Способ регистрации уровня шумоизлучения морского объекта
MARINE OBJECT NOISE EMISSION LEVEL RECORDING METHOD

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способу регистрации уровня шумоизлучения морского объекта в широкой полосе частот в условиях повышенного уровня шумов морской акватории и их нестационарности в пределах времени регистрации прохода морского объекта. Изобретение может быть использовано для регистрации и измерения параметров первичного гидроакустического поля (в частности, гидроакустического давления) движущегося морского объекта.
Процедура измерения шумоизлучения движущегося морского объекта заключается в фиксации уровней значения проходной характеристики, получаемых путём измерений текущих значений звукового давления шума движущегося морского объекта. Измерения производятся в условиях фоновых шумов (помех), что в реальных условиях затрудняет, а в некоторых условиях делает невозможным регистрацию проходной характеристики движущегося морского объекта, поскольку при высоком уровне помех характеристика прохода оказывается искаженной случайными флуктуациями нестационарной гидроакустической помехи.
Существует несколько способов выделения сигнала из смеси сигнал+помеха при регистрации проходной характеристики морского объекта.
Известен способ энергетической согласованной обработки (ЭСО) при измерении шумоизлучения морского объекта, реализованный в комплексе технических средств КТС «Тополь-СФП» и разработанный во ВНИИФТРИ В.И. Теверовским, А.О. Кюльяном и др. [Новиков А.К. Статистические измерения и обнаружения сигналов. - СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2006 г., с.151-154].
Сущность способа заключается в том, что по мере прохода источника относительно приёмника в полосе анализа регистрируется энергетическая сумма полезного сигнала и помехи, которая затем подвергается обработке при помощи фильтра, согласованного с формой энергетической нестационарности полезного сигнала. При этом происходит фильтрация высокочастотных флюктуаций помехи при сохранении формы низкочастотной (относительно медленной по сравнению с быстрыми флюктуациями помехи) нестационарности полезной компоненты.
Ïðè ðåàëèçàöèè äàííîãî ìåòîäà îáðàáîòêà âûïîëíÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì:
1. Ïðîèçâîäèòñÿ çàïèñü õàðàêòåðèñòèêè ïðîõîäà ïî èíòåíñèâíîñòè ñ íåáîëüøèì ïðåäâàðèòåëüíûì ñãëàæèâàíèåì;
2. Âûïîëíÿåòñÿ ðàñ÷åòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïðîõîäà äëÿ òåõ æå ïàðàìåòðîâ, ÷òî è äëÿ èçìåðåííîé õàðàêòåðèñòèêè ïðîõîäà;
3. Âû÷èñëÿþòñÿ âçàèìíûå êîððåëÿöèîííûå ôóíêöèè ìåæäó èçìåðåííîé õàðàêòåðèñòèêîé è ðàñ÷åòíûìè ôóíêöèÿìè, ñ âîçìîæíîñòüþ èçìåíÿòü øèðèíó ðàñ÷åòíîé õàðàêòåðèñòèêè ïðîõîäà è ïðèáëèæàòü åå ê ðåàëüíîé õàðàêòåðèñòèêå ïðîõîäà;
4. Âû÷èñëÿåòñÿ óðîâåíü ìàêñèìóìà õàðàêòåðèñòèêè ïðîõîäà.
Ñïîñîá ÝÑÎ îñíîâàí íà ïðèìåíåíèè àëãîðèòìà âû÷èñëåíèÿ êîððåëÿöèîííîé ôóíêöèè, ãäå ñðàâíèâàþòñÿ äâå ôóíêöèè ðàçëè÷íîãî ïðîèñõîæäåíèÿ - èçìåðåííàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïðîõîäà è ðàñ÷åòíàÿ ôóíêöèÿ.
Недостатком описанного метода, реализованного в комплексе технических средств КТС «Тополь-СФП», является то, что метод ЭСО имеет малую помехоустойчивость в условиях нестационарной помехи в пределах времени регистрации прохода морского объекта. Динамический диапазон анализа методом ЭСО зависит от свойств случайной нестационарности помехи, амплитуды и ширины флуктуационных «всплесков» помехи.
Эти недостатки устранены другим известным способом, позволяющим увеличить динамический диапазон измерений, а также увеличить отношения сигнал/помеха; для этого рекомендуется применять обработку характеристики прохода методом ЭСО, усредненной по нескольким проходам характеристики. Тогда случайные по времени появления максимумы помехи сглаживаются за счет усреднения, а регулярные максимумы прохода источника сигнала суммируются, в результате происходит увеличение отношения сигнал/помеха.
