Способ определения класса шумящей цели и дистанции до неё
METHOD FOR DETERMINING NOISY TARGET CLASS AND DISTANCE THERETO

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к пассивным шумопеленгаторным станциям (ШПС), предназначенным для обнаружения подводных лодок и надводных кораблей по их шумоизлучению.
Наиболее сложными задачами, решаемыми такими ШПС, являются классификация обнаруженного объекта и определение дистанции до него.
Методы классификации и определения дистанции шумящих объектов приведены в работах [1-11]. Недостатком большинства известных методов являются дополнительные требования, предъявляемые ими к конструкции ШПС (например, разнесенный прием шумовых сигналов [6, 11]) либо к обработке принимаемого шумового сигнала (например, спектрально-корреляционный анализ [4, 5, 9]). В ряде случаев выполнение этих дополнительных требований затруднительно.
В качестве прототипа выберем способ классификации и определения дистанции обнаруженной шумящей цели, описанный в [12]. Он включает: формирование пеленгационного рельефа на выходе горизонтального веера характеристик направленности (ХН) приемной гидроакустической антенны (фиг. 1); обнаружение в пеленгационном рельефе методом двухстороннего контраста отметки цели; прослушивание оператором сигнала с выхода ХН, ось которой совпадает с максимумом отметки цели; принятие оператором по результатам прослушивания сигнала решения о классе цели и дистанции до нее.
Достоинством данного способа является его простота, а недостатком - невысокая эффективность (точность) классификации цели и определения дистанции, особенно при малых отношениях сигнал/помеха, при которых человеческий слух плохо улавливает особенности сигнала, присущие тому или иному объекту.
Решаемая техническая проблема - повышение эффективности использования ШПС.
Достигаемый технический результат - повышение достоверности классификации и точности определения дистанции до обнаруженной шумящей цели.
Указанный технический результат достигается тем, что с использованием пеленгационного рельефа измеряют уровень сигнала  и скорость изменения пеленга отметки обнаруженной цели  (последняя в кораблевождении называется величиной изменения пеленга или сокращенно ВИП [1]), и на основании полученных результатов принимают решение о классе и дистанции до цели.
Рассмотрим эффективность данного технического решения применительно к классификации обнаруженной шумящей цели на классы "подводная лодка" и "надводный корабль" и определения дистанции до нее.
Известно [12-14], что шумности надводных кораблей значительно (в среднем на 40 дБ) превышают шумности подводных лодок, ввиду чего один и тот же уровень сигнала на выходе приемного тракта ШПС соответствует существенно различающимся дистанциям в случае обнаружения надводного корабля и подводной лодки. А поскольку ВИП цели при увеличении дистанции до нее в среднем уменьшается, то по величине ВИП можно судить о дистанции до цели, а, следовательно и о ее классе.
Однако, поскольку на величину ВИП, кроме дистанции до цели влияют такие ее курс и скорость, которые на практике неизвестны, то определение правила (порогов) принятия решения о классе и дистанции цели по измеренным значениям уровня сигнала и ВИП можно осуществить только на вероятностном уровне [15-17]. Для этого предлагается построить условную (в зависимости от класса цели ω и дистанции R до нее) плотность распределения вероятностей (ПРВ)  оценок уровня сигнала  и ВИП цели . Тогда при подстановке в эту условную ПРВ вместо неслучайных аргументов  (уровень сигнала) и  (ВИП цели) оценок  и , она превращается в функцию правдоподобия (ФП), зависящую только от класса цели ω и дистанции R до нее. Координаты максимума этой ФП соответствуют оптимальным значениям класса цели и дистанции до нее, т.е. являются решением рассматриваемой задачи.
В основе построения условной ПРВ лежат стохастические модели оценок уровня сигнала  и ВИП цели , зависящие от класса цели и дистанции до нее.
