СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КЛАССИФИКАЦИИ
METHOD FOR AUTOMATIC CLASSIFICATION

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем автоматической и автоматизированной классификации морских объектов применительно к гидролокационным станциям ближнего действия.
Известны способы обнаружения и классификации эхосигнала, основанные на приеме эхосигнала гидролокатора на фоне шумов и помех в среде, преобразовании акустического сигнала в электрический гидроакустической антенной, определении энергетического спектра электрического процесса на выходе гидроакустической антенны, представляющего собой смесь электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, изложенные, например, в работе Евтютов Е.С. и Митько В.Б. "Примеры инженерных расчетов в гидроакустике", Судостроение, 1981 г., с.77. Способы содержат спектральный анализ этого процесса, детектирование спектральных составляющих, интегрирование огибающей процесса и обнаружение сигнала при сравнении с порогом. При этом в качестве классификационного признака эхосигнала выбирается превышение уровня эхосигнала над уровнем помехи. Классификация осуществляется на классы эхосигнал и помеха. Похожий метод реализован в работе Яковлев А.Н. Каблов Г.П. «Гидролокаторы ближнего действия». Л.: Судостроение, 1983 г.
Аналогичный способ обнаружения эхосигнала изложен в книге B.C.Бурдик. «Анализ гидроакустических систем». Судостроение, 1988 г., стр.347, и содержит многоканальную по частоте фильтрацию, детектирование, выделение огибающей и сравнение с порогом.
Подобный способ приведен в "Справочнике по гидроакустике", Судостроение, 1988 г., стр.27. При этом под спектральным анализом понимают, как правило, полосовую фильтрацию, выделяющую основную энергию электрического процесса. При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса. «Применение цифровой обработки сигналов», М.: Мир, 1990 г., стр.296.
Решение о наличии эхосигнала от цели принимается при превышении порога и по смещению спектра цели относительно спектра излученного сигнала. По величине смещения спектра классифицируется цель на классы: подвижная и неподвижная. Этот способ применим в системах с использованием длительных зондирующих сигналов и не может быть использован при применении зондирующих сигналов с короткой длительностью. В гидролокаторах освещения ближней обстановки, как правило, используются сигналы короткой длительности, и для классификации может быть использована информация, которая предоставляется эхосигналами на основании пространственных и временных особенностей классифицируемых объектов.
По количеству общих признаков наиболее близким аналогом к предлагаемому способу является способ классификации, реализованный в аппаратуре рыбопоискового гидролокатора «Угорь», имеющий режим одновременного кругового обзора, который также может классифицировать эхосигнал и помеху на фоне нормального стационарного шума, но автоматически классифицировать обнаруженные объекты не может (Тикунов А.И. «Рыбопоисковые приборы и комплексы», Л.: Судостроение, 1989 г., стр. 140-153).
В состав гидролокатора входит:
- приемная и излучающая гидроакустическая антенна,
- коммутатор приема передачи,
- генераторное устройство,
- тракт приема, включающий аппаратуру обработки принятых сигналов и пульт управления с электронным индикатором.
В рассматриваемом гидролокаторе «Угорь» фактически реализован следующий способ обнаружения и классификации:
- в режиме одновременного кругового обзора антенна не направленно излучает акустические зондирующие сигналы в горизонтальной плоскости;
- в режиме приема осуществляется электронное круговое сканирование диаграммы направленности в горизонтальной плоскости;
- прием сигнала в каждом направлении;
- обработка сигнала в каждом направлении и детектирование огибающей;
- вывод информации на дисплей;
- принятие решения о наличии эхосигнала от цели при превышении порога, определяемого помехой.
Таким образом, классификационным признаком эхосигнала является превышение уровня эхосигнала над уровнем помехи.
Недостатком рассматриваемого способа является невозможность классификации обнаруженных целей. Классификация обнаруженной информации как эхосигнал производится либо оператором по информации, предоставляемой на индикаторе, либо при сравнении амплитуды эхосигнала с порогом в направлении цели в соответствии с выбранными критериями относительно нормальной стационарной помехи. Таким образом, классификация осуществляется на классы эхосигнал и помеха.
