Устройство обнаружения подводного источника широкополосного шума
UNDERWATER BROADBAND NOISE DETECTION DEVICE

Изобретение относится к области гидроакустики и может использоваться в системах шумопеленгования и контроля подводной обстановки.
Известен способ обнаружения подводного источника широкополосного шума (RU, патент 2715431, опубл. 28.02.2020), включающий прием шумового сигнала комбинированным приемником, содержащим приемник звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости, при котором выполняют частотно-временную обработку принятого сигнала в наблюдаемом диапазоне частот, вычисляют в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятого шумового сигнала, текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости, а также текущую комплексную величину трех компонент вектора плотности потока энергии и принимают решение об обнаружении источника,
в котором:
- для текущего временного фрагмента принятого сигнала заданной длительности:
• вычисляют в каждом частотном канале средние величины трех компонент вектора плотности потока энергии;
• вычисляют в каждом частотном канале горизонтальный угол прихода потока энергии;
• вычисляют в каждом частотном канале энергетическую характеристику среднего потока акустической энергии – величину интенсивности потока энергии;
• назначают равные горизонтальные угловые секторы, охватывающие весь горизонт наблюдения 0-360 град;
• вычисляют для каждого назначенного углового сектора величину секторной интенсивности потока энергии;
• вычисляют величину средней секторной интенсивности потока энергии и назначают ее пороговой величиной для секторов;
• выделяют из назначенных угловых секторов секторы, в которых величина секторной интенсивности потока энергии превышает пороговую;
• формируют «мгновенное» угловое распределение величины секторной интенсивности потока энергии выделенных угловых секторов;
- выполняют описанный выше цикл обработки текущего временного фрагмента принятого сигнала и для последующих временных фрагментов той же длительности, но опережающих предыдущие на фиксированный интервал времени;
- формируют из параметров «мгновенных» угловых распределений величины секторной интенсивности потока энергии выделенных угловых секторов, вычисленных в циклах обработки временных фрагментов принятого сигнала, сонограмму время-углового прихода потока энергии шумового сигнала в горизонтальной плоскости;
- определяют из сонограммы время-углового прихода потока энергии доминирующий угловой сектор с максимальной величиной секторной интенсивности потока энергии и проводят оценку временной устойчивости величины последней;
- анализируют данные текущей сонограммы время-углового прихода потока энергии и принимают решение об обнаружении источника широкополосного шума по уровню превышения величины секторной интенсивности потока энергии доминирующего углового сектора пороговой величины и временной устойчивости уровня превышения, а также соответствию временной изменчивости ориентации доминирующего углового сектора предполагаемой динамике движения источника, а по ориентации доминирующего сектора о направлении на источник.
Устройство обнаружения, реализующее этот известный способ обнаружения подводного источника широкополосного шума, содержит:
- приемную систему с комбинированным приемником звука, состоящим из приемника звукового давления и трехкомпонентного приемника вектора колебательной скорости;
- блок расчета спектральных характеристик в наблюдаемом диапазоне частот для вычисления в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки заданного фрагмента принятого шумового сигнала, текущих значений комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости, по которым рассчитывают текущие значения трех компонент вектора плотности потока энергии и величину его интенсивности;
- блок расчета горизонтальных углов прихода потока акустической энергии в сформированных частотных каналах;
- блок формирования углового распределения интенсивности потока энергии как суммы интенсивности потоков энергии частотных каналов, имеющих горизонтальные углы приходав заданных пределах, и выделения угловых секторов с высокой величиной энергии потока;
- блок формирования сонограмм время-углового распределения энергии для анализа результатов обработки временных фрагментов принятого сигнала и принятия решений.
Это устройство обнаружения является наиболее близким к заявленному изобретению и принято за прототип.
Для прототипа устройства обнаружения при высокой энергии помех в отдельных частотных каналах и низком отношении сигнал/помеха характерна неустойчивая работа по формированию углового распределения энергии, которая при накоплении энергии всеми формируемыми частотными каналами обуславливает принятие решений по уровням энергии полезного сигнала, искаженным действующей помехой.
Задачей заявленного устройства обнаружения подводного источника широкополосного шума является повышение помехоустойчивости приемной системы на основе подавления значительной части диффузной (изотропной) помехи и разделение формируемых частотных каналов на информативные и помеховые.
