слабого источника на выходе ФХН и точности определения направления на него на фоне распределенной помехи и мешающих локальных источников. Недостатком этого способа является то, что он предназначен для определения только направления, при плосковолновом фронте сигналов. Способ не предусматривает функцию обзора в секторе направлений и интервале дистанций. Определение этим способом всех координат, в том числе дальности до источника в пределах зоны Френеля его поля, невозможно.
0ƒ
sƒ
s
pƒ
р
sƒ
Известен способ [2, с. 85] оптимального обнаружения плосковолновых сигналов с антенной решеткой (АР) из М элементов, основанный на объединении приемных элементов АР в группы (подрешетки), обработки вектора измерений X в частотной области с выходов устройств формирования характеристик направленности (ФХН) таких групп многомерным фильтром пространственно-временного спектра помехи (ПВФ), квадрировании и интегрировании. Модификацией этого способа является обработка информации с выходов сформированных пространственных каналов АР - выходов устройств ФХН. Метод оптимальной обработки по этому способу заключается в следующем [2, с. 85]: предполагают, что матрица ВСПМ N распределенной (фоновой) помехи на выходах приемной системы (ПС) известна или оценивается каким-либо образом в процессе приема и тогда на каждой частоте преобразования Фурье (ПФ) выходных сигналов элементов ПС (или ФХН антенн ПС) определяют произведение вектора измерений  на матрицу, обратную матрице ВСПМ  и на вектор Lкомпенсации времен прихода сигнала к элементам, или ФХН антенн ПС с направления искомого сигнала α. Параллельно оценивают произведение вектора измерений  на вектор компенсации L с направления локальной помехи α и вычитают из предыдущего произведения. Результат этой разности возводят в квадрат и суммируют по частоте с умножением на h - оптимальную характеристику частотного фильтра для искомого сигнала.
Недостатки этого способа: способ сформулирован для определения оптимального отклика одного («полезного») плосковолнового сигнала в направлении его прихода, не предусматривает обзора в поле наблюдения с определением координат видимых источников излучения, требует предварительного определения уровней и направлений на мешающие источники помех. Другие недостатки те же, что в предыдущем аналоге.
2
mn
mn
mn
p
q
mn
min
р
max
α
min
q
max
D
По количеству общих признаков наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ пассивного определения координат источников излучения по патенту [3], содержащий прием сигналов широкоапертурной приемной системой (ПС) из М≥3 антенн, расположенных в пространстве известным образом, в зоне Френеля источников. Этот способ обеспечивает визуальное отображение откликов ПС на поле источников излучения на экране индикатора с координатной сеткой «направление/дальность» размером P×Q узлов в виде сигнальных отметок (СО), путем определения (М-М)/2 попарных взаимно - корреляционных функций (ПВКФ) C(τ) сигналов каждой m-й антенны с сигналом каждой другой n-й антенны и суммирования значений C(τ), считанных в точках τ=τ(p,q) в каждом (α/D)-ом узле координатной сетки. По помехоустойчивости этот способ обработки эквивалентен оптимальному методу при изотропной помехе с квадрированием и интегрированием. Значения компенсационных задержек τ(p,q) в pq-x узлах координатной сетки (КС) рассчитываются заранее по формулам тригонометрии при задании оператором границ сектора обзора и параметров КС индикатора (α≤α≤α, δ, D≤D≤D, δ) при известных координатах центров антенн ПС .
Преимущество этого способа в том, что он использует обработку М-канальной широкоапертурной ПС в ближней зоне поля излучения источников (в зоне Френеля), обеспечивая визуальное наблюдение источников излучения в виде их СО на двухкоординатном поле индикатора «направление/дальность», с прямым определением их координат по положению максимума СО на его шкалах. Недостатком этого способа является взаимные искажения СО источников излучения, приводящее к смещению оценок координат и уменьшению индикаторного отношения сигнал/помеха при наличии других источников в секторе обзора и даже за его пределами.
