Обнаружитель движущихся подводных объектов на фоне биологического шума мелководной акватории, где обитают раки-щелкуны
DETECTOR OF MOVING UNDERWATER OBJECTS AGAINST THE BACKGROUND OF BIOLOGICAL NOISE IN A SHALLOW WATER AREA INHABITED BY NIPPER-PRAWNS

Изобретение относится к гидроакустическим сигнальным устройствам, а именно к устройствам для обнаружения движущегося подводного объекта в условиях мелководья и может быть использовано для защиты кораблей, судов в гаванях и портах, а также портовых и других подводных сооружений.
Известно устройство для тревожной сигнализации (Патент 2124232 Российской Федерации, МПК 6 G08B 13/24. Устройство для тревожной сигнализации / Трефилов Н.А.; Николаенко В.А.; Шеремето Ю.Ю.; Елягин СВ.; Маргелов А.А.; патентообладатель Ульяновский государственный технический университет Российской Федерации. - №96102923; заявл. 15.02.1996; опубл. 27.12.1998. - 1 С: ил.) Устройство содержит генератор сверхвысоких частот, передающую антенну, приемную антенну, амплитудный детектор принимаемого сигнала, узкополосный усилитель низкой частоты, коммутатор, аналогово-цифровой преобразователь, микропроцессорный модуль.
Известное устройство вырабатывает сигнал тревоги при появлении дополнительного предмета в охраняемом объекте, и в отраженном сигнале появляется составляющая с новыми амплитудой и фазой, которые изменяют амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики области пространства охраняемого объекта. При сравнении амплитудно-частотной или фазо-частотной характеристики с первоначальной, микропроцессорный модуль вырабатывает сигнал "тревога" в соответствии с заданным критерием.
Недостатком описанного аналога является то, что работа устройства предполагается в пространстве, ограниченном статически неподвижными границами.
Эти недостатки устранены другим известным устройством для обнаружения движущегося морского объекта, выбранным в качестве прототипа (Патент 68733 Российской Федерации, МПК G08B 3/00, G08B 31/00. Устройство обнаружения движущегося морского объекта/ Калашников И.И., Колмогоров B.C., Сенченко А.Г., Юрченко Е.Н.; патентообладатель Тихоокеанский военно-морской институт имени С.О. Макарова - №2007126542/22; заявл. 11.07.2007; опубл. 27.11.2007, бюл. №33).
Устройство для обнаружения движущегося морского объекта, содержит блок излучения, в состав которого входит генератор высоких частот и излучающее антенное устройство, блок обработки сигнала, в состав которого входит два приемных канала, каждый из которых содержит приемное антенное устройство и согласующее устройство, а также вычитающее устройство и адаптивный фильтр. Кроме того, устройство содержит амплитудный детектор, регистрирующее устройство и блок отображения информации.
Недостатком описанного устройства является то, что сигналы технических средств излучения подвержены демаскированию места установки излучающего устройства, что приведет к их обнаружению, возможному последующему уничтожению и поиску безопасных путей движения подводных пловцов в мелководной акватории.
На устранение этого недостатка направлено заявленное изобретение, технической задачей которого является: создание акустического сигнального устройства для обнаружения движущегося подводного объекта в Дальневосточном регионе России в условиях мелководной акватории на глубинах до 8-10 м, где обитают раки-щелкуны, издающие характерные высокочастотные сигналы, создающие в исследуемом районе изменяющуюся интерференционную картину.
Реализация поставленной технической задачи позволяет добиться следующего технического результата:
- обнаружение движущегося подводного объекта в охраняемой мелководной акватории за счет использования естественного биологического шума создаваемого раками-щелкунами в качестве акустических сигналов, формирующих интерференционные колебания, что ведет к возможности полностью в скрытном режиме освещать подводную обстановку, так как технические средства излучения сигнала подвержены демаскированию, что приведет к их обнаружению, возможному последующему уничтожению и поиску безопасных путей движения подводных пловцов в охраняемой мелководной акватории.