Стохастическая модель оценки уровня сигнала  имеет вид [13]:
где
ω
-  - оценка уровня сигнала цели на выходе приемного тракта ШПС в зависимости от класса ω, скорости V и дистанции R цели, дБ;
H
B
- ƒ, ƒ - нижняя и верхняя границы рабочего диапазона частот (РДЧ) ШПС, Гц;
ω
ω
2
- S(ƒ, V, R) - энергетический спектр на входе приемной антенны ШП сигнала цели класса ω, находящейся на расстоянии R от антенны и движущейся со скоростью V, Па/Гц, определяемый по формуле [13]:
где
0/ω
ω
- Р(V) - давление шума цели класса ω, движущейся со скоростью V, приведенное к расстоянию 1 м от нее, частоте 1 кГц и полосе 1 Гц, называемое приведенной шумностью цели [12], Па/√Гц (далее - прив. ш. цели);
- ƒ - частота, кГц;
- β(ƒ) - коэффициент пространственного затухания, дБ/км, вычисляемый по формуле [13]:
a
- , b, c - коэффициенты, зависящие от района Мирового океана;
- А(ƒ, R) - аномалия (по мощности) распространения сигнала частоты ƒ на расстояние R, которое рассчитывается для текущих гидроакустических условий по специальной программе (далее - аномалия);
- γ(ƒ) ~ передаточная характеристика приемного тракта на частоте ƒ, В/Па;
ΔU
- ΔU - ошибка измерения уровня сигнала, дБ, распределенная по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением (СКО) σ.
Если разброс прив. ш. цели и ошибку расчета аномалии включить в ошибку измерения уровня сигнала ΔU, а также зафиксировать скорость цели, то первое слагаемое в правой части формулы (1) можно считать неслучайной величиной. Тогда единственной случайной величиной в правой части формулы (1) останется ошибка измерения уровня сигнала ΔU, и условная ПРВ оценки уровня сигнала цели может быть вычислена по формуле [15]:
I
где  - нормальная ПРВ случайной величины  с неслучайным аргументом , математическим ожиданием  и СКО .
Стохастическая модель оценки ВИП  имеет вид:
где
-  - оценка ВИП цели в зависимости от класса цели ω и дистанции R, км, до нее, град/мин;
- П - пеленг цели, град;
ω,ρ
- V - относительная скорость цели, уз, вычисляемая по формуле:
н
н
- K, V - курс и скорость носителя ШПС, соответственно;
ω
ω
- К,V - курс и скорость цели;
ω,ρ
- K - относительный курс цели, град, вычисляемый по формуле:
- ошибка измерения ВИП цели, град/мин, распределенная по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и СКО .
Если курс и скорость цели, а также дистанция до нее постоянны, то по формуле (5) условная ПРВ оценки ВИП цели может быть вычислена по формуле:
Поскольку ошибки измерения уровня сигнала и ВИП цели можно считать взаимно независимыми, то совместная условная ПРВ оценок уровня сигнала и ВИП цели может быть вычислена как произведение правых частей формул (4) и (8):
Ввиду того, что нашей целью является получение ФП класса и дистанции цели, проинтегрируем обе части формулы (9) по ПРВ курса и скорости цели:
где  - ПРВ курса цели, 1/град;
- ПРВ скорости цели, 1/уз.
opt
opt
Как было сказано выше, если в совместную условную ПРВ (10) в качестве аргументов подставить оценки уровня сигнала  и ВИП , ПРВ становится ФП, зависящей только от класса цели ω и дистанции до нее R, и координаты максимума этой ФП соответствуют оптимальным значениям класса цели ω и дистанции до нее R:
Рассмотрим типовой случай, для которого:
1) гидроакустические условия соответствуют сплошной акустической освещенности в мелком море;
2) рабочий диапазон частот 3-6 кГц;
н
3) курс носителя K=0°;
н
4) скорость носителя V=6 уз;
5) цель обнаружена по пеленгу П=30°;
6) ПРВ курса подводной лодки и надводного корабля  подчинена нормальному распределению с математическим ожиданием, равным обратному пеленгу (т.е. предполагается, что цель идет нам навстречу), и СКО, равным 20°;
7) ПРВ скоростей подводной лодки и надводного корабля  приведены на фиг. 1;
0/ω
ω
8) зависимости приведенной шумности цели от скорости P(V) приведены на фиг. 2;
0/ω
9) СКО измерения уровня сигнала, учитывающая, в том числе, разброс приведенной шумности цели Р(V) и ошибку расчета аномалии, равна 6 дБ;
10) СКО измерения ВИП цели равна 0,01 град/мин.
