Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морских объектов
METHOD OF CLASSIFICATION OF HYDRO ACOUSTIC SIGNALS OF MARINE OBJECTS NOISE EMISSION

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для распознавания объектов по их шумоизлучению в системах классификации.
Известны методы обнаружения и классификации целей по анализу особенностей их шумоизлучения, где используют признаки, основанные на особенностях спектрального состава сигнала, так называемого "портрета". (В.С. Бурдик "Анализ гидроакустических систем" Ленинград Судостроение 1988 г. стр. 322). Более подробно акустические "портреты" рассмотрены в работе Л.Л. Мясников, Е.Н. Мясникова "Автоматическое распознавание звуковых образов". Ленинград. Энергия, стр. 50. 1970 г. Классификация с использованием портретов основана на том, что сравнивается эталонный частотный спектр, принадлежащий известному источнику шумоизлучения со спектром обнаруженного источника. Недостатком такого способа является необходимость иметь эталонные спектры всех источников шумоизлучения, что практически невозможно. Кроме того, спектральные портреты зависят от скорости движения объекта шумоизлучения.
Известен способ классификации, описанный в работе (В.В. Деев и др. "Анализ информации оператором - гидроакустиком", Ленинград Судостроение 1989 г. стр. 111), который содержит прием сигналов шумоизлучения шумящего объекта приемной антенной, вычисление оценки комплексного спектра принятых сигналов шумоизлучения, анализ спектрального состава, выделение дискретных составляющих, построение звукорядов, принятие решения о классе шумящего объекта по особенностям спектрального состава принятых сигналов шумоизлучения.
Однако для современных объектов характерно уменьшение числа дискретных составляющих, в результате чего дискретные структуры спектров становятся малоинформативными, что делает классификацию по дискретным составляющим неэффективной.
Известен способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морских объектов по патенту РФ №2546851, при котором прием сигнала шумоизлучения цели производят двумя половинами характеристики направленности одной антенны (двумя полуантеннами), определяют сигнал суммы и сигнал разности этих полуантенн, определяют спектра сигнала и выделение дискретных составляющих по суммарному сигналу, с выхода каждой полуантенны, сигнал преобразуют в цифровой вид и последовательными во времени наборами передают на обработку, проводят спектральный анализ каждой временной реализации на выходе каждой полуантенны на основе преобразования Фурье, определяют энергетический спектр сигнала шумоизлучения каждой временной реализации каждой полуантенны, суммируют спектры обеих полуантенн, накапливают и сглаживают суммарные спектры последовательности временных реализаций, определяют спектр разности спектров двух полуантенн, накапливают спектры разности спектров от двух полуантенн последовательности временных реализаций, определяют спектр сигнала как разность накопленной суммы спектров и накопленной разности спектров от двух полуантенн, определяют порог обнаружения, проводят анализ полученного спектра сигналов, а о наличии дискретных составляющих судят по превышению порога обнаружения отдельными частотами спектра мощности шумоизлучения морского объекта.
Недостатком данного способа является то, что при классификации используются оценки дискретных составляющих в спектре, которые наблюдаются у реальных источников шумоизлучения таких как, например НК и ПЛ, но этот способ не позволяет классифицировать сигналы шумоизлучения источников биоакустики, которые не содержат дискретные составляющие в спектре своего шумоизлучения.
Задачей изобретения является обеспечение возможности классификации сигналов шумоизлучения источников биоакустики.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности классификации источников шумоизлучения не имеющих дискретных составляющих в своем составе, спектр которых случаен.
