Способ классификации шумоизлучения морского объекта
METHOD FOR CLASSIFYING NOISE EMISSION OF A MARINE OBJECT

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в задачах определения класса объекта при разработке гидроакустических систем с гибкими протяженными буксируемыми антеннами.
Гидроакустические станции (ГАС) с гибкими протяженными буксируемыми антеннами (ГПБА) играют заметную роль в гидроакустическом вооружении подводных лодок (ПЛ) и надводных кораблей (НК).
Удаление приемной антенны (ГПБА) от шумящего корпуса носителя существенно снижает уровень его шума, воздействующего на антенну. Удаление может составлять до 1 км. В результате уровень помех на ГПБА от корабля-носителя снижается до уровня шумов моря. (История и перспективы развития гидроакустических станций с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. А.И. Машошин. «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» Морская радиоэлектроника №2 (64) июнь 2018 г. с. 2-3).
Надо отметить, что при буксировке антенны кораблем-носителем даже малые рыскания корабля-носителя вызывают отклонение антенны от прямолинейной формы, а на курс и скорость корабля влияет множество природных факторов и факторов, зависящих от тактической задачи, в которой происходит буксировка антенны, в частности от маневра корабля, когда буксируемая антенна претерпевает значительные искривления.
Все это приводит к возникновению амплитудной модуляции (AM) собственного шума корабля-носителем при буксировке ГПБА.
В статье «Исследование поведения ГПБА штатной буксируемой части гидроакустической станции для надводных кораблей» А.В. Желтаков, Д.В. Кокорин, И.Л. Рубанов, С.А. Семенова, научно-технический сборник Гидроакустика вып. 24(4) СПб: АО «Концерн «Океанприбор», 2015 г, стр. 84-90 приведены некоторые результаты оценки поведения ГПБА, полученные от блока системы ориентации (СО) и корабля-носителя в процессе движения буксируемой части станции (БЧС) гидроакустической станции (ГАС).
По анализу временной зависимости изменения угла дифферента ГПБА совместно с результатами измерения глубины погружения ГПБА в статье делается вывод, что при буксировке на одной глубине с точностью до 1 м дифферент менялся в пределах ±2-3 от некоего среднего значения, т.е. имеет место некоторый синусоидальный процесс в вертикальной плоскости. Отмечается, что различия в изменениях курсов корабля-носителя и ГПБА могут быть связаны с динамикой поведения корабля-носителя, в частности - рысканья, передаваемого на антенну.
В системах, использующих методы классификации на основе анализа параметров AM подводного шумоизлучения морских объектов, могут быть определены: тип судна, его водоизмещение, количество лопастей гребных винтов, скорость хода, факт изменения курса либо скорости судна. (Кудрявцев А.А, Лугинец К.П. Машошин А.И. «Об амплитудной модуляции подводного шумоизлучения, гражданских судов», Акустический журнал, 2003 г., т. 49, №2., стр. 224-228.
В качестве классификационных признаков в статье рассматриваются два вида модуляции подводных шумов морских судов:
• вально-лопастная модуляция (ВЛМ), обусловленная кавитацией, возникающей на гребном винте на сверхкритической скорости, и вибрацией корпуса судна с частотой вращения гребного винта;
• модуляция качкой (МК), обусловленная качкой судна на волнении и, как следствие, периодические изменения погруженной в воду части судна.
В качестве дополнительного признака может быть представлен признак, связанный с модуляцией шума обтекания корпуса ПЛ при поддержании ее курса на заданной глубине или при маневрировании в вертикальной плоскости, т.е. при изменении глубины погружения на постоянном курсе.
Наиболее близким к предлагаемому способу по количеству общих признаков является способ классификации, описанный в статье А.И. Машошина «Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов» Акустически журнал, 2013 г, том 59, №3, с. 347-358.
Способ-прототип содержит следующие операции:
• прием антенной сигналов шумоизлучения морского объекта;
н,
в
• выбор полосы частот шума, где f, f- нижняя и верхняя частоты полосы шума, в которой выделяется амплитудная модуляция (AM) из спектра модулированного шума объекта;
• выделение амплитудной огибающей (АО), для чего используют амплитудный детектор (двухполупериодный линейный детектор);
• ограничение диапазона частот огибающей, в которой содержится дискретный спектр вально-лопастной модуляции (ВЛМ) и модуляции качкой (МК) с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ);
влзр
мк
• вычисление энергетического спектра АО с помощью спектроанализатора. (обнаружение в накопленном спектре АО дискретных составляющих (ДС) вально-лопастного звукоряда (ВЛЗР) - ДС и ДС - модуляции качкой и измерение их параметров).
Недостатком этого способа является то, что в нем не учитывается влияние поведения ГПБА при буксировке, проявляющееся в модуляции шума буксировки антенны, которая складываясь с модуляцией шумоизлучения обнаруженного объекта, будет искажать реальный механизм модуляции шума цели, что будет понижать результативность классификации объекта.
