Способ пассивного определения координат источников гидроакустического излучения
METHOD OF PASSIVE DETERMINATION OF COORDINATES OF HYDROACOUSTIC RADIATION SOURCES

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в пассивной гидролокации в зоне излучения источника с круговым (сферическим, цилиндрическим) волновым фронтом, а также в атмосферной акустике и пассивной радиолокации. В этой области техники актуальной является задача обнаружения и определения координат слабого источника излучения в присутствии сильного мешающего источника.
Известен способ [1, с. 28] пассивного определения направления на источник излучения с подавлением сильного мешающего сигнала в основном пространственном канале (ОК), для чего используется «опорный луч», ориентированный на локальный мешающий источник. Для ориентации суммируют сигналы приемников антенны с введением временных задержек, компенсирующих разность времен распространения сигнала от излучателя к приемникам. Сигналы с сумматора «опорного луча» используют для вычитания (режекции) мешающего сигнала в выходном сигнале каждого приемника ОК. Преимуществом этого способа является подавление мешающего сигнала в основном канале, что обеспечивает повышение выходного отношения сигнал/помеха, обнаружение слабого сигнала и определение его параметров. Недостатком этого способа является то, что для его использования требуется априорное знание не только направления на мешающий сигнал, но и на искомый слабый источник, которое до его обнаружения может быть неизвестно. Другой недостаток в том, что метод предназначен для «очистки» одного пространственного канала и для определения только одной координаты - направления при плосковолновом фронте сигналов. Способ не предусматривает функцию обзора и обнаружения в секторе направлений и интервале дистанций. Определение этим способом всех координат, в том числе дальности до источника в пределах зоны Френеля его поля, невозможно.
j
Известен способ определения направления α на объект [2, с. 255] с использованием антенной решетки из М приемных элементов, расположенной в плосковолновой зоне поля источника, на выходах которых имеет место смесь полезного сигнала и некоррелированной с ним мешающей локальной помехи. Метод приема основан на формировании веера характеристик направленности в окрестностях основного, «очищаемого» направления приема и в направлении на мешающий источник, оценке суммарного помехового сигнала в очищаемом направлении от локальных помех с других направлений α, и режекции (вычитании) его из процесса на выходе обычного устройства формирования характеристики направленности (ФХН). Преимуществом этого способа является повышение отношения сигнал/помеха слабого источника на выходе «очищаемого канала» и точности определения направления на него на фоне распределенной помехи и мешающего локального источника. Метод не требует априорного знания направления на слабый источник. Недостаток этого метода в том, что предназначен для «очистки» одного пространственного канала и для определения только одной координаты - направления при плосковолновом фронте сигналов. Определение этим способом всех координат, в том числе дальности до источника в зоне Френеля его поля, невозможно.
Известен «Способ пассивного определения координат движущегося источника излучения» [3], включающий функцию слежения по двум координатам с обратной связью приемной системой (ПС) из М антенн, М≥3, фокусирование антенн ПС в точку предполагаемого расположения источника - «опорную» точку (ОТ) и двухкоординатный дискриминатор отклонения точки фокусировки от фактического значения координат источника. «Опорную» точку на i-ом цикле получают путем динамического сглаживания последовательности измерений на предыдущих циклах и прогнозирования на текущий цикл известными методами сглаживания последовательностей [4] или рекуррентными методами (например «фильтр Калмана»). Преимущество данного способа в том, что он обеспечивает пассивное определение координат - направления и дальности, автоматическое сопровождение движущегося источника излучения М-антенной приемной системой в зоне Френеля и суммарный выходной сигнал ПС, сфокусированной в точку текущего положения сопровождаемого источника излучения. Недостатки данного способа заключаются в том, что он не обеспечивает функции наблюдения в поле обзора источников, интересующих оператора, а также надежного определения координат слабого источника в присутствии излучения сильного мешающего источника.