Задачей изобретения является повышение надежности обнаружения СО слабого источника на фоне мешающих локальных источников и точности их расположения в поле наблюдения непосредственно в координатах «направление-дальность» (α, D) в заданном секторе направлений и интервале дальностей с высокой разрешающей способностью.
min
max
Техническим результатом предполагаемого изобретения является обеспечение визуального наблюдения и определения координат нескольких источников излучения в заданном секторе наблюдения (α, α) на экране индикатора, уменьшение искажений их СО и увеличение точности определения координат и разрешения по направлению и дальности путем увеличения остроты главных максимумов СО.
p
q
н
mn
Для обеспечения указанного технического результата в «способ пассивного определения координат источников излучения», содержащий прием сигналов М≥3 антеннами, расположенными в пространстве известным образом, предварительную обработку принятых сигналов, включающую синхронную дискретизацию, цифровое преобразование и циклическое преобразование Фурье (ПФ), индикацию в координатной сетке (КС) «направление-дальность» (α/D), содержащей P×Q ячеек суммирования и частотного и временного накопления индикаторной таблицы на заданном временном интервале Т, вычисление для каждой pq-ой ячейки КС попарных разностей времен распространения сигнала τ(pq) к каждой m-й антенне и каждой другой n-й антенне из pq-ой точки поля наблюдения с координатами pq-ой ячейки КС (как если бы источник находился в этой точке) введены новые признаки, а именно:
нкi
min
нкi
max
α
HКi
k
i
i
н1
i
k
M,M
mni
k
M,M
i
k
mni
k
i
i
k
k
mni
k
mni
k
mni
k
p
q
pq
mni
k
mn
k
kн
kв
k
2
-1
на каждой из М антенн идентично формируют вееры направленных каналов (НК), оси характеристик направленности (ХН) которых ориентированы в направлениях α в заданном секторе наблюдения α≤α≤α, с заданным интервалом Δ. Для каждого направления α на каждой частоте ƒ массивов ПФ определяют треугольную (для сокращения вычислительных затрат) таблицу оценок попарных ВСПМ  из (М-М)/2 значений выходных сигналов однонаправленных НК каждой m-ой антенны с выходными сигналами НК каждой n-й антенны, при m, n=1…М, но m<n,. Выполняют  накопление оценок ВСПМ по циклам ПФ, отдельно их вещественных и мнимых частей в пределах заданного времени первичного накопления Т. Каждую треугольную таблицу измерений  с накопленными ее элементами  преобразуют в квадратную таблицу G(ƒ)=[g(ƒ)] размерности М×М следующим образом: ячейки правого верхнего треугольника таблицы G(ƒ) заполняют элементами таблицы , ячейки нижнего левого треугольника заполняют сопряженными значениями: , а диагональные элементы g(ƒ) равны квадратам модуля выходных сигналов одноименных НК-ых каналов m-х антенн: . Затем к полученным квадратным таблицам измерений G(ƒ) применяют известное преобразование «обращения матриц» [4, с. 393]: (ƒ)=[g(ƒ)]=[b(ƒ)]=B(ƒ). Далее организуют индикаторную таблицу Z(α, D)=[z(α, D)]=[z] размерности P×Q, выводимую на экран индикатора. Для этого в [р, q]-x узлах КС суммируют элементы [b(ƒ)] по m, n с умножением на коэффициент компенсации попарных взаимных временных задержек τ(pq):  (вычисленных ранее при назначении параметров КС), и результаты этого суммирования суммируют по частоте ƒ в пределах частотного диапазона приема ƒ, ƒ с заданной частотной характеристикой h(ƒ) (например, эккартовской [2, с. 76-79]):
н2
p
q
pq
и дополнительно накапливают во времени Т, после чего индицируют весь массив Z в координатной сетке «направление-дальность» (α/D), а координаты источников излучения определяют по положению максимумов индикаторных значений Z на координатных шкалах КС.