Для достижения указанного технического результата предложен «Обнаружитель движущихся подводных объектов на фоне биологического шума мелководной акватории, где обитают раки-щелкуны», содержащий блок обработки сигналов, выполненный с возможностью приема акустических сигналов, в который входят аналогичные первый и второй приемные каналы, включающие два приемных антенных устройства два согласующих устройства, а также вычитающее устройство и адаптивный фильтр, при этом выход первого согласующего устройства параллельно соединен с первым входом вычитающего устройства и первым входом адаптивного фильтра. Выход второго согласующего устройства соединен со вторым входом адаптивного фильтра, выход которого соединен со вторым входом вычитающего устройства. Выход вычитающего устройства соединен через амплитудный детектор с входом регистрирующего устройства, выход которого соединен с входом блока отображения информации.
Принципиальным отличием заявленного изобретения от прототипа является то, что в качестве акустических сигналов используют естественный биологический шум от раков-щелкунов, при этом дополнительно в первый и второй приемные каналы блока обработки сигналов введены соответственно первый и второй полосовые фильтры, используемые для регистрации сигналов в полосе частот 4200-4600 Гц, входы которых соединены с выходами соответствующих первого и второго приемных антенных устройств, а выходы соединены с входами соответствующих первого и второго согласующих устройств.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлена функциональная схема обнаружителя движущихся подводных объектов на фоне биологического шума мелководной акватории, где обитают раки-щелкуны;
- на фиг. 2 представлена схема проведения экспериментальных исследований с подводным объектом в закрытой бухте;
- на фиг. 3 представлены амплитудные спектры:
а - проход подводного объекта, b - помеха моря;
- на фиг. 4 представлены амплитудные спектры прохода подводного объекта: с - зашумленный сигналом помехи в 10 раз, d - без зашумления;
- на фиг. 5 представлена схема обработки сигналов;
- на фиг. 6 представлен анализ уровня огибающей сигнала прохода подводного объекта: е - огибающая прохода подводного объекта (сигнал зашумленный помехой в 10 раз) в полосе 4200-4600 Гц (частота раков-щелкунов), после обработки по классической схеме, g - огибающая прохода подводного объекта (сигнал зашумленный помехой в 10 раз) в полосе 4200-4600 Гц (частота раков-щелкунов), после обработки с применением адаптивного фильтра;
- на фиг. 7 представлены спектрограммы прохода подводного объекта: h - после обработки без адаптивного фильтра, j - после обработки с использованием адаптивного фильтра.
Обнаружитель движущихся подводных объектов на фоне биологического шума мелководной акватории, где обитают раки-щелкуны. Фиг. 1 (Функциональная схема).
На фиг. 1 представлены:
1. Акустические сигналы от раков-щелкунов
2. Блок обработки сигналов
2.1 Первый приемный канал
2.1.1 Первое приемное антенное устройство
2.1.2 Первый полосовой фильтр
2.1.3 Первое согласующее устройство
2.2 Второй приемный канал
2.2.1 Второе приемное антенное устройство
2.2.2 Второй полосовой фильтр
2.2.3 Второе согласующее устройство
2.3 Вычитающее устройство
2.4 Адаптивный фильтр
3. Амплитудный детектор
4. Регистрирующее устройство
5. Блок отображения информации
Все конструктивные элементы в блоке обработки сигналов 2, а так же амплитудный детектор 3, регистрирующее устройство 4 и блок отображения информации 5 соединены электрическими связями. Акустический сигнал от раков-щелкунов 1 соединен с блоком обработки сигналов 2 посредством акустической связи через водную среду. В качестве акустических сигналов 1, использован естественный биологический шум, создаваемый раками-щелкунами. В блоке обработки сигналов 2 сформированы два идентичных приемных канала 2.1 и 2.2.