СПi
Mi
СПi
Заявленный технический результат достигается тем, что в способ классификации шумоизлучения морских объектов, при котором прием сигнала шумоизлучения цели производят двумя половинами характеристики направленности одной антенны (двумя полуантеннами), преобразуют сигналы с выхода каждой полуантенны в цифровой вид, последовательными во времени наборами передают на обработку, проводят на основе преобразования Фурье спектральный анализ каждой временной реализации, определяют энергетический спектр сигнала шумоизлучения по суммарному сигналу полуантенн, а помеху по разностному сигналу полуантенн, определяют отношения сигнал/помеха во всем частотном диапазоне введены новые признаки а именно: определяют энергетический спектр сигнала и помехи в частотном диапазоне шумопеленгаторной гидроакустической станции, подразделяют этот частотный диапазон на три, первый из которых включает частоты ниже частот, излучаемых биологическими подводными объектами, в каждом частотном диапазоне определяют спектр сигнала и спектр помехи, и производят определение отношения сигнал/помеха, повторяют определение отношения сигнал/помеха по последовательным во времени наборам N входной реализации, определяют среднее значение отношения сигнал/помеха M по каждому частотному диапазону, где i - номер частотного диапазона, по каждому частотному диапазону определяют среднеквадратическое отклонение CКО от среднего значения M, а решения в пользу отсутствия сигнала шумоизлучения реальной цели принимают: если СКОм1<П1, где П1 порог в первом частотном диапазоне для реальных объектов, среднеквадратическое отклонение отношения сигнал/помеха во втором частотном диапазоне СКОм2>П2, где П2 порог во втором частотном диапазоне для реальных объектов, среднеквадратическое отклонение отношения сигнал/помеха в третьем частотном диапазоне СКОм3>П3, где П3 порог в третьем частотном диапазоне для реальных объектов, и разность средних значений отношения сигнал/помеха второго и третьего частотного диапазона (Мсп2 - Мсп3)<П4, где П4 порог, определяемый разностью средних значений отношений сигнал/помеха второго и третьего частотного диапазона для реальных объектов, при этом пороги П1, П2, П3, П4 измеряются заранее при обнаружении реальных сигналов шумоизлучения известных реальных объектов по вышеизложенной процедуре в выбранных частотных диапазонах.
Поясним сущность предлагаемого технического решения.
При работе системы шумопеленгования в реальных условиях возникают ситуации, когда одновременно с приемом сигнала шумоизлучения реальных объектов на вход антенны обнаружения поступают сигналы неизвестного происхождения, которые являются звуковыми сигналами различных обитателей морских глубин. В работе В.Н Таволга «Морская биоакустика». Судостроение. Л. 1969 г. представлен большой объем исследований по характеру сигналов шумоизлучения, принадлежащих морской биоакустике. Как правило, частотные спектры шумоизлучения морской биоакустики совпадают с диапазоном частот работы станций шумопеленгования, что приводит к искажению достоверности обнаружения сигналов шумоизлучения реальных объектов. Поэтому при работе в таких условиях возникает задача автоматического определения сигналов шумоизлучения, которые не принадлежат реальным объектам. Предлагаемая процедура классификации относится, прежде всего, к сигналам шумоизлучения морской биоакустики. Основная особенность этих сигналов состоит в том, что сигналы возникают случайно, в случайном направлении, имеют случайную продолжительность, иногда даже большой длительности и так же случайно пропадают. Поэтому исходными параметрами для классификации таких источников шумоизлучения можно выбрать определенные свойства сигналов шумоизлучения, которые принадлежат известным реальным объектам. К таким параметрам относится, прежде всего, частотные диапазоны, в которых производится обработка сигнала шумоизлучения известных реальных объектов. К таким реальным объектам (Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. - Л.: Судостроение. 1981.) относятся шумоизлучения надводного корабля, подводной лодки, торпеды, полученные при статистической обработки реальных спектров шумоизлучения в районе действия источников биоакустики. Источники сигналов морской биоакустики не имеют возможности излучать звуки на низкой частоте и поэтому частотный диапазон их излучения существенно выше и спектр излучаемого сигнала не равномерный. К примеру спектр шумоизлучения реальных объектов в диапазоне частот работы станций шумопеленгования имеет спадающий характер с законом спада 6 дБ на октаву (Евтютов А.П., Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. - Л.: Судостроение. 1981. 265 с). Следовательно, разность средних значений уровней сигналов шумоизлучения морской биоакустики и шумоизлучения реальных объектов в соседних частотных диапазонах отличаются, поскольку для сигнала шумоизлучения биоакустики спектр случайный, а для реальных объектов детерминированный. Кроме того, к особенностям шумоизлучения морской биоакустики относится изменчивость во времени по уровню принимаемого суммарного сигнала, что связано, прежде всего, с различным положением по дистанции и по направлению исходных источников. Как правило, достаточный мешающий принимаемый уровень может быть создан при одновременном излучении большого числа излучателей источников морской биоакустики, которые имеют некоторое случайное компактное положение и одновременное излучение, что является событием случайным. Поэтому принимаемый уровень шумоизлучения этих сигналов имеет большой разброс по пространству, по дальности, по уровню и по частоте, что сказывается на их статистических характеристиках. Сигнал шумоизлучения реальных объектов более стабилен в конкретных частотных диапазонах, что объясняется стабильной работой механизмов и равномерным прямолинейным движением этих объектов с постоянной скоростью. В качестве таких статистических характеристик можно выбрать среднее значение отношения сигнал/помеха в частотных диапазонах. Измерение отношения сигнал/помеха в прототипе производится применительно ко всему частотному диапазону, что не позволяет выделить классификационные признаки шумов биоакустики. Поэтому предлагается измерять отношение сигнал/помеха в разных частотных диапазонах одновременно, в каждом частотном диапазоне определять среднее значение отношения сигнал/помеха по последовательным временным наборам одновременно в нескольких частотных диапазонах. В этих же частотных диапазонах определять среднеквадратическое отклонение отношения сигнал/помеха от среднего значения по выборке определения среднего значения. Частотные диапазоны для реальных сигналов известны, и поэтому измерить отношение сигнал/помеха не представляет технических трудностей, но проводить измерение необходимо одновременно во всех частотных диапазонах. Объем выборки, который определяет количество измерений для определения среднего значения, должен быть связан со временем накопления, выбранным для задач обнаружения. Это объясняется тем, что все пороги устанавливаются при работе по реальным сигналам. По этой выборке определяется среднеквадратическое отклонение полученных измерений отношения сигнал/помеха относительно среднего значения, что отражает изменчивость структуры исходного шумоизлучения. Результатом классификации является принятие решения при сравнении измеренных значений с порогами, которые известны и вводятся при работе в этих же частотных диапазонах по шумоизлучению реальных объектов. Разность средних значений второго и третьего частотного диапазона (Мсп2 - Мсп3)<П4 говорит о том, что средние уровни источников шумоизлучения биоакустики в этих диапазонах мало изменяются по сравнению с изменениями средних уровней шумоизлучения реальных источников. С другой стороны изменчивость среднего значения второго частотного СКОм2>П2 и изменчивость среднего значения третьего частотного СКОм3>П3 существенно отличаются от изменчивости средних значений шумоизлучения реальных объектов. Особо стоит остановиться на первом частотном диапазоне, в котором СКОм1<П1. В низкочастотном диапазоне источники шумоизлучения биоакустики практически отсутствуют, поскольку для создания сигналов в низкочастотном диапазоне у них нет физической возможности. В этом диапазоне, как правило, принимаются сигналы шумоизлучения дальних объектов, которые имеют стабильные статистические характеристики, либо собственный уровень шумоизлучения, который также стабилен, хотя среднее значение уровня шумоизлучения в первом частотном диапазоне может принимать различное значения в зависимости от окружающей обстановки.
Именно поэтому анализ отличий статистических характеристик значений отношений сигнал/помеха в разнесенных частотных диапазонах шумопеленгования, измеренных в одно и то же время, позволит классифицировать гидроакустические сигналы шумоизлучения источников биоакустики.
Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морских объектов.