Новизна предлагаемого решения заключается в том, что на каждой из М антенн широкоапертурной ПС формируют вееры направленных каналов в заданном секторе обзора, в обработку выходных сигналов которых введены операции приближенной пространственно-временной фильтрации (ПВФ) следующим образом. Известный из плосковолновой акустики оптимальный метод обработки при определении одной координаты - направлениея α можно представить как [2, с. 47]:
kн
kв
1 ƒk
k
ƒk
ƒk
ƒk
s
p
q
где первый сумматор представляет накопление по времени на интервале Т, включающем заданное число циклов ПФ, а второй сумматор интегрирует результаты обработки на частотах ƒ÷ƒ на t-том цикле ПФ, Х - ƒ-й вектор измерений с выходов сумматоров М антенн ПС, G - матрица (в общем случае неизвестная) размерности М×М взаимных спектральных плотностей мощности (ВСПМ) суммарной составляющей шума и локальных помех на выходах элементов ПС, без сигнала искомого источника, для чего на практике применяют приближенные методы измерения G, L - вектор коэффициентов, компенсирующих в частотной области времена прихода сигнала к центрам антенн ПС, т.е. формирующих ХН для заданного направления α - как в аналоге [2], или фокусирующих в точку α, D, - как в аналоге-прототипе [3]. Выражение (1) можно представить эквивалентным образом как:
tƒk
k
tƒk
tƒk
tƒk
kн
kв
где C - оценка ВСПМ текущего векторного суммарного процесса с выходов элементов АР на частоте ƒ с осреднением этой оценки на интервале Т. Если уровень полезного (искомого) сигнала мал, а уровни когерентных составляющих локальных помех больше фонового шума, что для практики является наиболее актуальной ситуацией, и время накопления Т достаточно велико, то оценку матрицы ВСПМ выходного векторного процесса C можно приближенно считать равной матрице составляющей шума и локальных помех, т.е. C≈C (сравните: [2, с. 171]) и тогда способ обработки информации с учетом (2) при осреднении за время Г и на интервале частот (ƒ÷ƒ) примет простой вид:
ƒk
ƒk
где В - матрица М×М, обратная оценке ВСПМ суммарного процесса с выходов элементов АР С: , m,n=1,…, М, - номера элементов ПС. В выражении (3) приближенно, но компактно объединяются процедуры оптимальной обработки выражения (1):
- ПВФ, использованием (),
ƒk
р
q
- фокусировки, умножением на L (α, D),
2
- квадрирования, - (|*|) и
- временного и частотного интегрирования .
ƒk
mnk
mn
m
n
Выражение в круглых скобках в (3) соответствует суммированию по m и по n (m,n=1,…, М) элементов B=[b] с умножением на коэффициент компенсации разности времен прихода сигнала к центрам m-ой и n-ой антенн ПС (фокусировки): ехр(-j2πƒτ(α, D, r, r)).
tƒk
ƒk
mnk
p
q
ƒk
р
q
С точки зрения физики ПВФ принятого векторного процесса X в виде B==[b] с одной стороны обеспечивает подавление всех источников излучения (в том числе и «полезного» сигнала, ожидаемого в точке, соответствующей узлу КС (α, D), с другой стороны, благодаря фокусировке L (α, D) сигнал источника, если он находится в этой точке, становится видимым, а его максимум СО, благодаря ПВФ соседних направлений, существенно обостряется по сравнению с традиционной обработкой, тем самым обеспечивая повышение точности определения координат и разрешающей способности как по направлению, так и по дальности.
tƒk
k
н1
k
pq
p
q
pq
i
pq
р
i
i
Таким образом, предлагаемый метод включает следующие действия: ФХН антенн или других элементов ПС, оценку таблицы ВСПМ текущего векторного суммарного процесса X с выходов однонаправленных элементов ПС на частотах ƒ ПФ, осреднение этой таблицы на интервале Т, преобразование вида «обращение матрицы» и суммирование в узлах КС элементов обращенной таблицы по m и n с умножением на коэффициенты компенсации разности времен прихода  полезного сигнала с направления α на его источник к m,n-ыи элементам ПС с координатами , . Затем производят суммирование по частоте ƒ. После чего индицируют весь массив Z в координатной сетке «направление-дальность» (α/D), а координаты источников излучения определяют по положению максимумов индикаторных значений Z на координатных шкалах КС. Примечание: выбор НК при суммировании в ячейках массива Z предполагает условие: α≈α, в пределах ширины ХН НК, например, на уровне 0.7, 0.8, …, по заданию разработчика.
Введение новых признаков обеспечивает визуальное наблюдение СО источников излучения в поле наблюдения на экране индикатора «направление/дальность» с минимальными искажениями и потерями помехоустойчивости, повышение точности определения координат и разрешения по направлению и дальности всех наблюдаемых источников благодаря двум факторам адаптивного воздействия на форму СО каждого источника излучения в поле индикаторного наблюдения, а именно: обострение главного максимума СО, повышающего отношение индикаторного отношения сигнал/помеха по обоим координатам, точность и разрешающую способность и уменьшение боковых лепестков СО, интерференция которых приводит к взаимному непредсказуемому смещению оценок координат обеих (или большего количества) источников в поле наблюдения. Повышение помехоустойчивости до оптимальной здесь обеспечивается суммированием в каждой pq-й точке координатной сетки значений всех ВСПМ элементов приемной системы.