Данный способ повышения помехоустойчивости за счёт траекторного накопления проходной характеристики, получивший название метод энергетической согласованной траекторной обработки (ЭСТО), реализованный также в комплексе технических средств КТС «Тополь-СФП» и выбранный в качестве аналога [Новиков А.К. Статистические измерения и обнаружение сигналов.- СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2006 г., С.151-154], предполагает, что при проведении измерений используется не один приёмник, а N приемников, расположенных в линию параллельно направлению движения измеряемого объекта. В этом случае по каждой из измерительных баз (приемнику) формируются проходные характеристики, которые в каждой частотной полосе подобны друг другу, отличаясь временным сдвигом во времени на определенную величину.
При стационарной помехе и равных дисперсиях флуктуаций на приемниках суммарная дисперсия в N раз меньше дисперсии при использовании одиночного приемного гидрофона. Таким образом, применение траекторного накопления повышает помехоустойчивость метода ЭСО за счет уменьшения дисперсии помехи.
Учет влияния помех на результаты измерений в рассмотренных методах производится в предположении, что средний уровень помехи, обусловленный шумами отдалённого судоходства, изменением метеоусловий и другими причинами, изменяется во времени достаточно медленно, в течение нескольких часов или суток. Нестационарность же уровня полезного сигнала, излучаемого движущимся морским объектом, обусловленная перемещением объекта относительно приёмника и особенностями направленности излучения, является регулярной и имеет временной масштаб порядка десятков секунд - единиц минут. В закрытых акваториях, где предполагается использование предложенного устройства на основе разработанного способа, как показали экспериментальные исследования, помеха нестационарна и имеет сложную пространственно-временную структуру в условиях сложного интерференционного акустического поля сигнала и помехи.
Поэтому использование методов ЭСО и ЭСТО, рассмотренных выше и основанных на предположении стационарности помехи в интервале проходной характеристики неэффективно.
Недостатком описанного аналога является то, что в случае нестационарности помехи в пределах времени регистрации прохода морского объекта данный метод имеет малую помехоустойчивость и вследствие этого низкую точность измерения.
Эти недостатки устранены другим известным способом, наиболее близким к заявленному изобретению техническим решением, получившим название способ регистрации малошумного морского объекта и выбранного в качестве прототипа.
Сущность прототипа основана на принципах адаптивной фильтрации сигнала с использованием адаптивного фильтра. Адаптивный фильтр компенсирует фоновые помехи акватории моря путем минимизации среднеквадратической ошибки между измерительным и опорным каналами в режиме «on-line».
Для компенсации фоновых помех акватории моря сформирован опорный канал помехи. Помеха поступает на адаптивный фильтр от гидрофона, выбранного в качестве опорного из N идентичных гидрофонов (приемных устройств), расположенных в различных местах акватории.
Выбор опорного гидрофона из N идентичных гидрофонов производится по максимуму корреляции фоновой помехи, поступаемой с опорного (помехового) и измерительного гидрофонов (Патент 2572052 Российской Федерации, МПК G01S15/04. Способ регистрации малошумного морского объекта. / Колмогоров В.С., Викторов Р.В., Шпак С.А., Омельченко А.В., Решетников Д.С.; патентообладатель Шпак С.А. - № 2014119095/28; заявл. от 12.05.2014; опубл. 20.11.2015).
Недостатком описанного прототипа является то, что при компенсации фоновых помех с помощью адаптивного фильтра в опорном (компенсационном) канале будет присутствовать и определенная часть измеряемого сигнала, которая, как и помеха, будет скомпенсирована в измерительном канале, что повлияет на точность измерения уровня шумоизлучения морского объекта.
На устранение этого недостатка направлено заявленное изобретение, технической задачей которого является повышение точности измерения путем создания нового способа регистрации уровня шумоизлучения морского объекта.
Реализация поставленной технической задачи позволяет добиться следующего технического результата:
- создан новый способ регистрации уровня шумоизлучения морского объекта в широкой полосе частот в условиях повышенного уровня и нестационарности фоновых шумов (помех) в пределах времени регистрации прохода морского объекта.