Задача решается тем, что заявленное устройство обнаружения включающее:
- приемную систему с комбинированным приемником звука, содержащим приемник звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости, блок расчета спектральных характеристик в наблюдаемом диапазоне частот для вычисления в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки заданного фрагмента принятого шумового сигнала, текущих значений комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости, по которым рассчитывают текущие значения трех компонент вектора плотности потока энергии и величину его интенсивности;
- блок расчета горизонтальных углов прихода потока акустической энергии в сформированных частотных каналах;
- блок формирования углового распределения интенсивности потока энергии как суммы интенсивности потоков энергии частотных каналов, имеющих горизонтальные углы прихода в заданных пределах, и выделения угловых секторов с высокой величиной энергии потока;
- блок формирования сонограмм время-углового распределения энергии для анализа результатов обработки временных фрагментов принятого сигнала и принятия решений,
дополнено:
ТМ,
Т
1/Т
P
V
I
i
i
- блоком накопления исходных данных, служащим для формирования текущего массива первичных данных длительностью  вход которого соединен с выходом комбинированного приемника, а выход – с блоком расчета спектральных характеристик, который последовательно для каждого временного фрагмента принятого сигнала длительностью в каждом частотном канале с полосой  вычисляет значения комплексных амплитуд звукового давления (ω), трех компонент вектора колебательной скорости (ω) и трех компонент вектора плотности потока энергии (ω);
М
- блоком формирования информативных энергетических параметров звукового поля, вход которого соединен с выходом блока расчета спектральных характеристик, а выход – с блоком выделения информативных частотных каналов, который по расчетам спектральных характеристик вычисляет среднеквадратические величины модулей давления  и трех компонент вектора колебательной скорости  а также средние величины интенсивности трех компонент вектора плотности потока энергии бегущих волн  и среднюю величину интенсивности горизонтальной составляющей потока бегущих волн
,
k
- блоком выделения информативных частотных каналов, вход которого соединен с выходом блока формирования информативных энергетических параметров звукового поля, а выход - с входом блока  вычисления в выделенных частотных каналах горизонтального угла прихода потока энергиикоторый вычисляет в каждом частотном канале для трех компонент вектора плотности потока энергии нормированные функции когерентности  и выделяет для дальнейшей обработки частотные каналы ω, в которых хотя бы для одной выделенной компоненты вектора плотности потока энергии функция когерентности превышает задаваемый порог.
Заявленное устройство обнаружения при сопоставлении с прототипом имеет следующие существенные отличительные признаки:
ТМ,
Т
1/Т
P
V
I
М
i
i
Признак: «прототип дополнен блоком накопления исходных данных, служащим для формирования текущего массива первичных данных длительностью  вход которого соединен с выходом комбинированного приемника, а выход – с блоком расчета спектральных характеристик, который последовательно для каждого временного фрагмента принятого сигнала длительностью в каждом частотном канале с полосой  вычисляет значения комплексных амплитуд звукового давления (ω), трех компонент вектора колебательной скорости (ω) и трех компонент вектора плотности потока энергии (ω)»  -  обеспечивает увеличение объема данных, по которым принимаются решения об обнаружении путем формирования  независимых реализаций шумового сигнала для дальнейшей статистической обработки.
М
Признак: «прототип дополнен блоком формирования информативных энергетических параметров звукового поля, вход которого соединен с выходом блока расчета спектральных характеристик, а выход – с блоком выделения информативных частотных каналов, который по расчетам спектральных характеристик вычисляет среднеквадратические величины модулей давления  и трех компонент вектора колебательной скорости  а также средние величины интенсивности трех компонент вектора плотности потока энергии бегущих волн  и среднюю величину интенсивности горизонтальной составляющей потока бегущих волн  -  служит для формирования энергетических параметров шумового поля осредненных за время накопления, причем активные составляющие компонент вектора потока осредняются путем алгебраического сложения, что подавляет энергию диффузных шумов, которые имеют нулевой средний вектор потока энергии в горизонтальной плоскости.
,
k
Признак: «прототип дополнен блоком выделения информативных частотных каналов, вход которого соединен с выходом блока формирования информативных энергетических параметров звукового поля, а выход - с входом блока  вычисления в выделенных частотных каналах горизонтального угла прихода потока энергиикоторый вычисляет в каждом частотном канале для трех компонент вектора плотности потока энергии нормированные функции когерентности  и выделяет для дальнейшей обработки частотные каналы ω, в которых хотя бы для одной выделенной компоненты вектора плотности потока энергии функция когерентности превышает задаваемый порог» - дает количественные оценки структуры наблюдаемого шумового поля, на основании которых выполняется частотная фильтрация энергетических параметров, служащих при дальнейшей обработке для формирования время-углового распределения энергии.
Предлагаемая совокупность существенных отличительных признаков заявленного устройства обнаружения позволяет выполнить эффективную предварительную фильтрацию принимаемых данных, значительно ослабить действие диффузной (изотропной) помехи и выделить частотные каналы, энергия которых формируется преимущественно бегущими волнами.