В блоке обработки сигналов 2 выход каждого приемного антенного устройства 2.1.1 и 2.2.1 последовательно соединен с входом соответствующих полосовых фильтров 2.1.2 и 2.2.2 для возможности пропускания принимаемого акустического сигнала оптимальной частоты, выходы которых соединены с входами соответствующих согласующих устройств 2.1.3 и 2.2.3, для формирования двух идентичных приемных каналов 2.1 и 2.2. Выход первого согласующего устройства первого приемного канала 2.1 соединен с первым входом адаптивного фильтра 2.4, выход второго согласующего устройства второго приемного канала 2.2 соединен со вторым входом адаптивного фильтра 2.4, для выработки нормированного сигнала, поступающего с выхода адаптивного фильтра 2.4 на второй вход вычитающего устройства 2.3. Выход вычитающего устройства 2.3 через амплитудный детектор 3 соединен с входом регистрирующего устройства 4. Регистрирующее устройство 4 использовано с возможностью визуального отображения обработанного сигнала. Кроме того, выход регистрирующего устройства 4 соединен с входом блока отображения информации 5 для документирования данных.
Результаты экспериментальных исследований
На фиг. 2 представлено проведение экспериментальных исследований в акватории б. Патрокл (г. Владивосток), с использованием аппаратуры записи и обработки сигнала «КРАС Кряква-В» (комплекс регистрации и анализа сигналов), выносных приемных устройств «СИГ-1» и соединительных кабелей. Выносное приемное устройство находилось на расстоянии 95 метров от лабораторного модуля. Акватория данной бухты является средой обитания естественного биологического шума, создаваемого раками-щелкунами.
В начале экспериментальных исследований производилась регистрации прохода подводного объекта на скорости хода 0,7 узлов, а так же помехи моря.
На фиг. 3 представлено создание приближенных реальных условий, где распространяется акустический сигнал в морской среде, как неблагоприятные гидрологические условия, различные степени волнения, шумы различного происхождения и т.д., полученная реализация записи последовательно зашумлялась путем аддитивного добавления к ней ранее записанного шума моря без наличия мешающих целей.
Таким образом, формировалась аддитивная смесь «сигнал + помеха» с входным отношением сигнал помеха (ОСП) до -18 дБ, амплитудные спектры которых представлены на фиг. 4.
Далее полученные реализации сигналов обрабатывались с использованием классической схемы типового тракта обнаружения, как показано на фиг. 5, где в качестве приемного устройства используется стационарный измерительный гидрофон (СИГ-1), полосовой фильтр (ПФ), интегратор (ИНТ), адаптивный фильтр (АД), в качестве спектроанализатора использован комплекс регистрации и анализа сигналов (КРАС «Кряква-В»).
Оценка результатов, полученных при проведении экспериментальных исследований, осуществлялась путем измерения отношения «сигнал + помеха» или превышение уровня сигнала шумоизлучения подводного объекта над уровнем сплошной части спектра (СЧС) при применении фильтрации сигнала шумоизлучения, основанной на алгоритме адаптивной фильтрации и без нее.
На фиг. 6 и 7 представлены характерные результаты сравнительного анализа обработки сигналов шумоизлучения подводного объекта со скоростью 0,7 узлов при классической схеме обработки и с использованием алгоритма на основе адаптивной фильтрации для входного ОСП -18 дБ.
Анализ фиг. 6 (е) показывает, что классическая схема обработки позволяет выделить низкий уровень амплитудных возмущений сигнала, вызванных движущимся подводным объектом в интерференционном поле, при этом использование в схеме адаптивного фильтра позволяет увеличить уровень амплитудных возмущений сигнала и повысить выходное ОСП схемы обработки, как показано на фигуре 6 (g).
Анализ фиг. 7 показывает, что выходное ОСП при выделении сигналов шумоизлучения подводного объекта по классической схеме составило примерно 3 дБ (см. фиг. 7 (h)) и 15 дБ с применением адаптивной фильтрации (см. фиг. 7 (j)).
Использование предложенного устройства позволяет повысить соотношение сигнал/помеха на выходе схемы обработки (фиг. 7).