Для достижения указанного технического результата предложен «способ регистрации уровня шумоизлучения морского объекта» с учетом постоянно изменяющейся помеховой обстановки в районе измерения, заключающийся в том, что сначала регистрируют в приемных устройствах «опорную» амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) шумового поля водного пространства. «Опорная» АЧХ регистрируется для последующей обработки в блоке первичной обработки сигналов и далее с целью определения пары приемных устройств с максимальным значением коэффициентов взаимной корреляции между первым и вторым, первым и третьим,… первым и N-ым приемными устройствами в блоке расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения блока вторичной обработки сигналов, где выбирают оптимальный канал, с которого подают «опорную» АЧХ водного пространства (помеха). Во время регистрации морского объекта в водном пространстве в области расположения первого приемного устройства формируют «рабочую» АЧХ водного пространства. Принципиальное отличие заключается в том, что «рабочую» АЧХ водного пространства через ранее выбранный первый приемный канал подают на первый вход адаптивного фильтра и на первый вход блока расчета соотношения сигналов блока вторичной обработки сигналов. Одновременно «опорную» АЧХ водного пространства с выхода блока расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения подают на второй вход блока расчета соотношения сигналов и второй вход адаптивного фильтра блока вторичной обработки сигналов. После обработки в адаптивном фильтре блока вторичной обработки сигналов формируют «рабочую» АЧХ морского объекта, которая подается на первый вход блока корректировки АЧХ морского объекта. Одновременно на второй вход блока корректировки АЧХ морского объекта подают рассчитанное значение соотношения сигналов между первым приемным устройством и приемным устройством, ранее выбранным в блоке расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения. После этого регистрируют АЧХ морского объекта.
Предложенный способ реализуется в устройстве, содержащем блок излучения (1), включающий генератор сигналов и излучающее антенное устройство, идентичные приемные устройства блока приема, включающие соответствующие идентичные последовательно соединенные подводные устройства (1,2 - N) и соответствующие идентичные блоки согласования (1,2 - N) с возможностью передачи принятого сигнала на вход блока первичной обработки сигналов, в который входят аналогичные первый, второй и N-ый приемные каналы, включающие соответствующие блоки фильтров, а также соответствующие аналого-цифровые преобразователи. Выход первого аналого-цифрового преобразователя блока первичной обработки сигналов параллельно соединен с первым входом блока расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения, с первым входом адаптивного фильтра и первым входом блока расчета соотношения сигналов, расположенных в блоке вторичной обработки сигналов. Выход второго аналого-цифрового преобразователя блока первичной обработки сигналов последовательно соединен со вторым входом блока расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения блока вторичной обработки сигналов. Выход N-го аналого-цифрового преобразователя блока первичной обработки сигналов последовательно соединен с N-ым входом блока расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения блока вторичной обработки сигналов. В зависимости от полученных результатов в блоке расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения выбирается из приемных каналов (3.2-3.N) такой приемный канал, который соответствует максимальному значению коэффициента взаимной корреляции с первым приемным каналом и подключается с выхода блока расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения на второй вход блока расчета соотношения сигналов и второй вход адаптивного фильтра блока вторичной обработки сигналов. Выход адаптивного фильтра и выход блока расчета соотношения сигналов соединены с первым и вторым входом блока корректировки АЧХ морского объекта соответственно, который соединен с входом амплитудного детектора. Выход амплитудного детектора соединен через регистрирующее устройство с входом блока отображения информации.
Принципиальным отличием заявленного изобретения от прототипа является то, что заявленный способ реализован в предложенном устройстве для регистрации уровня шумоизлучения морского объекта, которое дополнительно содержит блок излучения, блок расчета соотношения сигналов, а также блок корректировки АЧХ морского объекта.
Такое конструктивное решение изобретения за счет отличительных признаков дало новые технические эффекты.
Использование блока излучения и блока расчета соотношения сигналов совместно с блоком корректировки АЧХ морского объекта расширило возможности изобретения, в результате которого заявленный способ производит измерение уровня шумоизлучения морского объекта и позволяет получить более точное, неискаженноезначение уровня шумоизлучения регистрируемого морского объекта.
Блок излучения и блок расчета соотношения сигналов необходимы для расчета соотношения уровней принимаемых многочастотных сигналов между первым приемным устройством и приемным устройством, выбранным в блоке расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения. Блок корректировки значений АЧХ морского объекта необходим для коррекции значений амплитудно-частотной характеристики шумоизлучения морского объекта («рабочая» АЧХ морского объекта). На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения шумоизлучения морского объекта.