Новизна заявленного устройства обнаружения подводного источника широкополосного шума заключается в том, что:
при обнаружении источника широкополосного шума, основанного на анализе временной зависимости углового распределения потоков акустической энергии всех принимаемых векторным приемником частот и учете того, что поток энергии от источника концентрируется в определенном угловом секторе, значение которого в течение процесса обнаружения может меняться незначительно и должно соответствовать предполагаемой динамике движения источника,
дополнительно учитываются особенности структуры акустических полей шумового источника, которые заключаются в определении энергетических параметров звукового поля, наименее подверженных влиянию помех, и выделении частотных каналов, в которых преобладает энергия бегущих звуковых волн. Процедуры учета структуры полей основаны на том, что приемная система с комбинированным приемником при обнаружении источника шумового сигнала и формировании данных о давлении и колебательной скорости позволяет разделить энергию звукового поля в виде суперпозиции трех составляющих:
1. Энергии изотропного (диффузного) шума, который имеет нулевой средний вектор потока энергии в горизонтальной плоскости и является помехой приему сигналов от шумящего объекта. Источники этого шума формируют случайные, статистически не связанные сигналы звукового давления и горизонтальных компонент колебательной скорости с равномерной плотностью распределения фаз/разности фаз в пределах 0-2π.
2. Потока энергии плоских бегущих волн (анизотропная энергия поля), которые имеют отличный от нуля средний вектор потока энергии и формируют сигналы звукового давления и горизонтальных компонент колебательной скорости с разностью фаз 0/π в зависимости от направления прихода волны. Источниками бегущих волн является звук от шумоизлучения объектов. Отношение горизонтальных компонент вектора потока энергии, кроме того, характеризует направление на источники сигналов.
3. Энергии стоячих волн, которые имеют нулевой средний вектор потока энергии в горизонтальной плоскости и сложную пространственную структуру в зависимости от количества источников и лучей распространения звука от них, а также углов прихода лучей. Стоячие волны формируют сигналы звукового давления и горизонтальных компонент колебательной скорости частиц водной среды с разностью фаз π/2. Источники энергии волн - звук от шумоизлучения нескольких сосредоточенных объектов или одного при многолучевом распространении. При этом бегущие и стоячие волны являются порождением излучения одних и тех же источников и, в этой связи, сигналы от каждого из них когерентны.
Приведенные особенности структуры звуковых полей реализуются в устройстве обнаружения следующим образом.
ТМ
М
Т
Ослабление влияния диффузной помехи обеспечивается путем осреднения на интервале накопления данных (интервал времени )  взаимных спектров давления и компонент колебательной скорости, вычисленных на временном промежутке . При таком осреднении происходит подавление помехи приему - изотропного (диффузного) шума из-за отсутствия корреляции случайных с нулевыми первыми моментами сигналов звукового давления и компонент колебательной скорости, принятых от помехи. Это свойство алгоритма энергетической обработки по потокам энергии крайне важно, поскольку при взволнованной поверхности моря изотропный шум зачастую значительно превалирует над анизотропным сигналом от объектов. При определенных условиях алгоритм позволяет проводить обнаружение широкополосного локализованного источника шума при отношении сигнал/помеха минус 30÷40 дБ [2, 3].
Кроме того, в структуру устройства обнаружения введена операция оценки в каждом сформированном частотном канале энергетического параметра принятого сигнала – вычисление нормированных функций когерентности компонент вектора плотности потока энергии бегущих волн со средними значениями давления и компонент скорости. На основе значений функций когерентности по назначаемым пороговым уровням выполняется предварительный отбор частотных каналов, в которых энергетические параметры принятого сигнала далее используются для расчета углов прихода потоков энергии и построения углового распределения приходящей энергии.
Таким образом, учет особенностей структуры звуковых поле, которые выявляются при применении комбинированного приемника в приемной системе, обеспечивает предварительную фильтрацию данных, в значительной степени уменьшая влияние помех, и обеспечивает при формировании время-углового распределения энергии ее накопление только в частотных каналах, отвечающих установленным количественным критериям.
Структурная схема, поясняющая заявленное устройство обнаружения подводного источника широкополосного шума, приведена на чертеже, где обозначены следующие элементы:
1 – приемная система с комбинированным приемником звука;
2 – блок накопления исходных данных;
3 - блок расчета спектральных характеристик;
4 - блок формирования информативных энергетических параметров звукового поля;
5 - блок выделения информативных частотных каналов;
6 - блок вычисления в выделенных частотных каналах горизонтального угла прихода потока энергии;
7 - блок формирования углового распределения потока энергии и выделения угловых секторов, в которых величина потока энергии превышает назначенный порог;
8 – блок формирования сонограмм для анализа результатов обработки временных фрагментов принятого сигнала и принятия решений.
