СПОСОБ СОВМЕСТНОЙ ОЦЕНКИ ДИСТАНЦИИ ДО ШУМЯЩЕГО В МОРЕ ОБЪЕКТА И ЕГО ШУМНОСТИ
METHOD FOR COMBINED ESTIMATION OF DISTANCE TO NOISY OBJECT IN SEA AND NOISINESS THEREOF

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для определения параметров объектов, шумящих в море.
Основной характеристикой первичного гидроакустического поля кораблей является функция спектральной плотности среднего квадрата давления шума [1]:
где P - давление шума; f - частота.
На частотах выше 0,5 кГц эта функция описывается выражением вида [1]:
0
где P(1,1,1) - давление шумоизлучения на частоте 1 кГц, в полосе 1 Гц и расстоянии 1 м от акустического центра источника (в точке излучения);
n - показатель степенной зависимости от частоты спектральной плотности мощности сигнала в точке излучения.
0
Величина P(1,1,1), входящая в последнее выражение, является одной из характеристик модели корабля как источника акустического излучения и используется в качестве классификационного признака для разделения целей малой и большой шумности. К первой категории можно отнести подводные объекты, ко второй - боевые надводные корабли и гражданские суда. Будем называть оценку величины шумоизлучения, полученную по данным канала гидроакустического шумопеленгования, параметром «шумность объекта».
Известен способ [2] оценки шумности объекта по результатам оценки мощности принятого сигнала в полосе частот на входе антенны и дальнейшего пересчета этой оценки в предполагаемую точку излучения с использованием факта частотно-зависимого затухания сигнала при его распространении в среде. Для реализации этого способа необходима предварительная оценка дистанции до шумящего объекта, которая используется как параметр. Основной вклад в погрешность оценки шумности объекта указанным способом вносит погрешность оценки дистанции. Остальные параметры либо известны точно (параметры приемного тракта), либо могут быть измерены (параметры затухания), либо вычисляются согласно принятой модели среды (аномалия распространения). В связи с этим в качестве недостатка способа оценки шумности объекта можно назвать сильную зависимость погрешности оценки шумности объекта от погрешности оценки дистанции.
Известны способы [3, 4, 5] оценки дистанции до шумящего в море объекта, использующие факт частотно-зависимого затухания сигнала при его распространении в морской среде. Способ [3] основан на использовании двух широкополосных частотных диапазонов, способ [4] основан на использовании совокупности узкополосных частотных диапазонов. Способ [5] основан на использовании совокупности узкополосных частотных диапазонов и позволяет компенсировать априорное незнание показателя степенной зависимости от частоты спектральной плотности мощности сигнала в точке излучения.
Эти и другие способы оценки дистанции, применяющиеся в шумопеленговании, имеют общие недостатки при использовании их оценок в способе оценки шумности объекта. В условиях зональной структуры глубокого моря при наличии погрешности оценки дистанции, полученной без учета возможной шумности цели, предполагаемое местоположение цели может попасть в зону с отрицательными аномалиями распространения, что приводит при последующем пересчете уровня к его увеличению. Например, даже при малых значениях погрешности оценки дистанции (до 5%) наблюдается смещение оценки шумности объекта около 10 дБ, которое при дальнейшем увеличении погрешности оценки дистанции увеличивается до 20 дБ и более.
Наиболее близким аналогом по решаемым задачам и используемым физическим закономерностям к предлагаемому изобретению является способ получения информации о шумящем в море объекте [6], который принят за прототип.
В способе-прототипе, производящем одновременную оценку дистанции до шумящего объекта и его классификацию на две альтернативы (объект большой шумности, объект малой шумности), выполняются следующие операции:
прием гидроакустического шумового сигнала объекта;
частотно-временная обработка сигнала с формированием не менее трех частотных диапазонов и определением мощности сигнала и отношения сигнал/помеха в каждом из сформированных частотных диапазонов;
кодировка принятого и обработанного сигнала цветом и индикация его трассы;
прогнозный расчет в сформированных частотных диапазонах акустического поля сигнала единичной мощности шумоизлучения с заданным законом спада спектра для набора прогнозных точек по дистанции;
формирование в каждом частотном диапазоне мощности единичного прогнозного сигнала для каждой прогнозной точки по дистанции;
формирование на индикаторе цветовых шкал по дистанции для объектов двух альтернативных классов путем решения уравнения гидроакустики для двух уровней шумоизлучения объектов и кодирования результатов цветом;
оценка класса и дистанции до шумящего объекта оператором на основании сравнения цвета трассы сигнала с цветом цветовых шкал для двух классов.