Задачей изобретения является повышение вероятности правильной классификации по признакам, содержащимся в спектре AM сигнала объекта в ЧД АО.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении достоверного определения классификационных признаков сигналов шумоизлучения в ЧД АО.
шн
шн
шн
k
шн
шн
co6
шн
шн
соб
шн
2
Для обеспечения указанного технического результата в способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта, содержащий прием гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА) сигнала шумоизлучения морского объекта, преобразование сигнала в цифровой вид, спектральную обработку принятого сигнала, включающую формирование статического веера характеристик направленности (ХН), выделение амплитудной огибающей (АО) принятого сигнала, в котором содержится дискретный спектр вально-лопастной модуляции (ВЛМ) и модуляции качкой (МК), с помощью фильтра низких частот (ФНЧ), вычисление энергетического спектра мощности АО принятого сигнала шумоизлучения морского объекта с помощью БПФ, обнаружение в накопленном спектре АО дискретных составляющих (ДС) ВЛМ и МК, измерение их параметров и определение класса морского объекта по параметрам ДС, отличающийся тем, что создают базу спектральных портретов ДС собственных помех корабля-носителя с ГПБА в частотном диапазоне (ЧД) АО шума носителя, для чего до начала эксплуатации корабля-носителя в натурных условиях при отсутствии в акватории морских объектов проводят измерения собственных помех корабля-носителя с ГПБА в ЧД АО в зависимости от скорости носителя, направления на объект, волнения моря, глубины погружения, типа гидрологии, тактической задачи, для записи спектральных портретов носителя в ЧД АО сигналы собственного шумоизлучения носителя с приемных каналов ГПБА преобразуют в цифровой вид, проводят спектральную обработку, включающую формирование статического веера характеристик направленности (ХН), накопление полученных спектров мощности S(ω), выделение амплитудной огибающей (АО), шума носителя с помощью ФНЧ, производят вычисление энергетического спектра АО с помощью БПФ для фиксированного значения собственной скорости носителя (V), волнения моря, глубины погружения, тактической задачи, по всем направлениям статического веера ХН спектры мощности ЧД АО  и записывают их в базу спектральных портретов ЧД АО, а в режиме обнаружения и классификации в выбранном направлении на морской объект в базе спектральных портретов ЧД АО по собственной скорости (V) и номеру ХН статического веера, соответствующей направлению на обнаруженный морской объект, находят спектральный портрет ЧД АО собственных помех  а спектр мощности шумоизлучения морского объекта очищенный от собственных помех в ЧД АО , определяют как .
Сущность изобретения заключается в устранении влияния спектра собственной помехи в ЧД амплитудной модуляции (AM) буксировки ГПБА кораблем-носителем. Для классификации целей важно учитывать не только уровень собственных помех, воспринимаемый ГПБА, но и особенности спектра помехи, зависящей как от скорости движения, так и от тактической задачи, включающей маневр корабля, когда буксируемая антенна претерпевает значительные искривления.
шн
Предложенный способ позволяет из спектра сигнала объекта в ЧД АО вычесть спектр собственной помехи на скорости носителя и соответствующего направления, взятого из банка спектральных портретов в ЧД АО носителя для соответствующей гидрологии, волнения моря и тактической задачи.
Таким образом, уменьшение влияния уровня собственных акустических помех буксировки ГПБА способствует повышению эффективности гидроакустического наблюдения цели в ЧД АО.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где приведена блок-схема устройства, реализующего способ.
шн
Устройство, реализующее способ, содержит гидроакустическую антенну 1, которая соединена через аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП) с блоком 3 быстрого преобразования Фурье (БПФ). Выход блок 3 связан с блоком 4 формирования характеристик направленности (ФХН), выход блока 4 соединен с входом блока 5 накопления. Выход блока 5 соединен с входом 6 блока обратного преобразования Фурье (ОБПФ), выход блока 6 соединен с входом блока 7 выделения АО. Выход блока 7 и блока 14 отображения и управления соединены с входом блока 8 БПФ. В блок 10 базы «спектральных портретов» помехи носителя по команде управления «создание базы» из блока 14 отображения и управления поступает сигнал с выхода блока 8 и с выхода блока 11 информации системы ориентации (СО) и корабля-носителя. По команде управления «режим обнаружения» блока 14 сигнал с выхода блока 8 поступает на вход блока 9 вычитания спектра помехи носителя, который соединен с блоком 10 базы спектральных портретов ЧД АО носителя. Выход блока 9 соединен с входом блока 12 обнаружения дискретных составляющих (ДС). Выход блока 12 соединен с входом блока 13 классификации. Выход блока 13 соединен с входом блока 14 системы отображения и управления.
Блок 2 может быть выполнен так, как это описано в Справочнике «Цифровая обработка сигналов» изд. Радио и связь 1985 г., стр. 91. Блоки 3,6, 8 могут быть реализованы, как описано в книге Л. Рабинер, Б. Гоулд «Теория и применение цифровой обработки сигналов». Изд. «Мир», Москва, 1978 г., стр. 668-674 и блок 9 стр. 201-204.
