Способ оценки количества лопастей винта шумящего в море объекта
METHOD OF ESTIMATING THE NUMBER OF PROPELLER BLADES OF A NOISY OBJECT IN SEA

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для классификации морских судов по их шумоизлучению.
Известен способ оценки количества лопастей винта путем определения характеристик звукорядов (Анализ информации оператором - гидроакустиком /В.В. Деев, Ю.М. Забродин, А.П. Пахомов и др. Л. Судостроение. 1989, 192 с.), в котором определяются следующие операции:
прием сигнала шумящего объекта гидроакустической антенной, аналого-цифровое преобразование, полосовая фильтрация, вычисление спектра сигнала методом быстрого преобразования Фурье (БПФ), обнаружение отдельных дискретных составляющих, амплитуда которых превышает уровень сплошной части спектра, поиск основных частот вального звукоряда и лопастного звукоряда, формирование звукорядов в виде таблиц их параметров, отображение графика спектра сигнала и таблиц параметров звукорядов, оценка количества лопастей винта оператором с использованием известного соотношения
л
в
f=zf
л
в
где f - основная частота лопастного звукоряда, f - основная частота вального звукоряда, z - количество лопастей винта.
Недостатком данного способа является малая помехоустойчивость процедуры обнаружения отдельных дискретных составляющих, результат которой для каждой дискретной составляющей является случайным событием, характеризующимся вероятностью правильного и ложного решения. Кроме того, способ предполагает отображение информации традиционного вида (график спектра + таблица обнаруженных дискретных составляющих). В большом объеме информации такого вида информация о количестве лопастей винта занимает незначительную часть и вычленить ее способен только опытный оператор - гидроакустик.
Известен также способ оценки количества лопастей винта шумящего в море объекта (патент РФ №2581719, МПК G01S, 3/80, (2006/01), опубликован 20.04.2016 г. бюл. №11), в котором для повышения достоверности информации о количестве лопастей винта и повышения наглядности ее отображения для оператора введены новые признаки:
max
л
- находят в исследуемом спектре сигнала, полученном с использованием БПФ, частоту гармоники максимальной амплитуды f, считая ее основной частотой лопастного звукоряда f, прогнозируют частоты вальных звукорядов
в
л
f(i)=f/z(i), где z(i)=3-8-гипотезы о количестве лопастей винта шумящего объекта,
max
формируют набор эталонных спектров S(i)=cos(2πfz(i)/f), где S(i) - эталонный спектр для гипотезы о количестве лопастей номер i, содержащий вально-лопастный звукоряд, характерный для количества лопастей винта z(i),
вычисляют для каждого S(i) его меру сходства К(I) со спектром исследуемого сигнала, строят график путем наложения друг на друга набора фигур, каждая из которых представляет собой построенный в полярных координатах график функции R(φ)=К(i)cos(φz(i)), φ=(0, 2π),
и если результирующая фигура подобна контуру винта с z(i) лопастями, то делают вывод о том, что у наблюдаемого шумящего объекта количество лопастей z(i). В качестве меры сходства выбрана функция
max
где F - спектр исследуемого сигнала, S(i) - эталонный спектр для гипотезы номер i, A - наибольшая амплитуда гармоник спектра. Данный способ является наиболее близким к заявленному изобретению.
Недостатком известного способа является малая помехоустойчивость гидроакустической приемной антенны, малая вероятность правильного обнаружения дискретных составляющих на фоне шумовой помехи, результат которой для каждой дискретной составляющей является случайным событием и, соответственно, малая вероятность правильной оценки количества лопастей винта шумящего объекта. Так, например, для выявления дискретных составляющих вально-лопастного звукоряда в диапазоне 2-5 Гц с вероятностью правильного обнаружения не менее 90% помехоустойчивость гидроакустической приемной антенны должна составлять не менее 10 дБ, а ее апертура должна быть не менее 7.5 км. Кроме того, лопастные частоты вально-лопастного звукоряда также образуют гармонический ряд частот, амплитуда которых примерно одинакова, что увеличивает вероятность ошибки при определении основной лопастный частоты.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является увеличение помехоустойчивости приемной гидроакустической антенны, увеличение вероятности правильного обнаружения дискретных составляющих вально-лопастного звукоряда, увеличение вероятности правильного обнаружения первой лопастный частоты, первой вальной частоты и, соответственно, увеличение вероятности правильной оценки количества лопастей винта шумящего объекта.