Недостатком способа-прототипа является отсутствие явных численных оценок обоих параметров: дистанции до объекта и шумности объекта. Оценки производятся оператором «на глаз» путем сопоставления цвета трассы сигнала с цветовыми шкалами классов по дистанции. Кроме того, градация шумности объекта производится только на две альтернативы: большая шумность и малая шумность. Это не позволяет использовать при последующей обработке известную зависимость шумности объекта от скорости его движения [2].
Задачей заявляемого способа является увеличение точности оценки шумности объекта путем максимального использования единой физической основы способов оценки дистанции и способа оценки шумности объекта, применяемых при шумопеленговании.
Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки шумности объекта с одновременным уменьшением общего количества арифметических операций при проведении оценок шумности объекта и дистанции до объекта.
Для обеспечения заявленного технического результата в способ совместной оценки дистанции до шумящего в море объекта и его шумности, включающий: прием шумового сигнала объекта; частотно-временную обработку сигнала с формированием не менее трех частотных диапазонов и определением мощности сигнала и отношения сигнал/помеха в каждом из сформированных частотных диапазонов; прогнозный расчет в сформированных частотных диапазонах акустического поля сигнала единичной мощности шумоизлучения с заданным законом спада спектра для набора прогнозных точек по дистанции; формирование в каждом сформированном частотном диапазоне мощности единичного прогнозного сигнала для каждой прогнозной точки по дистанции
введены новые признаки, а именно:
выбирают в принятом и обработанном шумовом сигнале один частотный диапазон, в котором отношение сигнал/помеха максимально;
определяют предполагаемую прогнозную шумность объекта для каждой прогнозной точки по дистанции как отношение мощности единичного прогнозного сигнала к мощности принятого сигнала для выбранного частотного диапазона;
формируют в каждом сформированном частотном диапазоне мощность сигнала предполагаемой прогнозной шумности объекта для каждой прогнозной точки по дистанции;
определяют коэффициент корреляции между мощностью принятого сигнала и мощностью сигнала каждой прогнозной шумности для каждой прогнозной точки по дистанции;
формируют функцию двумерной зависимости коэффициента корреляции от прогнозной шумности объекта и от прогнозной дистанции до объекта;
по максимуму функции коэффициента корреляции совместно определяют оценку шумности объекта и оценку дистанции до объекта.
Покажем возможность достижения указанного технического результата предложенным способом.
В способе-прототипе формируются в виде цветовых шкал два варианта прогнозного сигнала для двух предполагаемых шумностей объекта: большой и малой шумности. В заявляемом способе прогнозный сигнал формируется динамически в процессе работы для каждой точки по дистанции независимо. Предполагаемая шумность прогнозного сигнала определяется на основании мощности принятого сигнала. При этом количество гипотез о мощности возможного шумоизлучения не ограничено двумя, как в способе-прототипе. Таким образом, погрешность оценки шумности объекта уменьшается относительно способа-прототипа, осуществляющего «грубую», двухальтернативную оценку шумности объекта.
Кроме того, в заявляемом способе оценку шумности объекта и оценку дистанции до объекта определяют совместно по максимуму коэффициента корреляции. Коэффициент корреляции характеризует меру близости (сходства) между спектром мощности принятого сигнала, полученным в условиях неизвестной дистанции до объекта и неизвестной шумности объекта, и прогнозным спектром сигнала, рассчитанным на основании детерминированной модели среды для конкретной дистанции до объекта и конкретной шумности объекта. Следовательно, заявляемый способ, основанный на определении максимума коэффициента корреляции, для одновременной оценки обоих параметров использует общее явление частотно-зависимого затухания спектра сигнала в среде без явного предварительного оценивания дистанции. В результате, оценка дистанции до объекта, полученная с учетом прогнозной шумности объекта, не может попасть в зону акустической тени (зону с отрицательной аномалией распространения). В свою очередь, оценка шумности объекта, полученная одновременно с оценкой дистанции до объекта, не может быть завышена, что наблюдается при попадании оценки дистанции в зону акустической тени. Таким образом, погрешность оценки шумности объекта уменьшается относительно способов-аналогов, осуществляющих последовательную независимую оценку дистанции до объекта и шумности объекта.
