УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОНТАКТА С ЦЕЛЬЮ В ТИПОВОМ ТРАКТЕ ШУМОПЕЛЕНГОВАНИЯ

Полезная модель относится к области гидроакустики и предназначена для распознавания морских целей по шумоизлучению.
В силу неоднородности морской среды шумовой сигнал подвижной цели, принимаемый подвижным носителем, имеет постоянно меняющейся уровень. В результате при сопровождении целей в море средствами шумопеленгования можно наблюдать периодическую потерю сигнала. В условиях зональной структуры акустического поля область высокого уровня сигнала, которая занимает в горизонтальной плоскости несколько километров, чередуется с областью отсутствия сигнала на протяжении десятков километров. Кроме того, потеря контакта с морской целью может произойти в результате маневрирования носителя, когда сигнал оказывается вне сектора обзора средств шумопеленгования.
В связи с этим, задача восстановления контакта с шумящей целью после его потери, которая может составлять несколько часов, является актуальной для средств гидроакустического шумопеленгования.
В настоящее время не существует специализированных устройств для восстановления контакта с шумящей целью, а указанная процедура осуществляется оператором визуально на основе анализа информации о гидроакустической обстановке, представляемой в координатах «пеленг-время» (Антипов В.А., Железный В.Б., Ковалев В.Н., Макарчук Ю.И. Отображение информации шумопеленгования в корабельных гидроакустических системах // Гидроакустика. 2018. №34(2). С. 87-99). Наблюдая за перемещением цели в горизонтальной плоскости до потери контакта, оператор предполагает область ее возможного места в будущем, а затем при обнаружении новой цели сравнивает ее измеренное положение с областью возможного места при условии сохранения параметров взаимного перемещения. Однако за время отсутствия контакта цель может осуществить маневр. Тогда ее новое пространственное положение будет значительно отличаться от прогнозного, что исключит возможность правильной идентификации нового контакта с потерянной целью.
Перспективным является использование спектрального состава шумоизлучения сигнала для решения задачи восстановления контакта. Тогда для восстановления контакта могут быть применены устройства классификации шумящих объектов (Деев В.В. и др. Анализ информации оператором-гидроакустиком. Л.: Судостроение. 1989 или Афанасьев А.Н. Знаменская Т.К. Патент РФ №2546851 от 11.12.2013. Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта. МПК G01S 3/80), осуществляющие распознавание, то есть отождествление сигнала цели с другими сигналами, записанными в базу, по составу дискретных составляющих в спектре, которые, однако, не всегда присутствуют в силу постоянного совершенствования кораблестроительных характеристик. При этом в тех случаях, когда они существуют, их частотное положение и общий состав часто зависят от скорости цели, ее ракурса относительно наблюдателя и глубины погружения (для подводной цели), которые вместе с уровнем сигнала меняются в процессе длительного наблюдения. Поэтому в известной процедуре обнаружения существенных для классификации и восстановления контакта спектрально-энергетических параметров сигнала всегда есть вероятность ложного принятия решения, если интервалы наблюдения составляют от десятка часов до многих суток (Тюрин A.M. Введение в теорию статистических методов в гидроакустике. Л. 1963).
Известно устройство классификации шумящих объектов (Волкова А.А., Филободченко М.А. Патент РФ №2694271 от 11.07.2019. Устройство классификации шумящих объектов. МПК G01S 3/80).
Это устройство содержит
- многоэлементную акустическую приемную антенну шумопеленгования;
- аналого-цифровой преобразователь;
- устройство классификации и восстановления контакта с шумящей целью;
- блок чтения и записи и индикатор.
Входящее в указанное устройство устройство классификации и восстановления контакта с шумящей целью выполнено в виде последовательно соединенных блока формирования спектра сигнала, блока формирования мер сходства, блока принятия решения и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), при этом выход ПЗУ соединен со вторым входом блока формирования мер сходства. Это устройство по количеству общих признаков является наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели.
Указанное устройство путем формирования мер сходства между спектром принятого сигнала и спектрами сигналов, записанных в блоке ПЗУ, и последующего сравнения мер сходства с порогом, позволяет идентифицировать новую цель с одной из целей, наблюдаемых ранее.