max
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-8, где фиг. 1 - Схема устройства пассивного определения координат источников гидроакустического излучения, фиг. 2 - Фрагмент схемы фиг. 1 с блоками 1-3, фиг. 3 - Фрагмент схемы фиг. 1 с блоками 4-7, фиг. 4, 5 - Рельеф индикаторной таблицы в аксонометрии в секторе [-3°÷1.5°; 1÷10 км] при наблюдении двух источников с координатами: [-2°, 6 км] и [0°, 2.5 км] при использовании способа - прототипа (фиг. 4) и предлагаемого способа (фиг. 5), фиг. 6, 7 - индикаторные картины и сечения СО по α и по D, проходящие через максимумы СО, при обработке по способу - прототипу (фиг. 6) и предлагаемому способу (фиг. 7), на фиг. 8, для численного сравнения, показаны сечения СО по D прототипа и предлагаемого способа при α=α, т.е через направления максимумов СО соответствующих источников.
n
mni
k
k
M×M
mn
На фиг. 1÷3 показаны: 1 - блок ПС, приемная система из М антенн, по N приемников каждая, 2 - блок предварительной обработки БПО из М модулей ПО 2.1 - 2.М, 3 - блок формирования вееров ХН из М модулей ФХН 3.1 - 3.М, 4 - блок измерения попарных ВСПМ однонаправленных каналов антенн из (М2-М)/2 модулей C(ƒ), m,n=1, …, М при m<n; 5 - интеграторы оценок ВСПМ; 6 - формирование квадратных таблиц ВСПМ G(ƒ)|, 7 - блок преобразования обращения таблиц ВСПМ из модулей 7.1 - 7.I - программируемых процессоров; 8 - блок сумматоров, 9 - вычислитель попарных взаимных временных задержек τ(pq), программируемый процессор, 10 - интеграторы 2, 11 - пульт управления ПУ, 12 - индикатор.
ƒ
0
s
На фиг. 4-8 на наглядном примере моделирования ситуации наблюдения двух источников показаны преимущества предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом. В модели на фиг. 4÷8 использована приемная система из пяти антенн, расположенных линейно с расстоянием между центрами 15 м. Полоса сигнала Δ=2-10 кГц, сектор направлений α=(-3°÷1.5°) в интервале дальностей D=(1.0÷10) км. Уровень изотропной помехи Р=1, уровень сигналов P=5. Координаты источников: [-2°, 6 км] и [0°, 2.5 км].
max
max
max
max
На фиг. 4÷8 показаны: 13 - СО источника с координатами [-2°, 6 км]; 14 - СО источника с координатами [0°, 2.5 км]; 15 - фоновое суммарное поле изотропной помехи и боковых лепестков СО источников; 16 - сечение по дальности D СО источника [-2°, 6 км] при α=α; 17 - сечение по дальности D СО источника [0°, 2.5 км] при α=α; 18 - сечение по направлению α СО источника [-2°, 6 км] при D=D; 19 - сечение по направлению α СО источника [0°, 2.5 км] при D=D; 20, 21, 22, 23 - аналогично фиг. 6, 24 - средний уровень фонового суммарного поля помехи 15 в сечении 18, 19 по способу - прототипу, 25 - средний уровень фонового суммарного поля помехи 15 в сечении 22, 23 по предлагаемому способу.
Действие предлагаемого способа пассивного определения координат источников гидроакустического излучения удобно показать на примере работы устройства, схема которого показана на фиг. 1.