Совместные условные ПРВ уровня сигнала цели и ВИП цели , соответствующие рассматриваемому случаю, приведены на фиг. 3 и 4. ПРВ на фиг. 3 рассчитана при условии, что цель - подводная лодка и дистанция до нее 9 км. ПРВ на фиг.4 рассчитана при условии, что цель - надводный корабль и дистанция до нее 85 км.
Пусть целью фактически является подводная лодка, находящаяся на дистанции от носителя ШПС 9 км и движущаяся курсом 150°, со скоростью 6 уз. Оценка уровня сигнала этой цели составила , оценка ВИП - . Подставляя эти значения оценок   и  вместо аргументов в ПРВ , получим ФП , зависящую только от класса цели и дистанции до нее. Эта ФП изображена на фиг. 5.
Из рассмотрения графиков на фиг.5 следует, что максимальное значение ФП принимает при классе цели «подводная лодка» (сплошная линия) и дистанции до нее 7,6 км. Т.е. класс определен правильно и ошибка определения дистанции составила 16%, что для пассивного режима приемлемо.
Теперь рассмотрим случай, когда целью фактически является надводный корабль, находящийся на дистанции от носителя ШПС 85 км и движущийся курсом 150°, со скоростью 15 уз. Оценка уровня сигнала этой цели составила , оценка ВИП - . Подставляя эти значения оценок  и  вместо аргументов в ПРВ , получим ФП , зависящую только от класса цели и дистанции до нее. Эта ФП изображена на фиг. 6.
Из рассмотрения графиков на фиг. 6 следует, что максимальное значение ФП принимает при классе цели «надводный корабль» (пунктирная линия) и дистанции до нее 74 км. Т.е. класс определен правильно и ошибка определения дистанции составила 13%, что также приемлемо.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает заявляемый результат, подтвержденный проведенным моделированием.
Источники информации
1. Справочник штурмана. Под ред. В.Д. Шандабылова // Воениздат, 1968.
2. Телятников В.И. Методы и устройства классификации гидроакустических сигналов // Зарубежная радиоэлектроника, 1979, №9, с. 19-38.
3. Телятников В.И. Методы и устройства для определения местоположения источника звука // Зарубежная радиоэлектроника, 1978, №4. С. 66-86.
4. Carter G. С. Passive Ranging Errors due to Receiving Hydrophone Position Uncertainty // JASA, 1979. Vol. 65, №2. P. 528-530.Hassab I.C., Boucher R.E. Passive Ranging Estimation from an Array of Sensors // Journal of Sound and Vibration, 1979. Vol.67, №2. P. 289-292.
5. Hassab I. C. Contact Localization and Motion Analysis in the Ocean Environment: a Perspective // IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1983. Vol.OE-8, №3. P. 136-147.
6. Исак В.А. Измерение дистанции пассивными методами // Морской сборник, 1987. №5. С. 68-70.
7. Картер Дж.К. Обработка сигналов в пассивной гидролокации. В кн. Подводная акустика и обработка сигналов // М.: Мир, 1985. С. 415-421.
8. Quazi А.Н. An Overview on the Time-Delay Estimate in Active and Passive Systems for Target Localization // IEEE Transactions on ASSP, 1987. Vol., 9, №3. P. 527-533.
9. Патент РФ 2128848
10. Blackman S., Popoli R. Design and analyses of modern tracking systems // Ar-tech House, 1999. 1230 p.
11. Гампер Л.Е. О точности методов пассивной гидролокации с разнесенными бортовыми антеннами // "Гидроакустика", 2009, вып. 9, с. 34-42.
12. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы // СПб.: Наука, 2004.
13. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики // Л.: Судостроение, 1978.
14. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем / Пер. с англ. // Л.: Судостроение, 1988.
15. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения // М.: Наука, 1988.
16. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем // М.: Советское радио, 1977.
17. Кендал М, Стьюарт А. Статистические выводы и связи // М.: Наука, 1973.