Однако, рассмотренное устройство классификации и восстановления контакта с шумящей целью оптимизировано под решение задачи классификации, когда в блоке ПЗУ сохраняются более устойчивые во времени спектрально-энергетические параметры сигнала, которые попадают под категорию спектральных признаков класса цели. Поэтому для решения задачи восстановления контакта наличие блока ПЗУ не является оптимальным. В блоке ПЗУ могут храниться записи о целях, контакт с которыми потерян много дней и даже месяцев назад, и восстановление контакта с этими целями не является актуальным. С другой стороны, наличие записей об этих целях увеличивает вычислительную нагрузку на блок формирования мер сходства и всего устройства в целом, а также уменьшает вероятность правильной идентификации потерянной цели в блоке принятия решения.
Кроме того, устройство может некорректно обрабатывать сигналы, уровень которых существенно меняется за длительные промежутки времени. В этом случае амплитуда сплошной части спектра сигнала будет значительно изменяться. Тогда, мера сходства между спектром сигнала цели, записанным в ПЗУ на подъеме уровня сигнала, и спектром сигнала той же цели, но принятым в момент спада уровня, не будет удовлетворять критерию похожести, и будет принято неверное решение.
Задачей полезной модели является повышение эффективности восстановления контакта с шумящей целью по спектральным характеристикам шумоизлучения.
Для решения поставленной задачи в устройство восстановления контакта с целью в типовом тракте шумопеленгования, содержащее блок формирования спектра и блок памяти, а также последовательно соединенные блок формирования меры сходства и блок принятия решения
введены новые признаки, а именно
дополнительно введен переключатель, а блок памяти выполнен в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), при этом выход блока формирования спектра соединен с входом переключателя, первый выход которого соединен со входом ОЗУ, а второй его выход соединен с первым входом блока формирования меры сходства, второй вход которого соединен с выходом ОЗУ, а выход - со входом блока принятия решения.
Для обеспечения независимости результата сравнения спектров, в блок формирования спектра сигнала введены последовательно соединенные блок определения спектра, блок определения мощности и блок нормировки, причем блок определения спектра является входом блока формирования спектра, а блок нормировки - его выходом.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности восстановления контакта с шумящей целью путем сокращения вычислительных операций, а также дополнительно путем обеспечения независимости сравнения спектров от уровня сигналов.
Покажем возможность достижения указанного технического результата предложенным устройством.
В устройство введены переключатель и блок оперативной памяти (ОЗУ), которые при совместной работе позволяют при включении устройства направить обработанный спектр сигнала наблюдаемой цели в ОЗУ для временного хранения спектрально-энергетической информации о цели, с которой в дальнейшем, возможно, потребуется восстановить контакт. После этого переключатель фиксируется в альтернативное положение, и устройство готово к приему сигнала цели, восстановление контакта с которой необходимо проверить. В результате, в блоке формирования меры сходства осуществляется вычисление только одного параметра - меры сходства между спектром, записанным в ОЗУ, и спектром новой цели, что значительно уменьшает вычислительную нагрузку в связи с тем, что уменьшается количество альтернативных вариантов.
В состав блока формирования спектра введены блоки, осуществляющие последовательно определение мощности сигнала и формирование спектра, нормированного на мощность. Это, в совокупности, позволяет получать для обоих сравниваемых спектров одинаковую единичную мощность вне зависимости от низкочастотных флуктуаций сигнала. Таким образом, спектры сигнала, принятые и на подъеме и на спаде его уровня, не будут отличаться по амплитуде, что позволит идентифицировать их как единый объект, тем самым обеспечивая увеличение вероятности правильной идентификации при восстановлении контакта с шумящей целью.
Таким образом, введение в устройство переключателя и блока оперативной памяти (вместо блока постоянной памяти) позволяет оптимизировать устройство распознавания морских целей именно под задачу восстановления контакта, что повышает его эффективность относительно устройства-прототипа.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на которой приведена блок-схема устройства восстановления контакта с целью.
Заявленное устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные блоки: блок 1 формирования спектра, включающий в себя блок 2 определения спектра, блок 3 определения мощности и блок 4 нормировки, блок 5 переключатель, блок 6 ОЗУ, блок 7 формирования меры сходства и блок 8 принятия решения. Второй выход переключателя 5 подключен ко второму входу блока 7.