Предлагаемый способ технически реализуется аппаратно-программными средствами по структурной схеме, приведенной на фиг. 1,
Структурная схема включает: антенну 1, состоящую из двух половин полуантенн 2 А1 и 3 А2. каждая из которых соединена со спецпроцессором 4, в состав которого входят блок 5 БПФ, соединенный с полуантенной 2 А1 и блок 6 БПФ, соединенный с полуантенной 3 А2. Первый выход блока 5 последовательно соединен с блоком 7 формирования сигнала, блоком 9 полосовой фильтрации, первым входом блока 11 расчета отношения сигнал/помеха, блоком 12 определения среднего значения и СКО, блока 13 принятия решения и блока 14 отображения и управления. Выход блока 3 А2 соединен через первый выход блока 6 БПФ, через блок 8 формирования сигнала помехи и блок 10 полосовой фильтрации со вторым входом блока 11 расчета отношения сигнал/помеха. Второй выход блока 5 БПФ соединен со вторым входом блока 8 формирования помехи, а второй выход блока 6 БПФ соединен со вторым входом блока 7 формирования сигнала. На второй выход блока 13 принятия решения поступает сигнал из блока 15 пороговых величин.
С помощью предлагаемого устройства реализация способа происходит следующим образом. Антенна 1 принимает сигнал выбранной цели двумя половинками 2 А1 и 3 А2. Выход каждой половинки соединен со своим блоком 5 и 6 спектрального анализа на основе метода БПФ, которые входят в состав спецпроцессора 4. С выхода блока 5 выделенные спектры поступают на вход блока 7 формирования энергии сигнала, на второй вход которого поступает спектр сигнала со второй половинки с выхода блока 6. Для формирования помехи спектр с выхода блока 6 подается на вход блока 8 формирования энергии помехи, на второй вход которого поступает спектр сигнала с блока 5. Это известная процедура, которая реализована в прототипе. Далее в блоке 9 происходит полосовая фильтрация спектра сигнала для формирования необходимых частотных диапазонов, а в блоке 10 полосовая фильтрация помехи в тех же частотных диапазонах. Количество частотных диапазонов и ширина их полосы определяется спектром шумоизлучения реальных объектов, которые имеют стабильный спадающий характер с законом спада 6 дБ на октаву (Евтютов А.П., Митько В.Б. «Примеры инженерных расчетов в гидроакустике». - Л.: Судостроение. 1981. 265 с). Спектры сигнала и помехи, выделенные в частотных диапазонах, поступают в блок 11 расчета отношения сигнал/помехи. Такая процедура определения сигнала и помехи и отношения сигнал/помехи, является известной и используется в прототипе. В типовых гидроакустических системах шумопеленгования (Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. «Корабельная гидроакустическая техника». СПб. Наука. 2004 г) так же используются измерения отношения сигнал/помеха. Измеренные значения отношения сигнал/помеха по последовательным временным реализациям поступают в блок 12 для определения среднего значения отношения сигнал/помехи в выбранных частотных диапазонах и определения среднеквадратического отклонения по измеренной выборки. Это известные типовые операции при определении статистических оценок измеренных параметров сигнала шумоизлучения. Для качественного решения задач обработки гидроакустической информации в современных корабельных гидроакустических средствах (станциях) используются спецпроцессоры на основе ЦВС, обладающие высокой производительностью, функциональной надежностью и малыми габаритами. С использованием специального алгоритмического и программного обеспечения спецпроцессорами могут решаться все задачи формирования и обработки принимаемых гидроакустических сигналов, в том числе для измерения параметров сигнала шумоизлучения (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб, изд. «Наука», 2004 г. Стр. 281). Измеренные статистические оценки отношений сигнал/помеха поступают в блок принятия решения 13, на второй вход которого подаются пороговые величины, которые определяются в процессе предварительной работы по реальным объектам шумоизлучения конкретной станцией шумопеленгования. Результаты принятия решения отображаются в блоке 14.
Таким образом, поставленная задача определения сигналов шумоизлучения, вызванная случайными шумовыми сигналами биоакустики, решена с использованием статистических оценок измерений отношения сигнал/помеха в частотных диапазонах.