Устройство работает следующим образом
В качестве акустических сигналов используется - естественный биологический шум, создаваемый раками-щелкунами, находящийся в водной среде исследуемого района, с частотой в диапазоне от 3 до 5 кГц. В результате многократного взаимного отражения от взволнованной поверхности моря и дна волны в полосе частот биологического шума моря облучают все пространство исследуемой области.
«Опорная» амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) охраняемого водного пространства принимается первым и вторым приемными каналами 2.1 и 2.2 блока обработки сигналов 2 через последовательно соединенные первое и второе приемные антенные устройства 2.1.1 и 2.2.1, первый и второй полосовые фильтры 2.1.2 и 2.2.2, настроенные на полосу частот биологического шума от раков-щелкунов и первое и второе согласующие устройства 2.1.3 и 2.2.3, которая будет необходима для выработки нормированного сигнала в адаптивном фильтре 2.4. При появлении движущегося подводного объекта в пространстве исследуемой зоны, первым приемным каналом 2.1 через последовательно соединенное первое приемное антенное устройство 2.1.1, первый полосовой фильтр 2.1.2, и первое согласующее устройство 2.1.3, настроенное на оптимальную частоту приема, регистрируется «измерительная» АЧХ водного пространства, в котором может предположительно находиться обнаруживаемый объект. Отраженный от исследуемого объекта сигнал принимается вторым приемным каналом 2.2 в составе блока обработки сигналов 2. Ко второму приемному каналу 2.2 подключен посредством электрической связи адаптивный фильтр 2.4, выполняющий функцию выработки «нормированной» АЧХ водного пространства. Полученная «нормированная» АЧХ представляет собой АЧХ водного пространства на момент начала обнаружения объекта. С выхода адаптивного фильтра 2.4 нормированный сигнал поступает на соответствующий вход вычитающего устройства 2.3. В случае превышения величины амплитуды «эталонного» сигнала над выработанным порогом амплитуды нормированного сигнала на экране регистрирующего устройства 4 наблюдается АЧХ исследуемого биологического, техногенного, морского или пресноводного объекта. При движении подводного объекта в воде будет соответственно меняться и величина порога срабатывания устройства. Таким образом, чувствительность устройства будет меняться при изменении величины принятой «эталонной» АЧХ.
При появлении дополнительного предмета любого размера в охраняемой зоне (исчезновении или перемещении объектов с любой скоростью), в отраженном сигнале появляются составляющие с новой амплитудой. Новые амплитудные составляющие изменяют амплитудно-частотные характеристики области пространства исследуемого объекта. Полученный в вычитающем устройстве 2.3 разностный амплитудный сигнал поступает на вход амплитудного детектора 3 для выделения амплитудной огибающей. После этого, продетектированный сигнал поступает на вход регистрирующего устройства 4 для регистрации и документирования полученных в результате исследования данных. Визуальное наблюдение принятого акустического сигнала происходит в блоке отображения информации 5, где происходит принятие решения о нахождении в исследуемой области движущегося постороннего объекта.
Заявленное изобретение представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как обеспечивает охрану биологических и техногенных морских и пресноводных объектов. Заявленное решение не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние окружающей среды.
Таким образом, заявленное изобретение «Обнаружитель движущихся подводных объектов на фоне биологического шума мелководной акватории, где обитают раки-щелкуны» является новым гидроакустическим охранным устройством для обеспечения защиты кораблей, судов в гаванях и портах, а также портовых и других подводных сооружений, расположенных в среде обитания раков-щелкунов.
Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:
- используется естественный биологический шум, от раков-щелкунов, в качестве акустических сигналов, формирующих интерференционные колебания;
- возможностью обнаружения движущегося подводного объекта на фоне естественного биологического шума создаваемого раками-щелкунами в мелководной акватории;
- возможностью эффективного использования естественного биологического шума создаваемого раками-щелкунами для решения технических задач по гидролокации для обнаружения подводных объектов.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной технике.