л
в
л
max
max
Для решения этой задачи в способе оценки количества лопастей винта шумящего в море объекта, включающем в себя прием сигнала шумящего объекта гидроакустической приемной антенной, аналого-цифровое преобразование, полосовую фильтрацию, вычисление спектра сигнала, определение основной частоты лопастного звукоряда f, прогнозирование частот вальных звукорядов f(i)=f/z(i), где z(i)=3-8 гипотезы о количестве лопастей винта шумящего объекта, формирование набора эталонных спектров S(i)=cos(2πfz(i)/f), где S(i) - эталонный спектр для гипотезы о количестве лопастей номер i, содержащий вально-лопастный звукоряд, характерный для количества лопастей винта z(i), ), f - спектральная составляющая, которой соответствует максимальная амплитуда, вычисление для каждого S(i) его меры сходства К(i) со спектром исследуемого сигнала, построение графика функции
причем в качестве меры сходства выбрана функция
max
max
л
в
0
л
в
max
л
0
0
0
л
в
0
0
где F - спектр исследуемого сигнала, S(i) - эталонный спектр для гипотезы номер i, A - наибольшая амплитуда гармоник спектра, в качестве гидроакустической приемной антенны используют скалярно-векторный комбинированный приемник (КП) градиента давления, полосовой фильтр и аналогово-цифровой преобразователь выполняют 4-х канальными, формируют спектры для суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N) для полного набора 16 информативных параметров, характеризующих звуковое поле, формируют спектры помехи N для полного набора 16 информативных параметров, формируют отношение сигнал-помеха (S/N) для полного набора 16 информативных параметров, выбирают в компараторе дискретные составляющие, которым соответствуют максимальные значения отношения S/N из 16 возможных, определяют гармонический ряд лопастных частот f(nz), n=1,2,3 и т.д., которым соответствуют максимальные значения отношения S/N на выходе компаратора, а минимальную из них принимают за первую лопастную частоту f(z), находят в спектре сигнала на выходе компаратора минимальную разностную частоту f(nz)-f(nz-1), которую принимают за первую вальную частоту f(1)=f(nz)-f(nz-1), n=1,2,3 и т.д., вычисляют ориентировочное значение числа лопастей винта по формуле z(i)=f/f, формируют эталонный спектр, полагая f=f(z(i)), строят график функции R(φ)=К(i)cos(φz(i)), φ=(0, 2π) для найденного ориентировочного значения числа лопастей винта z(i)=f/f и, если результирующая фигура подобна контуру винта с z(i) лопастями, то делают вывод о том, что у наблюдаемого шумящего объекта количество лопастей равно z(i).
Заявляемый способ позволяет значительно увеличить помехоустойчивость приемной антенны без увеличения ее апертуры, а только за счет увеличения числа информативных параметров, максимальное число которых равно 16, повысить отношение сигнал-помеха на выходе компаратора, который выбирает для каждого текущего момента времени спектральную составляющую с максимальным отношением S/N из набора 16 информативных параметров. В свою очередь, увеличение числа информативных параметров позволяет увеличить вероятность правильного обнаружения первой лопастный частоты и первой вальной частоты и, тем самым, вероятность правильной оценки количества лопастей винта, которое является классификационным признаком самого шумящего объекта.
0
0
л
в
Сущность заявленного изобретения поясняются чертежами, где: на фиг. 1 изображена структурная блок схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 поясняется сонограмма звукового поля шумящего в море объекта в координатах частота - время наблюдения объекта - отношение S/N на выходе канала звукового давления; на фиг. 3 поясняется сонограмма звукового поля на выходе компаратора; фиг. 4а поясняет спектр сигнала шумящего объекта, соответствующий конкретному времени наблюдения на сонограмме t=5чac; фиг 4б поясняет результат построения функции R(φ)=К(i)cos(φz(i)), φ=(0, 2π) для найденного ориентировочного значения числа лопастей винта z(i)=f/f=4.
1
2
1
2
Способ оценки количества лопастей винта шумящего в море объекта реализуется следующим образом. Звуковой сигнал от шумящего объекта принимается комбинированным приемником 1, с выхода которого сигнал поступает на вход 4-х канального полосового фильтра 2 и далее на вход 4-х канального аналогово-цифрового преобразователя 3. С выхода аналогово-цифрового преобразователя 3 сигналы в цифровом виде поступают на вход анализатора спектра 4, в котором на основе БПФ находятся текущие спектры звукового давления р(ω)=p(ω)+ip(ω) и трех компонент вектора градиента давления g(ω)=g(ω)+ig(ω).
Сигналы с выхода анализатора спектра 4 поступают на вход формирователя спектров 5 суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N) для полного набора информативных параметров, число которых равно 16, характеризующих звуковое поле шумящего объекта в скалярно-векторном описании.