Техническим результатом изобретения является обеспечение автоматической классификации целей.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известный способ, содержащий излучение ненаправленного сигнала, прием эхосигнала в смеси с помехой, согласованную фильтрацию, детектирование эхосигнала, индикацию, дополнительно внесены новые операции, а именно:
прием сигнала осуществляют статическим веером характеристик направленности, производят дискретизацию принятого сигнала, запоминают все принятые отсчеты, обработку информации в характеристиках направленности производят последовательно по мере поступления входной информации, производят определение уровня помехи как результат суммирования всех отсчетов по первому циклу приема по всем пространственным каналам, вычисляют порог обнаружения по среднему значению всех отсчетов, измеренных в первом цикле приема по всем пространственным каналам, производят автоматическое обнаружение превышения эхосигналом выбранного порога обнаружения последовательно по всем пространственным каналам статического веера характеристик направленности, измеряют и запоминают амплитуды и номера отсчетов сигналов, превысивших порог обнаружения, измеряют и запоминают номера пространственных каналов, в которых произошло превышение порога обнаружения, выбирают пространственный канал, имеющий максимальную амплитуду принятого сигнала, измеряют радиальную протяженность объекта в пространственном канале, имеющем максимальную амплитуду, по количеству отсчетов, превысивших порог обнаружения, измеряют угловую протяженность объекта по числу пространственных каналов, в которых обнаружено превышение порога обнаружения в отсчетах, имеющих одинаковые номера, и если количество пространственных каналов, в которых обнаружен эхосигнал с одинаковыми номерами отсчета, не больше 2-х, а радиальная протяженность объекта в канале с максимальной амплитудой меньше заданного порога радиальной протяженности крупноразмерной цели, то объект автоматически классифицируют как малоразмерную цель, если количество пространственных каналов, в которых обнаружен эхосигнал с одинаковыми номерами отсчетов, больше 2-х, и радиальная протяженность в канале с максимальной амплитудой больше заданного порога радиальной протяженности крупноразмерной цели, то объект автоматически классифицируют как крупноразмерную цель.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Объекты, которые могут быть обнаружены гидролокатором ближнего действия, имеют различные физические характеристики. Это могут быть протяженные объекты как по длине, так и по угловой протяженности. В этом случае должны быть приняты меры для измерения временных и пространственных акустических характеристик, которые отображаются в параметрах отраженного эхосигнала. Кроме того, объекты могут находиться на поверхности, или быть погружены на различную глубину, или находиться на дне. Эхосигналы от этих объектов будут различаться по своим энергетическим характеристикам и наличием сопутствующей особенности массива отраженного эхосигнала. Для определения требуемых характеристик эхосигналов применяются пространственные методы обнаружения эхосигнала с использованием многоканального приема эхосигнала статическим веером характеристик направленности. Для автоматического обнаружения эхосигнала используется стандартная процедура сравнения эхосигнала с порогом, но особенностью определения величины порога является измерение уровня помехи по результату суммирования всех отсчетов, которые обнаружились при обработке всех отсчетов первого набора дискретизированных отсчетов во всех характеристиках направленности, что позволяет впоследствии обнаруживать эхосигнал при данном цикле излучение - прием.
Обработка эхосигнала начинается почти сразу же после окончания излучения. На вход приемной системы поступают дискретизированные отсчеты с выхода антенны последовательно по всем каналам. В это время еще действует на входе нестационарный процесс, обусловленный реверберацией после излучения зондирующего сигнала. При использовании длинных зондирующих сигналов применение такого метода определения помехи не целесообразно, поскольку длинные зондирующие сигналы образуют длительную по времени реверберацию, что исключает достоверность измерения помехи, образует значительную по времени мертвую зону. В этой ситуации помеху измеряют после окончания цикла излучение - прием, что требует дополнительного времени, или до начала излучения, что требует некоторой алгоритмической подготовки. При излучении коротких зондирующих сигналов, на которых базируется работа гидролокаторов ближнего действия, реверберация после звучания является короткой и не превышает длительности переходного процесса, связанного с переходом антенны с излучения на прием. После измерения следует процедура обнаружения эхосигнала, которая производится последовательно по всем каналам. Определяются значения эхосигнала, которые превысили порог, оценивается амплитуда эхосигнала, временное положение эхосигнала и пространственное положение эхосигнала. Сигнал от объекта всегда находится в нескольких пространственных каналах, поскольку характеристики направленности перекрываются и сама угловая протяженность объекта может быть значительной. Число пространственных каналов, в которых произошло обнаружение объекта, является классификационным признаком. Для малоразмерной цели (бочки, буи, небольшие лодки или катера) число каналов не превышает 2-х. Для крупноразмерной цели число каналов больше 2-х. При этом для принятия решения необходимо знать амплитуду эхосигнала, поскольку для малоразмерной цели типа бочки, типа затопленной шлюпки эквивалентный радиус имеет небольшое значение, поэтому и эхосигнал имеет амплитуду значительно меньше, чем эхосигналы от других объектов. Для надводных и подводных кораблей эквивалентный радиус имеет более существенное значение, и поэтому амплитуда эхосигнала будет существенной величиной. Из этого следует, что измерение амплитуды необходимо производить в определенном пространственном интервале, которое определяет радиальную протяженность цели каждого из классов. При этом акустическая радиальная протяженность цели будет для малоразмерной цели и для крупноразмерной цели различной. Таким образом, проведенные измерения позволят классифицировать несколько классов целей по измеренным амплитуде, измеренной угловой протяженности и измеренной радиальной протяженности. Сопоставляя результаты измерений, проведенных достоверно и в определенной последовательности, выносится решение о классе обнаруженной цели.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ автоматической классификации.