На схеме представлено:
1. Блок излучения
1.1. Генератор
1.2. Излучающее антенное устройство
2. Блок приема
2.1. Первое приемное устройство
2.1.1. Первое подводное устройство
2.1.2. Первый блок согласования
2.2. Второе приемное устройство
2.2.1. Второе подводное устройство
2.2.2. Второй блок согласования
2.N. N-ое приемное устройство
2.N.1 N-ое подводное устройство
2.N.2 N-ый блок согласования
3. Блок первичной обработки сигналов
3.1. Первый приемный канал
3.1.1. Первый блок фильтров
3.1.2. Первый аналого-цифровой преобразователь
3.2. Второй приемный канал
3.2.1. Второй блок фильтров
3.2.2. Второй аналого-цифровой преобразователь
3.N. N-ый приемный канал
3.N.1 N-ый блок фильтров
3.N.2 N-ый аналого-цифровой преобразователь
4. Блок вторичной обработки сигналов
4.1. Адаптивный фильтр
4.2. Блок расчета соотношения сигналов
4.3. Блок расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения
5. Блок корректировки АЧХ морского объекта
6. Амплитудный детектор
7. Регистрирующее устройство
8. Блок отображения информации
Все конструктивные элементы в блоке излучения 1, в блоке приема 2, в блоке первичной обработки сигналов 3, в блоке вторичной обработки сигналов 4, а также в блоке корректировки АЧХ морского объекта 5, амплитудном детекторе 6, регистрирующем устройство 7 и блоке отображения информации 8 соединены электрическими связями. В качестве устройства, формирующего сигналы, использован генератор 1.1, генерирующий мультитональные сигналы, которые поступают на приемные устройства 2.2, 2.2...2.N. В качестве излучающего антенного устройства 1.2 использован излучающий электроакустический элемент с возможностью передачи акустических сигналов в водную среду. В блоке приема 2 сформировано идентичное количество приемных устройств 2.1, 2.2…2.N, использующих в своем составе в качестве подводного устройства 2.1.1, 2.2.1…2.N.1 идентичный принимающий электроакустический элемент с возможностью приема акустических сигналов в водной среде, выход каждого из которых последовательно соединен с входом соответствующего блока согласования, служащего для согласования принятых подводными устройствами акустических сигналов в электрические для передачи на входы соответствующего каждого идентичного блока фильтров 3.1.1, 3.2.1… 3.N.1, входящего в состав идентичных приемных каналов 3.1, 3.2,…3.N блока первичной обработки сигналов 3.
В блоке первичной обработки сигналов 3 выход каждого соответствующего идентичного блока фильтров 3.1.1, 3.2.1…3.N.1 последовательно соединен с входом соответствующего идентичного аналого-цифрового преобразователя 3.1.2, 3.2.2…3.N.2 для возможности пропускания передающегося электрического сигнала оптимальной полосы частот. Выход каждого идентичного аналого-цифрового преобразователя 3.1.2, 3.2.2…3.N.2 последовательно соединен с соответствующим первым, вторым и N-ым входом блока расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения 4.3 для вычисления и определения пары приемных устройств с максимальным значением коэффициентов корреляции, выход которого в зависимости от вычисленного значения подключает соответствующий выход приемного канала 3.2…3.N к второму входу блока расчета соотношения сигналов 4.2 и второму входу адаптивного фильтра 4.1. Параллельно выход первого аналого-цифрового преобразователя 3.1.2. соединен с первым входом адаптивного фильтра 4.1 и первым входом блока расчета соотношения сигналов 4.2. для расчета соотношения сигналов между  первым аналого-цифровым преобразователем 3.1.2., и 3.2…3.N-ым аналого-цифровым преобразователем. Выход адаптивного фильтра 4.1 и выход блока расчета соотношения сигнала 4.2 подаются на первый и второй вход блока корректировки АЧХ морского объекта 5. Выход блока корректировки АЧХ морского объекта соединен с входом амплитудного детектора 6. Выход амплитудного детектора 6 соединен с входом регистрирующего устройства 7. Регистрирующее устройство 7 использовано с возможностью визуального отображения обработанного сигнала. Кроме того, выход регистрирующего устройства 7 соединен с входом блока отображения информации 8 для документирования данных.