1
1x
3
1y
4
1z
5
2x
6
2y
7
2z
11
1x
12
1y
13
1z
14
2x
15
2y
16
2z
1
2
2
2
2
2
2
2
2
A=p, =I, A=I, A=I, A=I, A=I, A=I,  A=g, A=g, A=g, A=g, A=g, A=g, где I=I+I - комплексный вектор интенсивности, компоненты которого находятся по хорошо известным формулам (Щуров В.А. Векторная акустика океана. Владивосток: Дальнаука, 2003. 308 с.) через компоненты комплексного звукового давления и компоненты комплексного вектора градиента давления. Сигналы с первого выхода формирователя спектра 5 суммарного процесса S+N для полного набора информативных параметров поступают на вход формирователя спектра 6 помехи N для полного набора информативных параметров в соответствии с алгоритмом усреднения спектра суммарного процесса S+N окном Хэмминга
0
0
0
где 2Δƒ - ширина окна Хэмминга, ƒ - средняя частота дискретной составляющей вально-лопастного звукоряда, Δƒ - варьируемый параметр, примерно на порядок превышающий ширину дискретной составляющей Δƒ в спектре суммарного процесса (сигнал плюс шум).
max
л
л
л
л
в
0
л
в
0
max
0
л
в
0
л
в
i
0
0
л
в
0
С выхода формирователя спектра 6 помехи N и второго выхода формирователя спектра 5 суммарного процесса S+N сигналы поступают на вход формирователя 7 отношения сигнал - помеха (S/N) по всем информативным параметрам. Сформированные в блоке 7 отношения S/N по всем информативным параметрам поступают в компаратор 8, выбирающий спектральную составляющую, которой соответствует максимальное отношение S/N, увеличивая тем самым помехоустойчивость приемной системы и вероятность правильного обнаружения спектральных составляющих на фоне помехи. С выхода компаратора 8 сигналы поступают в блок 9 выделения ряда гармоник f(nz), которым соответствуют максимальные отношения S/N, и которые принимаются за лопастные частоты f(z), f(2z), f(3z), и т.д., а минимальную из них принимают за первую лопастную частоту f(z). Со второго выхода компаратора 8 сигналы поступают в блок 10 выделения разностных частот f(nz)-f(nz-1), а минимальную разностную частоту f(nz)-f(nz-1), принимают за первую вальную частоту f(1)=f(nz)-f(nz-1), n=1,2,3 и т.д. С выхода блока выделения первой лопастный частоты 9 и блока выделения первой вальной частоты 10 сигналы поступают в блок 11 определения числа лопастей гребного винта. В этом блоке определяют ориентировочное значение числа лопастей винта по формуле z(i)=f/f, формируют эталонный спектр S(i)=cos(2πfz(i)/f), для ориентировочного значения числа лопастей винта z(i)=f/f, вычисляют для эталонного спектра S(i), соответствующего ориентировочному значению числа лопастей винта z(i)=f/f, его меру сходства К со спектром исследуемого сигнала, строят график функции R(φ)=К(i)cos(φz(i)), φ=(0, 2π), и если результирующая фигура подобна контуру винта с z(i))=f/f лопастями, то делают вывод о том, что у наблюдаемого шумящего объекта количество лопастей равно z(i). В качестве меры сходства К(i) выбрана функция
max
где F - спектр исследуемого сигнала, S(i) - эталонный спектр для гипотезы номер i, A - наибольшая амплитуда гармоник спектра.
л
Работоспособность предлагаемого способа увеличения помехоустойчивости приемной системы на основе комбинированного приемника по сравнению с приемником звукового давления и, соответственно, увеличения вероятности правильного определения первой лопастный частоты и первой вальной частоты поясняется фиг. 2-4. Фиг. 2 поясняет сонограмму звукового поля шумящего в море объекта в координатах частота - время наблюдения объекта - отношение S/N на выходе канала звукового давления. В спектре сигнала шумящего объекта хорошо выделяются дискретные составляющие на частотах 5.5 Гц и 7.0 Гц, но правильная идентификация первой лопастный частоты и первой вальной частоты затруднена из-за малого уровня других дискретных составляющих вально-лопастного звукоряда. Фиг. 3 поясняет сонограмму того же шумящего объекта на выходе компаратора в том же интервале наблюдения. На сонограмме хорошо выделяются лопастные частоты 12, 13, 14, (3.5, 7.0, 10.5 Гц) как наиболее яркие дискретные составляющие, которые также образуют гармонический ряд частот, а наименьшая из них является первой лопастный частотой (f=3.5 Гц). На сонограмме также хорошо видны другие гармоники вально-лопастного звукоряда, например, 15, 16, по которым определяется минимальная разностная частота 0.9 Гц, равная первой вальной частоте.
1
8
4
8
0
0
л
в
л
в
0
0
0
Фиг. 4а поясняет спектр сигнала шумящего объекта, соответствующий фиксированному моменту времени на сонограмме t=5 чac, в котором хорошо видны дискретные составляющие вально-лопастного звукоряда f-f, среди которых частоты f, f являются первой и второй лопастными частотами. Фиг. 4б поясняет результат построения функции R(φ)=К(i)cos(φz(i)), φ=(0, 2π) для найденного ориентировочного значения числа лопастей винта z(i)=f/f=4. Ориентировочная оценка числа лопастей винта =f/f проверяется по алгоритму (1) для z(i)=4 и, если результирующая фигура подобна контуру винта с z(i) лопастями, то делают вывод о том, что у наблюдаемого шумящего объекта количество лопастей равно z(i).