пр
ПФ
m
k
н
k
в
min
max
min
max
р
q
m
p
q
m
m
mn
k
mn
mn
m
p
q
m
n
p
q
n
2
2
Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности общих признаков является «Способ пассивного определения координат источников излучения» [3], содержащий прием сигналов с круговым волновым фронтом линейной приемной системой (ПС) из М антенн (М≥3) с N приемниками каждая, расположенных в пространстве известным образом, предварительную обработку включающую: синхронную дискретизацию, цифровое преобразование, циклическое дискретное преобразование Фурье (ПФ) выборок сигналов антенн объемом N в массивы спектральных частотных отсчетов X(ƒ) в полосе приема ƒ≤ƒ≤ƒ, и двухкоординатный индикатор обзора в заданном секторе направлений <α, α> и интервале дальностей <D, D> с дискретной координатной сеткой (КС) <α, D> размером P×Q. Для каждого pq-го узла координатной сетки вычисляют по формулам тригонометрии время распространения сигнала t(α, D, r) к центрам каждой m-й антенны ПС с координатами ее центра r, (m=1, …, М). По выборкам сигналов М антенн определяют (М-М)/2 попарных функций взаимной корреляции (ПВКФ) C(τ) сигналов пар антенн путем определения взаимных спектров плотности мощности (ПВКФ), умножения на коэффициент частотной характеристики h и обратного преобразования Фурье всех ПВКФ и выполняют квадратичное детектирование выходных сигналов каждой антенны. Для каждого pq-го узла координатной сетки суммируют значения попарной взаимной корреляции сигналов всех (М-М)/2 пар антенн путем считывания на шкале задержек τ (с применением интерполяции) значений полученных ПВКФ C(τ) в точках τ=τ(pq)=t(α, D, r) - t(α, D, r) и суммирования их удвоенного значения с результатами квадратичного детектирования сигналов каждой антенны, после чего все полученные суммарные значения для всех pq-x узлов выводят на координатную сетку индикатора. Координаты источников излучения определяют по положению максимумов сигнальных отметок на шкалах α и D координатной сетки индикатора.
Преимущество этого способа в том, что он обеспечивает одновременное наблюдение положения источников в двухкоординатном поле в заданных его границах по направлению и дальности. Недостатком является то, что при наличии в этом поле сильного мешающего источника (МИ) из-за высокого уровня боковых лепестков его сигнальной отметки сигнал слабого источника не наблюдается, не обнаруживается и определение его параметров невозможно.
Задачей изобретения является пассивное определение координат - направления и дальности слабого источника излучения М-антенной приемной системой в зоне Френеля при наличии в поле наблюдения сильного МИ.
Техническим результатом изобретения является обнаружение, наблюдение и определение координат (направления и дальности) местоположения слабого источника в зоне Френеля в присутствии сильного мешающего источника.
пр
mp
k
пр
min
mp
max
р
q
mn
m
p
m
n
p
q
n
k
k
Для обеспечения указанного технического результата в способ пассивного определения координат источников гидроакустического излучения, включающий прием гидроакустических сигналов системой (ПС) из М антенн, М≥3, с N приемниками каждая, расположенными в пространстве известным образом, предварительную обработку (ПО) сигналов приемников, образование на каждой антенне дискретного веера направленных каналов (НК) путем фазирования в направлениях α и суммирования на каждой частоте ƒ сигналов N приемников каждой m-й антенны в секторе обзора α<α<α, (m=1, …, М, p=1, …, Р), и визуализацию на двухкоординатном индикаторе обзора в координатной сетке (КС) <α, D> размером P×Q (q=1, …, Q) с предварительным расчетом взаимной разности времен прихода сигнала к центрам каждой пары m-й и n-й антенн τ(pq)=t(α,Dq,r) - t(α,D, r), введены следующие новые признаки: с выходов ПО приемников каждой из антенн ПС выполняют измерение мешающего сигнала (МИ), путем фокусирования ПС в точку текущего расположения МИ, для чего применяют измерение и автоматическое слежение за изменяющимися координатами МИ, а затем суммирование сфокусированных сигналов приемников ПС, выполняют режекцию выходных сигналов НК каждой антенны ПС от сигнала МИ путем взвешенного вычитания измеренного мешающего сигнала из выходных сигналов НК с весовыми коэффициентами, равными отношению оценки взаимного спектра плотности мощности сигналов каждого НК с сигналом МИ, на каждой частоте ƒ, к оценке спектра плотности мощности сигнала МИ, после чего формируют двухкоординатный индикаторный массив (ИМ) путем суммирования в каждой pq-й его ячейке результатов попарного перемножения на каждой частоте ƒ сигналов с выходов каждого р-го НК m-й антенны на комплексно-сопряженный сигнал р-го НК n-й антенны с компенсацией взаимных разностей времен прихода сигнала из pq-й точки расположения МИ к центрам каждой пары m-й и n-й антенн и выводят его на индикатор, а координаты искомого слабого источника излучения определяют по положению максимума сигнальной отметки, полученной предлагаемым здесь способом, на шкалах α и D координатной сетки индикатора.