Заявленное устройство обнаружения подводного источника широкополосного шума работает следующим образом.
Акустический сигнал от источника широкополосного шума принимают приемной системой 1 с комбинированным приемником, с выхода которой исходные данные о звуковом давлении акустического поля и трех ортогональных компонентах вектора колебательной скорости частиц водной среды поступают в блок накопления данных 2.
ТМ.
Т
В блоке 2 накапливают исходные данные на интервале времени Данные из блока извлекаются порциями временных промежутков  для расчета спектральных характеристик в блоке 3.
Т
1/Т
P
V
),
I
)
i
i
В блоке 3 на временных промежутках  для принятого сигнала методами спектрального анализа в каждом частотном канале шириной  вычисляют значения комплексных амплитуд звукового давления (ω) и трех компонент вектора колебательной скорости (ωпо которым определяют три компоненты вектора плотности потока энергии (ω
где i – орты x, y, z локальной системы координат комбинированного приемника;
* - знак комплексного сопряжения,
I
)
i
i
Re(ω– интенсивность -ой компоненты вектора потока бегущих волн.
М
ТМ
В блоке 4 по расчетам спектральных характеристик формируют информативные энергетические параметры звукового поля путем вычисления на интервале времени
среднеквадратических величин модулей давления  и трех компонент вектора колебательной скорости
а также средние величины интенсивности трех компонент вектора плотности потока энергии бегущих волн
и среднюю величину интенсивность горизонтальной составляющей потока бегущих волн
ТМ
В блоке 5 для интервала времени  в каждом частотном канале вычисляют нормированные функции когерентности трех компонент вектора плотности потока энергии бегущих волн  по формуле
и выделяют для дальнейшей обработки частотные каналы , в которых хотя бы для одной выделенной компоненты вектора плотности потока энергии функция когерентности превышает задаваемый порог.
ТМ
В блоке 6 в выделенных частотных каналах для принятого сигнала длительностью  вычисляются горизонтальные углы прихода потока акустической энерги  по формуле
ТМ
В блоке 7 для текущего интервала времени  принятого сигнала:
;
- формируют равные горизонтальные угловые секторы, охватывающие весь горизонт наблюдения 0-360 град
- вычисляют для каждого назначенного углового сектора величину секторной интенсивности потока энергии - сумма величин в выделенных частотных каналах средних интенсивностей горизонтальных составляющих потоков бегущих волн  имеющих углы прихода  в пределах данного сектора;
- по сумме величин интенсивности потоков энергии всех выделенных частотных каналов и количеству назначенных угловых секторов вычисляют величину средней секторной интенсивности потока энергии и назначают ее пороговой величиной для секторов;
- выделяют из назначенных угловых секторов секторы, в которых величина секторной интенсивности потока энергии превышает пороговую величину для секторов;
- формируют «мгновенное» угловое распределение величины секторной интенсивности потока энергии выделенных угловых секторов.
ТМ
Кроме того, в блоке 7 выполняют описанный выше цикл обработки текущего временного фрагмента принятого сигнала и для последующих временных фрагментов той же длительности . Параметры «мгновенных» угловых распределений величин секторной интенсивности потока энергии выделенных угловых секторов, вычисленные в циклах обработки временных фрагментов принятого сигнала, поступают в блок 8.
В блоке 8:
- формируют из параметров «мгновенных» угловых распределений величины секторной интенсивности потока энергии выделенных угловых секторов, вычисленных в циклах обработки временных фрагментов принятого сигнала, сонограмму время-углового прихода потока акустической энергии шумового сигнала в горизонтальной плоскости;
- определяют из сонограммы время-углового прихода потока акустической энергии доминирующий угловой сектор с максимальной величиной секторной интенсивности потока энергии и проводят оценку временной устойчивости величины интенсивности.
В этом же блоке анализируют данные текущей сонограммы время-углового прихода потока акустической энергии и принимают решение об обнаружении источника широкополосного шума на основании:
- уровня превышения величины секторной интенсивности потока энергии доминирующего углового сектора пороговой величины для секторов;
- временной устойчивости величины секторной интенсивности потока энергии доминирующего углового сектора;
- соответствия временной изменчивости ориентации доминирующего углового сектора предполагаемой динамике движения источника,
а по ориентации доминирующего сектора о направлении на источник в локальной системе координат комбинированного приемника, или продолжают накапливать данные для принятия решения.