Уменьшение общего количества арифметических операций в заявляемом способе достигается путем проведения единого, общего расчета акустического поля сигнала для обеих процедур - процедуры оценки дистанции до объекта и процедуры оценки шумности объекта.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1, 2:
Фиг.1 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ совместной оценки дистанции до шумящего в море объекта и его шумности.
Фиг.2 - коэффициент корреляции (K) между принятым сигналом и сигналом прогнозной шумности (ΔP) на прогнозной дистанции (ΔD) для двух условий оценивания (кривая 9 - совпадение сигнала и прогноза, кривая 10 - сильное несовпадение сигнала и прогноза: сигнал соответствует условиям зональной структуры глубокого моря, прогноз произведен для однородной безграничной среды). Здесь ΔP и ΔD - отношение прогнозных параметров к истинным.
Предлагаемый способ технически реализуется аппаратно-программными средствами по структурной схеме, приведенной на фиг.1, в составе обобщенной структурной схемы гидроакустического канала шумопеленгования [7]. На структурной схеме: выход антенны 1 соединен с входом формирователя диаграммы направленности 2, выход формирователя диаграммы направленности 2 соединен с входом полосового диапазонного фильтра 3, выход полосового диапазонного фильтра 3 соединен с входом детектора 4, выход детектора 4 соединен с входом накопителя 5, выход накопителя 5 соединен со входом блока оценки дистанции до объекта и его шумности 6, второй вход блока оценки дистанции до объекта и его шумности 6 соединен с выходом блока прогнозного расчета поля 8, выход блока оценки дистанции до объекта и его шумности 6 соединен с входом индикатора 7.
В динамике работы гидроакустического канала шумопеленгования предлагаемый способ реализуется следующим образом: шумовой сигнал объекта, принятый антенной 1, поступает в систему частотно-временной обработки, содержащую формирователь диаграммы направленности 2, полосовой диапазонный фильтр, формирующий как минимум три частотных диапазона, детектор 4 и накопитель 5, производящий определение мощности сигнала S(f) и отношения сигнал/помеха в каждом частотном диапазоне. Далее мощности принятого сигнала и отношения сигнал/помеха в сформированных частотных диапазонах поступают в блок 6 для совместной оценки дистанции до объекта и его шумности. Одновременно в блок 6 поступают мощности единичного прогнозного сигнала W(p=1,r,f) для каждой прогнозной точки по дистанции в заданном диапазоне дистанций Θ, сформированные в результате прогнозного расчета акустического поля сигнала единичной мощности шумоизлучения с заданным законом спада спектра для набора прогнозных точек по дистанции и хранящиеся в блоке прогнозного расчета поля 8. Из блока 6 полученные оценки дистанции до шумящего объекта и его шумности поступают на индикатор 7 по мере выработки.
В блоке 6 производятся следующие операции:
выбирают в принятом и обработанном шумовом сигнале S(f) один частотный диапазон, в котором отношение сигнал/помеха максимально, запоминают его номер N;
определяют предполагаемую прогнозную шумность объекта для каждой прогнозной точки по дистанции как отношение мощности единичного прогнозного сигнала, поступающего из блока 8, к мощности принятого сигнала для выбранного частотного диапазона:
формируют в каждом сформированном частотном диапазоне мощность сигнала предполагаемой прогнозной шумности объекта для каждой прогнозной точки по дистанции:
W(p,r,f)=p(r)·W(p=1,r,f);
определяют коэффициент корреляции между мощностью принятого сигнала и мощностью сигнала каждой прогнозной шумности для каждой прогнозной точки по дистанции по известной формуле [8]:
где W(p,r,f) - мощность сигнала каждой прогнозной шумности для каждой прогнозной точки по дистанции в сформированных частотных диапазонах;
S(f) - оценка мощности принятого сигнала в сформированных частотных диапазонах;
n - количество частотных диапазонов (не менее трех);
формируют функцию двумерной зависимости коэффициента корреляции от прогнозной шумности объекта и от прогнозной дистанции до объекта:
по максимуму функции коэффициента корреляции совместно определяют оценку дистанции до объекта и оценку шумности объекта, вычисляя аргумент максимума функции коэффициента корреляции:
0
[R,P]=argmax{K(p,r)}.
Работоспособность способа подтверждена статистическим моделированием, результаты которого приведены на фиг.2.
Моделировались две ситуации оценивания. Первая ситуация заключалась в совпадении параметров принятого сигнала и прогнозного расчета. Вторая ситуация заключалась в сильном несовпадении принятого сигнала и прогнозного расчета: сигнал соответствовал условиям зональной структуры глубокого моря, а прогнозный расчет был произведен для условий однородной безграничной среды.