mМИ
МИ
mМИ
m
mМИ
МИ
m
m
mМИ
МИ
m
mМИ
МИ
m
При измерении сигнала МИ целесообразно фазировать ПС в точку предполагаемого на данный момент расположения МИ <α, D>, для чего на каждом цикле ПФ все приемники каждой m-й антенны сначала компенсируют традиционным способом, как для плосковолнового поля сигнала на направлениях α и суммируют, получая вектор сигналов М антенн, направленных на МИ, затем вычисляют по формулам тригонометрии время t(α, D, r) распространения сигнала от МИ к центрам каждой антенны ПС с координатами r(m=1, …, М), фазируют в точку <α, D> эти суммарные сигналы М антенн, с коэффициентом компенсации времен t(α, D, r) и суммируют их, получая сфокусированный сигнал ПС из предполагаемой точки расположения МИ.
mМИ
МИ
опi
опi
αi
Di
i
МИ
МИ
i
i
опi
опi
αi
Di
МИ
i
МИ
i
опi+1
опi+1
*
*
Для отслеживания текущих координат точки предполагаемого расположения МИ <α, D>, если она перемещается, может быть использовано фокусирование антенн ПС в предполагаемую на данном i-м цикле ПФ точку расположения МИ <α, D> {«опорную» точку (ОТ), получаемую путем динамического сглаживания [4] измерений по предыдущим циклам ПФ} и оценку величин δ, δ отклонения координат ОТ от неизвестного фактического значения координат МИ, используя выборку сигнала X текущего цикла ПФ и двухкоординатный дискриминатор направления α и дальности D. Определяют оценки α, D, корректируя α, D на величину δ, δ, соответственно, а текущие координаты источника излучения α(t), D(t) на момент i-го цикла и прогноз опорных значений α, D на следующий (i+1)-й цикл определяют по результатам динамического сглаживания [4] последовательностей оценок координат на предыдущих циклах.
αi
Di
mni
k
k
r
s
опi
опi
α
D
mni
r
опi
mni
опi
s
αmnr
Dmns
αmnr
mn
r
опi
Dmns
mn
опi
s
r
s
αi
Di
опi
опi
r
s
2
α
D
Для определения оценок отклонения δ, δ, на i-ом цикле ПФ используют (M-M)/2 нечетных попарных взаимно-корреляционных функций (НВКФ) С' (τ) сигналов m-ых и n-ых антенн (m, n=1, …, М, m<n) на дискретной шкале задержек τ, для чего определяют комплексные частотные элементы взаимного спектра плотности мощности (ВСПМ) каждой mn-й пары антенн i-го цикла, умножают на коэффициент частотной характеристики h и на частоту ƒ, выполняют их осреднение за J циклов ПФ, отдельно для реальной и мнимой части, и выполняют обратное преобразование Фурье. Затем сканируют величины α=α по r=±1, 2, … и D=D по s=±1, 2, … в окрестностях α и D с заданным шагом Δ и Δ соответственно, определяя по формулам тригонометрии в каждой точке сканирования значения τ(α, D) и τ(α, D) соответственно, весовые коэффициенты и w и w, равные производным w=∂τ(α, D)/∂α и w=∂τ(α, D)/∂D соответственно, и выходные значения дискриминаторов z(α) и z(D) соответственно, находят положения нулевых значений  на шкалах α и D соответственно (используя интерполяцию) а отклонения δ и δ, определяют по отстоянию положения нулевых точек  и  от опорных значений α, D на шкалах α=α и D=D соответственно.