Осуществление способа
Для осуществления заявленного способа устройство регистрации уровня шумоизлучения морского объекта снабжено общепринятым переносным или стационарным источником питания, расположенным на береговом посту и на плавучем носителе. При работе генератор 1.1, с помощью излучающего антенного устройства 1.2, в качестве которого использован электроакустический элемент, широко используемый в гидроакустике, излучает в водную среду многочастотные сигналы. Для излучения многочастотного гидроакустического сигнала может использоваться штатная гидроакустическая аппаратура регистрируемого морского объекта. Излучение активных гидроакустических многочастотных сигналов необходимо для расчета соотношения уровней принимаемых сигналов между первым приемным устройством и приемным устройством, выбранным в блоке расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения. Излученные многочастотные сигналы в водном пространстве с блока излучения 1 принимаются всеми приемными устройствами блока приема 2. При работе подводные устройства 2.1.1, 2.2.2…2.N.1, в качестве которых использованы электроакустические элементы, широко используемые в гидроакустике, расположенные в различных точках подводного пространства акватории, принимают со всех направлений подводного пространства «опорную» АЧХ шумового поля водного пространства. Принимаемая «опорная» АЧХ шумового поля водного пространства через соответствующие блоки согласования 2.1.2, 2.2.2…2.N.2 поступает на соответствующие последовательно соединенные идентичные приемные каналы 3.1, 3.2…3.N блока первичной обработки сигналов 3, включающие последовательно соединенные идентичные блоки фильтров 3.1.1, 3.2.1….3.N.1 и соответствующие идентичные аналого-цифровые преобразователи 3.1.2, 3.2.2…3.N.2 для пропускания электрических сигналов оптимальной полосы частот и преобразования их в цифровой вид для последовательной передачи на соответствующие входы блока расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения 4.3 блока вторичной обработки сигналов 4, в котором производится вычисление максимальных значений коэффициентов взаимной корреляции между первым и вторым, первым и третьим,… первым и N-ым приемными устройствами, с целью определения пары приемных устройств с максимальным значением коэффициентов взаимной корреляции между ними. Вычисленный в блоке взаимно корреляционной функции и принятия решения 4.3 блока вторичной обработки сигналов 4 из пары необходимых приемных устройств, «второй» приемный канал будет последовательно подключен с выхода блока расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения 4.3 на второй вход блока расчета соотношения сигналов 4.2. и второй вход адаптивного фильтра 4.1.блока вторичной обработки сигналов 4. При прохождении морского объекта в области расположения первого приемного устройства сформированная «рабочая» АЧХ водного пространства с выхода первого аналого-цифрового преобразователя 3.1.2 первого приемного канала 3.1. блока первичной обработки сигналов 3 поступает на первый вход блока расчета соотношения сигналов 4.2 и на первый вход адаптивного фильтра 4.1 блока вторичной обработки сигналов 4. Одновременно при проходе морского объекта через ранее выбранный в блоке расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения 4.3 «второй» приемный канал, «опорная» АЧХ шумового поля водного пространства будет подаваться на второй вход блока расчета соотношения сигналов 4.2. и второй вход адаптивного фильтра 4.1.
После обработки в адаптивном фильтре формируется «рабочая» АЧХ морского объекта, которая с выхода адаптивного фильтра 4.1 подается на первый вход блока корректировки АЧХ морского объекта 5. Также с блока расчета соотношения сигналов 4.2 рассчитанное значение соотношения сигнала между первым приемным устройством и приемным устройством, ранее выбранным в блоке расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения 4.3, посредством электрической связи подается на второй вход блока корректировки АЧХ морского объекта 5. Далее, в блоке корректировки АЧХ морского объекта 5, «рабочая» АЧХ морского объекта, сформированная в процессе прохода морского объекта в области расположения первого приемного устройства, корректируется на протяжении всего времени проведения регистрации уровня шумоизлучения морского объекта. После на экране регистрирующего устройства 7 наблюдается АЧХ морского объекта. Корректировка АЧХ морского объекта необходима потому, что появляющиеся в принятом акустическом сигнале новые амплитудные составляющие, характерные для измеряемого морского объекта, будут также присутствовать в выбранном «опорном» приемном устройстве, в результате чего амплитудный сигнал, получаемый первым приемным устройством и выбранным «опорным» приемным устройством на выходе адаптивного фильтра будет иметь искаженную регистрируемую амплитудно-частотную характеристику измеряемого морского объекта за счет наличия в опорном канале помехи сигнала от измеряемого морского объекта. После этого откорректированная АЧХ морского объекта поступает на вход амплитудного детектора 6 для выделения амплитудной огибающей. Далее продетектированный сигнал поступает на вход регистрирующего устройства 7 для регистрации и документирования полученных в результате измерений данных. Визуальное наблюдение принятого акустического сигнала происходит в блоке отображения информации 8.
Заявленный способ представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как реализуемое данным способом устройство обеспечивает охрану биологических и техногенных морских объектов. Заявленное решение не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние окружающей среды.
Таким образом, заявленный способ «Способ регистрации шумоизлучения морского объекта» является новым способом для оценки уровня шумоизлучения морских объектов.
Заявленный способ обладает следующими достоинствами:
- возможность получения более точных (корректных) данных уровня шумоизлучения морских объектов. Данное достоинство способствует качественному решению задач по измерению и нормированию шумности морских объектов.
Заявленный способ промышленно применим, так как для его осуществления используются широко распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.