Предлагаемое устройство содержит задающий генератор 1, который соединен с антенной 2-1 и коммутатором 2-2 приема - передачи, а второй выход задающего генератора 1 соединен со входом блока 4 процессора управления задачами классификации. Выход антенны 2-1 и коммутатора 2-2 соединен с многоканальным приемным устройством 3 обработки принятой информации, которое производит цифровое преобразование принятого сигнала и цифровую оптимальную обработку входного сигнала. Устройство 3 связано двухсторонней связью с процессором 4 управления задачами классификации, а выход с односторонней связью соединен с первым входом блока 7 обнаружения сигнала и измерения пороговых сигналов. Первый выход процессора 4 через блок 5 выбора порогов соединен со вторым входом блока 7 обнаружения сигналов и измерения пороговых сигналов, а второй выход с двухсторонней связью непосредственно соединен с блоком 7. Первый выход блока 7 соединен через блок 6 памяти амплитуд отсчетов в каналах с первым входом блока 10 принятия решения и далее с индикатором 11. Второй выход блока 7 через блок 8 измерения радиальной протяженности соединен со вторым входом блока 10 принятия решения. Третий выход блока 7 через блок 9 измерения угловой протяженности соединен с третьим входом блока 10 принятия решения. Четвертый вход блока принятия решения 10 соединен с выходом блока 12, который содержит пороги объектов.
Реализацию способа целесообразно рассмотреть с работой реализующего его устройства. Задающий генератор 1 формирует и усиливает зондирующий сигнал и через коммутатор 2-2 и антенну 2-1 излучает в водное пространство ненаправленный сигнал. После излучения сигнала коммутатор 2-2 переключается на прием входных эхосигналов и передает их в цифровое многоканальное приемное устройство 3 и процессор 4 обработки. В устройстве 3 происходит дискретизация принятых аналоговых сигналов последовательно по всем характеристикам направленности в цифровую форму, набор временных реализаций, фильтрация и оптимальная обработка принятых сигналов спецпроцессорами обработки. Принципы цифрового преобразования и обработки достаточно подробно приведены в работе Рокотов С.П. Титов М.С. «Обработка гидроакустической информации на судовых ЦВМ», Л.: Судостроение, 1979 г., стр. 32-42, и «Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма, М.: Мир, 1980 г., стр.389-436. Управление работой устройства 3 осуществляется процессором 4, который определяет последовательность формирования характеристик направленности, длительности набора входной информации и порядок их передачи в блок 7 обнаружения и измерения пороговых сигналов. Кроме того, процессор отбирает входные отсчеты по первому циклу обработки всех характеристик направленности и формирует порог обнаружения, который поступает в блок 7 и с ним происходит сравнение всех отсчетов входной выборки по всем характеристикам направленности. В блоке 7 происходит обнаружение всех сигналов, превысивших порог обнаружения, измерение их амплитуды, определение номера временного отсчета сигнала, превысившего порог обнаружения, и определение номера пространственного канала, в котором он обнаружен. В блок 6 поступают максимальные амплитуды сигналов по каждой характеристике направленности. В блок 8 поступают оценки радиальной протяженности эхосигналов во всех каналах, измеренных по уровню относительно уровня самой максимальной амплитуды. В блок 9 поступают временные реализации тех эхосигналов, амплитуды которых превысили порог обнаружения, имеют одинаковые временные отсчеты в соседних пространственных каналах. В блоке 10 принятия решения осуществляется идентификация временных отсчетов с временными отсчетами, амплитуды которых превысили порог обнаружения в временных интервалах положения эхосигналов по соседним пространственным каналам. В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют электрический сигнал на выходе антенны в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную обработку и обнаружение сигнала, а также измерение амплитуд эхосигналов, определение радиальной и угловой протяженности и принятие решения о цели. Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в книге «Применение цифровой обработки сигналов» п/р Оппенгейма, М.: Мир, 1980 г., Л.Рабинер, Б.Гоулд, «Теория и применение цифровой обработки сигналов», М.: Мир, 1978 г. Существующие программы цифровой обработки с использованием современного математического обеспечения позволяют реализовать предлагаемые процедуры автоматической классификации практически на любом современном компьютере.
Блок принятия решения 10 соединен с блоком 12, который содержит пороги объектов классификации.
Автоматическое решение о классе цели принимается при выполнении следующих условий.
Если количество пространственных каналов, в которых обнаружен эхосигнал, меньше или равно 2, а радиальная протяженность эхосигнала в канале с максимальной амплитудой меньше порога крупноразмерной цели, то принимается решение об обнаружении малоразмерной цели. Если количество пространственных каналов, в которых обнаружен эхосигнал в фиксированном временном интервале, больше 2-х, но меньше 5 и радиальная протяженность в канале с максимальной амплитудой больше заданного порога крупноразмерной цели, то принимается решение, что цель крупноразмерная.
Таким образом, используя предлагаемую последовательность операций, можно обеспечить автоматическую классификации обнаруженных объектов, что обеспечивает решение поставленной задачи.