Блок 4 описан в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустика», Санкт-Петербург. Наука, 2004 г., стр. 284-285. Блок 5 описан, например, в книге А.А. Харкевича «Борьба с помехой» изд. Наука, Москва 1965 г, стр. 70-71. Блок 7 и 13 может быть выполнен так, как это описано в статье А.И. Машошина «Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов» Акустически журнал, 2013 г., том 59, №3, с. 347-358. Блок 11 описан в статье «Некоторые результаты буксировки блока системы ориентации гибкой протяженной буксируемой антенны на ладожском испытательном полигоне» А.В. Виноградов, А.В. Желтаков, А.Н. Коровин, И.Л. Рубанов, С.А. Семенова, Гидроакустика / Hydroacoustics. СПб.: ОАО «Концерн «Океанприбор», 2013 г., вып. 17(1) стр. 99-104.
Выработка решения об обнаружении частот ДС в блоке 12 может быть реализована как, например, описано в книге Л.С. Гутина «Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах», Москва «Советское радио», стр. 247-253. Блок 14 отображения и управления может быть выполнен так, как описан в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустика», Санкт- Петербург: Наука, 2004 г., стр. 255-261.
Блок 10 может быть выполнен так, как описан в книге Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустика», Санкт-Петербург: Наука, 2004 г., стр. 248-250.
Реализацию способа целесообразно описать на примере работы устройства (фиг. 1).
i
i
i
к
j
к
k
2
Сигналы S(t) приемных каналов антенны с выхода блока 1 поступают на вход блока 2 АЦП, сигнал S(k) из АЦП в виде дискретных отсчетов поступают соответственно в блок 3 БПФ для получения комплексных спектров S(ω) для каждого элемента антенны. В блок 4 ФХН из блока 3 поступают отсчеты реализации комплексного спектра сигнала для каждого элемента антенны для формирования характеристик направленности статического веера, а с выхода блока 4 ФХН статического веера в блок 5 накопления поступают спектры S(ω) с веера характеристик направленности. В блоке 5 накопления спектров определяется усредненный (накопленный) спектр мощности S(ω) Накопленные в блоке 5 временные последовательности спектров мощности поступают в блок 6 обратного преобразования Фурье (ОБПФ) с последующим выделением АО в блоке 7. Блок 7 содержит амплитудный детектор, фильтр нижних частот (ФНЧ), с помощью которого ограничивается диапазон частот огибающей, в котором содержится дискретный спектр вально-лопастной модуляции (ВЛМ) и модуляции качкой (МК), (на фиг. 1 не показаны) (статья А.И. Машошин «Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов» «Акустический журнал 2013 г., том 59, №3, с. 347-353). Блок 7 соединен с блоком 8 вычислителя спектра мощности в ЧД СНЧ с помощью БПФ.
шн
шн
Из блока 8 в зависимости от работы блока 14 отображения и управления режимом заполнения базы спектральных портретов шума носителя в ЧД АО сигнал поступает либо на вход блока 9 вычитания спектра помехи носителя, либо на вход блока 10 базы спектральных портретов ЧД АО помехи носителя.
Блок 10 базы «спектральных портретов СНЧ ЧД» собственных помех носителя может быть реализован на основе современной универсальной ЭВМ, обладающей способностью работать в реальном времени, возможностью перехода с одной задачи на другую, наличием гибкой адресации к памяти, большой скоростью обработки данных. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб, изд. «Наука», 2004 г. стр. 284)
Заполняется база спектральными портретами носителя с выхода статического веера характеристик направленности при проведении испытаний как до начала эксплуатации корабля-носителя, так и в период эксплуатации корабля имеется возможность корректировать базу данных.
j
шн
В режиме обнаружения и классификации целей на вход блока 9 вычитания спектра помехи носителя поступает спектр мощности  с направления на объект (КУ) из блока 8 и из блока 10 базы спектральных портретов ЧД АО поступает спектральный портрет  собственной помехи носителя по КУ цели и скорости носителя (блок 11). Вычисляется разностный спектр мощности (спектр сигнала объекта):  С выхода блока 9 на вход блока 12 обнаружения дискретных составляющих (ДС) в АО поступают спектры мощности в диапазонах ВЛМ и МК для обнаружения частот ДС (A.M. Тюрин Введение в теорию статистических методов в гидроакустике изд. Л. 1963 г. стр. 127-128). Все превысившие порог дискретные составляющие передаются в блок 13 классификации для выработки классификационных признаков по спектру АО сигнала в диапазоне ВЛМ и МК. Результаты классификации по спектральным признакам в АО передаются в блок 14 отображения и управления.
Таким образом, технический результат, заключающийся в устранении влияния спектра помехи носителя при буксировке ГПБА в ЧД АО сигнала, что способствует повышению вероятности правильного определения классификационных спектральных признаков, основанных на ВЛМ и МК, можно считать достигнутым.