α
D
α
D
r
s
τmni
r
опi
mni
опi
s
r
s
αmnr
Dmns
Выходные значения дискриминаторов z(α) и z(D) определяют путем считывания значений  в точках τ=τ=(α, D) и τ=τ=τ(α, D) соответственно (используя интерполяцию), и суммирования их по индексу mn в каждой точке α и D с весовыми коэффициентами w и w соответственно.
ok
ompk
k
oki
oki
н
ompk
mpk
ok
k
ompk
ok
*
*
Для режекции сигнала МИ из выходных сигналов НК целесообразно на каждом i-м цикле ПФ выполнить оценку спектра плотности мощности (СПМ) P сигнала МИ и взаимных спектров плотности мощности (ВСПМ) сигналов каждого НК с сигналом МИ C путем умножения на каждой частоте ƒ сигнала с выхода сумматора МИ y на его сопряженное значение y и затем осреднения за время Т, а измерения ВСПМ C производят путем умножения сигнала с выхода каждого р-го НК m-й антенны y(t) на комплексно-сопряженный сигнал с выхода сумматора МИ y(t) и осреднения за время Режекцию выходных сигналов с сумматоров НК целесообразно выполнить на текущем цикле ПФ путем вычитания сигнала с выхода сумматора МИ из выходных сигналов НК на каждой частоте ƒ с коэффициентом, равным отношению величины ВСПМ сигналов каждого mp-го НК C к величине оценки СПМ сигнала МИ P.
k
k
k
Сигналы НК, «очищенные» от сильной помехи, можно использовать для формирования двухкоординатного индикаторного массива. Например, путем попарного перемножения на i-ом цикле ПФ на каждой частоте ƒ сигналов с выходов каждого p-го НК m-й антенны на комплексно-сопряженный сигнал р-го НК n-й антенны с умножением на коэффициент частотной характеристики h и на коэффициент компенсации разности времен прихода сигнала к центрам m-й и n-й антенн. Затем выполняют суммирование по частоте ƒ (т.е. по k) и по индексу mn для каждого pq-го узла координатной сетки. Затем ИМ накапливают за заданное время Т (заданное число циклов ПФ) и выдают на индикатор, а координаты источника излучения определяют по положению максимума сигнальной отметки, полученной предлагаемым способом, на шкалах α и D координатной сетки индикатора.
mp
р
q
o
o
ok
o
mok
р
ok
o
mok
р
н
пк
k
mok
p
ok
оп
Новизна предлагаемого решения заключается в том, что в известном способе пассивного определения координат источников излучения, содержащем прием сигналов М антеннами, М≥3, предварительную обработку сигналов приемников, образование на каждой антенне дискретного веера направленных каналов (НК) на каждой m-й антенне в направлениях α в секторе обзора и визуализацию на двухкоординатном индикаторе обзора в координатной сетке (КС) <α, D> используют измерение сигнала сильного мешающего источника (МИ), путем слежения за точкой текущего расположения МИ и фокусирования ПС в эту точку <α, D>. Суммарный выходной сигнал измерения МИ используют для режекции мешающего сигнала в основных каналах. Для этого на каждой антенне ПС с выходов сумматора измерения МИ выполняют измерение спектра плотности мощности (СПМ) P(α), а с выходов сумматоров НК антенн измеряют взаимные спектры плотности мощности (ВСПМ) C(α) сигнала с выхода каждого р-го НК m-й антенны с сигналом с выхода сумматора измерения МИ. Сигналы с выходов всех каналов измерения P(α) и C(α) усредняют в течение заданного разработчиком времени накопления T. На каждом i-ом цикле ПФ в каждом из М × N НК на каждой частоте ƒ производят режекцию сигнала сильного МИ путем вычитания его из сигнала с выхода сумматора каждого НК с коэффициентом, равным отношению C(α) к P(α):
k
k
k
Двухкоординатный индикаторный массив организуют путем попарного перемножения на i-ом цикле ПФ и обработки на каждой частоте ƒ сигналов с выходов каждого р-го НК m-й антенны на комплексно-сопряженный сигнал р-го НК n-й антенны с умножением на коэффициент частотной характеристики h и на коэффициент компенсации разности времен прихода сигнала к центрам m-й и n-й антенн и затем суммирования по частоте ƒ (т.е. по k), затем суммирования по индексу mn для каждого pq-го узла координатной сетки:
Затем ИМ накапливают за заданное время Т (заданное число циклов ПФ) и выводят его на индикатор, а координаты источника излучения определяют по положению максимума сигнальной отметки, полученной предлагаемым способом, на шкалах α и D координатной сетки индикатора.