n
ml
ПФ
11
k
нкi
min
нкi
max
α
нкi
mi
k
k
i
н1
mn
k
mni
p
q
k
kн
kв
k
н2
min
р
max
α
min
q
max
D
2
Приемная система ПС (блок 1) из М антенн по N элементов каждая принимает акустические сигналы, содержащие шумы моря (изотропный шум) и сигналы локальных источников излучения и преобразует их в электрические сигналы ξ(t). В блоке 2 сигналы проходят первичную синхронную обработку ПО: усиление, первичную частотную фильтрацию, цифровое преобразование, ограничение полосы частот, циклическое преобразование Фурье с заданным интервалом Т в результате которого на выходах блока 2, соединенных с соответствующими входами блока 3, получают сигналы η(ƒ) в частотной области. В блоке 3 на каждой из М антенн формируют веры направленных каналов (НК), оси ХН которых ориентированы в направлениях α в секторе наблюдения α≤α≤α с заданной угловой дискретностью Δ, задаваемые из блока управления 11 через блок 9, получая в результате на каждой частоте ПФ, для каждого направления α свой М-мерный вектор выходных сигналов с сумматоров М антенн [x(ƒ)]. В блоке 4 для каждого М-мерного вектора ƒ-й частоты i-го направления определяется треугольная (М-M)/2-мерная таблица значений оценки попарных ВСПМ выходных сигналов однонаправленных НК каждой m-ой антенны с выходными сигналами НК, каждой n-й антенны. В блоке 5 значения оценки попарных ВСПМ во всех таблицах осредняют по циклам ПФ в пределах заданного времени накопления Т, задаваемого из ПУ блока 11. Треугольные таблицы, полученные в блоке 5 преобразуют в блоке 6 в М×М-мерные таблицы ВСПМ, после чего к этим таблицам применяют преобразование обращения в блоке 7, содержащем известные программируемые процессоры (модули 7.1 - 7.I). В блоке 8 формируют элементы индикаторной картины. Для этого в ее ячейках ([р, q]-x узлах КС) суммируют по m, n элементы  с умножением на коэффициент компенсации попарных взаимных временных задержек τ(pq), вычисленных в блоке 9: exp(-jƒτ(α, D)), затем суммируют по частоте ƒ в пределах заданного частотного диапазона приема ƒ, ƒ с заданной частотной характеристикой h(ƒ) и в блоке 10 накапливают во времени на заданном из блока 11 интервале Т. Результаты суммирования 8 и накопления 10 поступают на индикатор - в блок 12, визуально представляющий изображение поля наблюдения в заданном секторе направлений и интервале дальностей координатной КС индикатора (α≤α≤α, δ, D≤D≤D, δ) со всеми наблюдаемыми источниками излучения с высокой разрешающей способностью и точностью определения координат.
Работоспособность предлагаемого способа пассивного определения координат подтверждена моделированием и натурной проверкой на записях сигналов, полученных при испытаниях макетов различных ПС в реальных условиях. Количественные результаты моделирования, описанного выше и отраженные в фиг. 4-8 следующие:
- увеличение индикаторного отношения [сигнал]/[среднее значение помехи] в 2.7 раза, что показывает контраст СО на фоне помехи, как это видно из сравнения фиг. 4 и фиг. 5 и соответственно индикаторных картин и сечений СО 16, 17 и 20, 21 соответственно на фиг. 6 и фиг. 7. На фиг. 8 это отношения максимальных уровней графиков СО 16 и 20 к средним уровням помехи 24 и 25 соответственно,
- увеличение индикаторного отношения [приращение сигнала]/[стандартное отклонение помехи] в 3.03 раза (традиционный критерий помехоустойчивости), что видно из сравнения размаха отклонения помехи от ее среднего значения на графиках 18, 19 на фиг. 6 и графиках 22, 23 на фиг. 7.
max
- обострение главного максимума сечения СО по дальности 20 по сравнению с сечением 16 на фиг. 8 в 12.2 раза, оценивая его количественно по величине производной ∂Z (D, α)/∂D в точке максимума CO. Это обострение пропорционально повышению точности оценки D, т.е уменьшению ее флуктуационной погрешности.
Аналогичные результаты по определению направления в данной модели имеют тот же характер, что можно видеть из сравнения графиков 18, 19 на фиг. 6 с графиками 22, 23 на фиг. 7, но подробнее здесь не приводятся, чтобы не перегружать материал, имея в виду также то, что благодаря большому волновому размеру ПС, точность пеленгования в пассивной гидролокации количественно очень высока (сотые и тысячные доли градуса), настолько, что в большинстве обычных для практики применений не актуальна.
Использованные источники
1. Г.С. Малышкин. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Том 1. СПб, ОАО «Концерн «Электроприбор». 2011.
2. В.Г. Гусев. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. Ленинград, «Судостроение». 1988.
3. Способ пассивного определения координат источников излучения. Патент №2507531. Россия. ОАО «Концерн «Океанприбор». МПК J01S 3/80. Приоритет 08.11.2012, зарегистрирован 20.02.14 г.
4. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике.: М. «Наука». 1974 г.