Моделировалась представительная статистика начальных условий: диапазон дистанций до цели от 1 до 200 км с шагом 1 км; диапазон мощностей шумоизлучения цели от -20 до +20 дБ с шагом 1 дБ (шкала децибел введена относительно звукового давления 1 Па). Формировались опыты, состоящие из пар начальных условий (дистанция и шумность) общим количеством 200×40=8000. Для каждого опыта формировались исходные данные для заявляемого способа: мощности и отношения сигнал/помеха шумового сигнала в частотных диапазонах на выходе системы частотно-временной обработки сигналов, соответствующие начальным условиям. Реализовывался заявляемый способ совместной оценки дистанции до шумящего объекта и его шумности для первой и второй ситуаций оценивания.
Для удобства анализа большого количества результатов (8000) было введено понятие относительной оценки для параметра дистанция и для параметра шумность объекта. Под относительной оценкой дистанции (ΔD) понимается отношение оценки дистанции к ее истинному значению. Под относительной оценкой шумности (ΔP) понимается отношение оценки шумности объекта к его истинному значению. Это дало возможность объединить большую совокупность результатов на одном графике. При этом каждой ситуации оценивания соответствует свой набор осей абсцисс, определяющих параметры динамически сформированного прогнозного сигнала. Первой ситуации оценивания соответствует совокупность осей абсцисс ΔD и ΔP 11, второй ситуации оценивания соответствует совокупность осей абсцисс ΔD и ΔP 12. Все оси абсцисс оцифрованы в логарифмическом масштабе: значение по оси, равное 1.0, соответствует оценке параметра без смещения, значение по оси, равное 0.1, соответствует оценке параметра со смещением в 10 раз в меньшую сторону, а значение по оси, равное 10, соответствует оценке параметра со смещением в 10 раз в большую сторону.
Анализ графика для первой ситуации оценивания (совпадение сигнала и прогноза) показывает, что коэффициент корреляции принимает максимальное значение в точке, в которой обе оценки произведены без ошибки. Согласно заявляемому способу оценка параметра производится на основании выбора аргумента функции K, при котором функция принимает максимальное значение. Следовательно, для первой ситуации оценивания способ совместной оценки дистанции до объекта и его шумности обеспечивает оценку обоих параметров без систематической ошибки (без смещения).
Во второй ситуации оценивания (несовпадение сигнала и прогноза) ярко проявляется технический результат изобретения. Несмотря на то, что оценка дистанции до объекта произведена со смещением в большую сторону, однако она не попала в зону отрицательной аномалии распространения, т.к. производилась с учетом возможных уровней шумоизлучения и в результате оценка шумности объекта произведена без систематической ошибки. Это объясняется использованием общих физических основ в предлагаемом способе совместной оценки дистанции до шумящего объекта и его шумности.
Необходимо помнить, что полученный результат является совокупностью восьми тысяч опытов, включающих в себя широкий диапазон дистанций и широкий диапазон мощностей шумоизлучения.
Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной: предложен способ совместной оценки дистанции до шумящего в море объекта и его шумности, который может быть использован в гидроакустических пассивных средствах обнаружения для определения параметров объектов, шумящих в море.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1981, 265 с.
2. Кобылянский В.В. Разработка алгоритмов классификации шумовых гидроакустических сигналов на основе использования акустико-конструктивных характеристик объектов излучения и моделей среды. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Л.: ЦНИИ «Морфизприбор». 1982 (аналог).
3. Демиденко В.А. Частотный метод оценки расстояния и его эффективность при работе ГАС в пассивном режиме // Гидроакустика. 1993. Вып.1. С.3-16 (аналог).
4. Демиденко В.А., Перельмутер Ю.С. Спектральный метод оценки дистанции // Гидроакустика. 2006. Вып.6. С.51-59 (аналог).
5. Голубев А.Г., Мисюченко И.Л. Патент РФ №2128848 от 10.04.1999. Способ измерения дальности до источника шумоизлучения. МПК G01S (аналог).
6. Величкин С.М., Миронов Д.Д., Антипов В.А., Зеленкова И.Д., Перельмутер Ю.С. Патент РФ №2156984 от 27.09.2000. Способ получения информации о шумящем в море объекте и способ получения цветовых шкал для него. МПК G01S 3/84 (прототип).
7. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. СПб.: Наука, 2004.
8. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов / Пер. с англ. М.: Мир, 1978.