Блок 1 формирования спектра сигнала включает в себя блоки 2,3,4. В блоке 2 определения спектра осуществляются процедуры быстрого преобразования Фурье и накопления спектра во времени, согласно прототипу (Волкова А.А., Филободченко М.А. Патент РФ №2694271 от 11.07.2019. Устройство классификации шумящих объектов. МПК G01S 3/80). В блоке 3 определения мощности осуществляется измерение мощности сигнала, что, согласно равенству Парсеваля, можно выполнить как во временной, так и в частотной области (см. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер. 2003). В блоке 4 нормировки реализуется процедура нормировки спектра сигнала из блока 2 на мощность из блока 3. Процедура представляет собой умножение на фиксированный коэффициент (мощность), и может быть реализована на интегральной микросхеме (см. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Пер. с англ. М.: Мир. 1978).
В качестве переключателя 5 может быть применен серийно выпускаемый JK-триггер, реализуемый на интегральной микросхеме (см. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Пер. с англ. М.: Мир. 1978).
Блок ОЗУ 6 также реализуется на интегральной микросхеме (см. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК / Пер. с англ. М.: Вильяме. 2007. Глава 6. Оперативная память).
Блок 7 формирования меры сходства и блок 8 принятия решения могут быть выполнены так, как описано в прототипе (Волкова А.А., Филободченко М.А. Патент РФ №2694271 от 11.07.2019. Устройство классификации шумящих объектов. МПК G01S 3/80).
i
В динамике работы типовой шумопеленгаторной станции (Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А. Корепин и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение. 1988. 552 с) заявленное устройство подключают на выходе оконечного блока обнаружения сигнала и включают в работу в тот момент, когда обнаруживаемый ранее сигнал цели становится менее порога. При включении устройства переключатель 5 установлен в положение передачи потока данных из блока 4 нормировки в блок 6 ОЗУ. Когда устройство включается в работу, в блоке 2 осуществляется определение спектра сигнала, состоящего из совокупности гармоник A общим количеством N, который поступает в блок 3. В блоке 3 осуществляется определение мощности сигнала в частотной области . Спектр сигнала и его мощность поступают в блок 4, где осуществляется формирование нормированного спектра. Нормированный спектр из блока 4 через переключатель 5 поступает в ОЗУ 6. После чего переключатель 5 фиксируется в альтернативное положение передачи потока данных из блока 4 в блок 7, а все устройство переходит в режим ожидания.
В момент, когда на выходе блока обнаружения сигнала шумопеленгаторной станции появляется новый сигнал, превышающий порог обнаружения, устройство выходит из режима ожидания. В блоке 1 (последовательно в блоках 2, 3, 4) осуществляется формирование нормированного спектра нового сигнала, который, через переключатель 5 поступает в блок 7 формирования меры сходства. Одновременно в блок 7 из блока 6 поступает нормированный спектр сигнала, сохраненный ранее в ОЗУ. В блоке 7 формирования меры сходства определяется статистическое расстояние между двумя нормированными спектрами. Для этого можно использовать, например, евклидово расстояние. Определение меры сходства между спектрами, нормированными на мощность сигнала, позволяет обеспечить одинаковую мощность сравниваемых сигналов, то есть исключить влияние низкочастотных флуктуаций, что, в свою очередь, исключит некорректное значение расстояния между спектрами. Полученное значение меры сходства из блока 7 поступает в блок 8 принятия решения, где осуществляется его сравнение с порогом. При выполнении критерия похожести принимается решение о восстановлении потерянного контакта с шумящей целью, которое передается на выход устройства в шумопеленгаторную станцию. В противном случае, принимается решение об обнаружении новой цели. Устройство выключают из работы. При этом, в ОЗУ 6 хранится и используется для сравнения спектр только одной цели, для которой проверяется восстановление контакта. Это уменьшает неопределенность при решении задачи, тем самым обеспечивая увеличение вероятности правильной идентификации при восстановлении контакта с шумящей целью.
Все изложенное позволяет считать задачу полезной модели решенной. Предложено устройство восстановления контакта с целью, которое при подключении на выходе оконечного блока обнаружения сигнала типовой шумопеленгаторной станции фиксирует и сохраняет спектр сигнала цели, контакт с которой потерян, а затем при повторном обнаружении сигнала принимает решение об отнесении нового контакта к потерянной цели или об обнаружении новой цели.