Введение новых признаков обеспечивает пассивное обнаружение, наблюдение и определение координат (направления и дальности) слабого источника излучения М-антенной ПС в зоне Френеля при наличии в поле наблюдения сильного мешающего источника.
а
а
а
а
а
Сущность изобретения поясняется рисунками фиг. 1÷4. На фиг. 1 показана схема устройства пассивного определения координат источника гидроакустического излучения, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 2 - аксонометрическое изображение индикаторного массива при наличии в поле наблюдения двух источников излучения с обработкой по способу прототипа () и по предлагаемому способу (б). На фиг. 3 - индикаторная картина при обработке по способу прототипа () и по предлагаемому способу (б). На фиг 2 и 3: 10 - главный лепесток сигнальной отметки МИ (на фиг. 2б он режектирован), 11 - место расположения сигнальной отметки (СО) источника S (на фиг. 2 и 3 он не наблюдается, подавлен помехой), 12 - поле суммарной помехи (фоновый шум акватории + шум МИ), 13 - поле фонового шума (он виден на фиг. 2б и 3б, т.к. шум МИ режектирован). На фиг. 4 - сечения индикаторного массива: - по направлению α и б - по дальности D при обработке по способу прототипа (верхние графики, с шумом МИ) и по предлагаемому способу (нижние графики, где шум МИ режектирован). Для наглядности графики обработки по прототипу (верхние) и по предлагаемому способу (нижние) приведены на одной шкале и в логарифмическом масштабе.
1
М
пр
МИ
МИ
МИ
ok
o
Устройство (фиг. 1), реализующее заявленный способ содержит: 1 - ПС из М антенн А÷А с N приемниками каждая и с модулями предварительной обработки; 2 - канал измерения МИ, включающий: формирователь 2.1 характеристик направленности (ФХН) антенн ПС в направлении α и фазирование ПС в точку <α, D> и двухкоординатный дискриминатор 2.2 определения и слежения за координатами МИ; 3 - формирователь характеристик направленности вееров НК 8.1÷8.М на каждой антенне, 9.1÷9М - направления на МИ характеристик направленности измерения МИ на каждой антенне; 4 - модуль оценки ВСПМ сигналов с выходов НК с сигналом с выхода измерения МИ; 5 - модуль оценки СПМ сигнала МИ P(α); 6 - модуль режекции сигнала МИ из сигналов НК; 7 - блок формирования индикаторного массива: 7.1 - вычислитель, 7.2 - блок формирования индикаторного массива, 7.3 - индикатор, 7.4 - блок управления.
Реализацию предлагаемого способа пассивного определения координат источника гидроакустического излучения удобно показать на примере работы устройства, схема которого изображена на фиг. 1.
1
М
пр
н
k
в
Приемная система ПС 1 из М антенн (А÷А) по N элементов каждая принимает акустические сигналы, содержащие распределенные шумы акватории и шумы локальных источников излучения, преобразует их в электрические сигналы и подвергает предварительной обработке, включающей: синхронную дискретизацию, цифровое преобразование, циклическое дискретное преобразование Фурье в полосе приема ƒ≤ƒ≤ƒ. Эти сигналы поступают параллельно на входы ФХН МИ 2.1 блока 2 и на блок 3 - формирования вееров ФХН НК на каждой антенне.
МИ
МИ
Блок 2 осуществляет измерение сигнала ПС, сфокусированной в точку расположения сильного МИ, и автоматическое слежение за его координатами (АСК МИ). АСК МИ не подвержен преобразованиям сигналов, производимых далее в НК. Автоматически определяемые и сопровождаемые координаты МИ α, D передаются в блок управления 7.4.
р
min
p
max
В блоке 3 на каждой антенне выполняется формирование вееров ХН НК, каждый из которых скомпенсирован на одно из дискретных направлений α в заданном поле обзора α<α<α.
ok
o
mok
р
н
С выходов блока 2 измерения МИ сигналы ПС, сфокусированной в точку расположения МИ поступают в блок 5 - измерения спектра плотности мощности (СПМ) P(α), в блок 4 измерения взаимных спектров плотности мощности (ВСПМ) C(α) сигналов с выходов каждого р-го НК m-й антенны с сигналом с выхода сумматора МИ с осреднением их за заданное время Т, и в блок 6 - режекции МИ.
k
ok
o
mok
p
С выходов сумматоров ФХН НК блока 3 поступают в блок 4 и в блок 6, где на каждом цикле ПФ выполняют режекцию (на всех частотах ƒ) сигнала МИ из сигналов всех НК всех антенн путем вычитания сигнала МИ с весом P(α)/C(α) из сигналов НК. «Очищенные» таким образом сигналы ПК всех антенн ПС поступают в блок 7, где в 7.2 выполняют формирование индикаторного массива, индикацию 7.3 и определение координат источника по шкалам координатной сетки индикатора и управление 7.4, обеспечивающее назначение некоторой сигнальной отметки (СО) как МИ, сектор поиска в ее окрестностях СО слабых источников и управление параметрами основного канала 3÷7.
Работоспособность предлагаемого способа пассивного определения координат иллюстрирует численный пример, визуальные и количественные результаты которого показаны на рисунках и графиках фиг. 2-4.
В численном примере использованы:
пр
в
в
Количество антенн М=5; Базовый размер ПС В = 60 м (4×15 м); Число приемников в каждой антенне N=20, интервал между приемниками d≈λ/2, где λ - длина волны на верхней частоте диапазона приема.
Координаты МИ: <16°, 6.0 км> ; координаты интересующего слабого источника <18°, 2.2 км>
В точке приема уровень МИ больше уровня S в 6 раз (по напряжению), полоса частот слабого сигнала и МИ 3.0÷8.0 кГц.
s
ф
МИ
ф
Соотношение уровней сигналов (S и МИ) и фоновой распределенной помехи в точке приема: p/p=0.5; р/p=3.
Результат режектирования сильного МИ по предлагаемому способу:
- уменьшение уровня СО сильного МИ и поля его боковых лепестков в ≈22 раза, практически до уровня фоновой помехи (фиг. 2, 3).
- Уменьшение уровня суммарной помехи (фоновой + шум МИ) в секторе наблюдения в ≈25.12 раза (фиг. 4), возможность наблюдения и других слабых источников в этом секторе. Следует подчеркнуть, что блок 2 фиг. 1 автоматического слежения за координатами МИ не подвержен преобразованиям подавления МИ, производимых далее в блоках 3,4 и 6 и выдает неискаженные данные о МИ в блок управления 7.4.
а
- Устойчивое восстановление СО слабого сигнала интересующего источника на индикаторе и определение его координат: фиг. 4 - направления, 4б - дальности, нижние графики.
Использованные источники
1. Г.С. Малышкин. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Том 1. Сс. 33-43. СПб, ОАО «Концерн «Электроприбор». 2011.
2. Способ пассивного определения координат движущегося источника излучения. Патент №2507831. Россия. ОАО «Концерн «Океанприбор». МПК J01S 3/80. Дата регистрации 29.06.2017 г.
3. Способ пассивного определения координат источников излучения. Патент №2507531. Россия. ОАО «Концерн «Океанприбор». МПК G01S 3/80. Приоритет 08.11.2012, зарегистрирован 20.02.14 г.
4. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. М.: Сов. радио. 1967.