Способ определения глубины погружения объекта
METHOD FOR DETERMINING OBJECT IMMERSION DEPTH

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения глубины погружения объекта с использованием гидролокатора ближнего действия.
Известна навигационная гидроакустическая станция освещения ближней обстановки по патенту РФ №2255991, который позволяет обнаруживать объекты и измерять координаты объектов с подводного носителя в водной среде. Этот патент содержит излучение зондирующего сигнала двумерной приемопередающей антенной, цифровую обработку принятых эхосигналов, измерение параметров, обнаруженного объекта по превышению порога и определение дистанции и скорости, а также элементов его движения. Однако это техническое решение не позволяет определить глубину погружения объекта.
1
1
2
1
соб
Известен способ определения глубины погружения объекта по патенту РФ №2350983. В соответствии с этим способом излучают зондирующий сигнал, принимают эхосигнал, измеряют дистанцию D на момент времени t, повторяют процедуру измерения дистанции до объекта D в момент времени t+Δt, определяют скорость движения носителя V и глубину погружения объекта относительно горизонта движения носителя определяют по формуле:
,
1
2
2
2
2
2
где ΔD=(D-D- VΔt)/2VΔt,
1
1
где D - дистанция до объекта в момент времени t,
2
2
D - дистанция до объекта на момент времени t+Δt,
изл.
Н - глубина погружения излучателя,
2
coб
V - скорость перемещения излучателя.
Недостатком этого способа является необходимость двух циклов излучения - прием, разнесенных на значительное время в зависимости от скорости движения гидролокатора, для определения глубины погружения неподвижной цели, кроме того, достоверность оценки дистанции существенно зависит от уровня донной реверберации, от положения объекта относительно направления движения гидролокатора.
Известны «Способ и устройство определения глубины подводного объекта» авторы по патенту Японии №02708109 от 04.02.98 по классу G01S 15/0, который основан на том же принципе, что и предыдущий способ, но определение направления производится с использованием сканирования характеристики направленности в вертикальной плоскости при излучении зондирующего сигнала узкой характеристикой направленности.
1
1
1
Известен способ определения глубины погружения объекта, изложенный в книге А.П. Сташкевич, «Акустика океана» (Судостроение, Л., 1966, стр. 263). Способ содержит следующее операции: излучение зондирующего сигнала в момент времени t, прием эхосигнала от объекта, измерение временной задержки между моментами излучения зондирующего сигнала и приема эхосигнала, определение на момент времени t дистанции D до объекта по величине временной задержки и известной скорости распространения звука, измерение направления на цель в вертикальной плоскости, определение глубины погружения по формуле Н=DSin (α), где D - измеренная дистанция до цели, α - угол между направлением движения носителя и направлением на цель в вертикальной плоскости.
Недостатком данных методов является то, что направление на объект в вертикальной плоскости определяется с использованием характеристики направленности (ХН), которая сканируется в вертикальной плоскости. Для определения такого положения ХН, которому соответствует максимальная амплитуда эхосигнала, необходима серия посылок для разных положений ХН, в результате которых определяется сигнал с максимальной амплитудой и соответствующая ему характеристика направленности. Результатом оценки глубины для объекта является величина, которая получается при решении прямоугольного треугольника по гипотенузе, определяемой по оценке дистанции и углу, определяемому направлением характеристики направленности. Такая процедура определения глубины погружения зависит от правильности получения оценки направления на объект, которая в свою очередь зависит от ширины характеристики направленности в вертикальной плоскости. Чем уже ХН, тем точнее можно определить направление на объект, но для этого требуется больше циклов излучение - прием.
гл
гор
верт
верт
гор
гл
об
верт
верт
об
гл
По количесству общих признаков с предлагаемым изобретением является способ измерения глубины погружения объекта по патенту РФ №2516602. Способ содержит излучение зондирующего сигнала, прием эхосигнала от объекта, определение дистанции Д до объекта по величине временной задержки и известной скорости распространения звука, измерение направления на цель в вертикальной плоскости, определение глубины погружения по формуле Н=ДSin (α), где Д - измеренная дистанция до цели, α - угол между направлением движения носителя и направлением на цель в вертикальной плоскости. В соответствии с этим способом дополнительно измеряют глубину погружения носителя гидролокатора Н, принимают эхосигнал вертикальной линейной антенной, формирующей узкие характеристики направленности в вертикальной плоскости, принимают эхосигнал горизонтальной линейной антенной, имеющей узкие характеристики направленности в горизонтальной плоскости, осуществляют прием эхосигнала одновременно обеими антеннами, производят определение помехи и выбор порога по первому циклу приема входной информации всех характеристик направленности, определяют эхосигналы, превысившие порог по каждой характеристике направленности, измеряют дистанцию Д и направление по горизонтальным характеристикам направленности, измеряют дистанцию Д и направления прихода эхосигнала по вертикальным характеристикам направленности, при совпадении измеренных дистанций по правилу Д<Д+Н, определяют характеристику направленности в вертикальной плоскости, определяют угол места по отклонению положения этой характеристики от направления плоскости движения, определяют глубину погружения относительно глубины погружения излучателя, по формуле Н=ДSin(α), где Д - измеренная дистанция до объекта, α - угол между характеристикой в вертикальной плоскости, в котором обнаружен эхосигнал от цели и плоскостью движения, а глубина погружения объекта определяется Н=Н+Н.
Недостатком рассматриваемого способа является сложность проведения идентификации дистанции между горизонтальными каналами и вертикальными каналами, особенно при наличии донной и поверхностной реверберации. Такая идентификация может быть выполнено только оператором при наблюдении за положением эхосигнала по нескольким посылкам.
Задачей изобретения является обеспечение автоматического измерения глубины погружения объекта по одному циклу излучения - прием при обработке эхосигнала на фоне донной реверберации.
гл
г
в
гк
вк
г
в
макс
пог
гл
макс
в
Поставленная задача решается тем, что в известный способ, при котором излучают зондирующий сигнал, принимают эхосигнал вертикальной линейной антенной, формирующей узкие характеристики направленности в вертикальной плоскости, принимают эхосигнал горизонтальной линейной антенной, имеющей узкие характеристики направленности в горизонтальной плоскости, осуществляют прием эхосигнала одновременно обеими антеннами, производят определение помехи и выбор порога по первому циклу приема входной информации всех характеристик направленности, измеряют глубину погружения носителя гидролокатора Н, определяют дистанцию Д до объекта по величине временной задержки и известной скорости распространения звука, измерение направления на цель в вертикальной плоскости, введены новые признаки, а именно определяют все эхосигналы, превысившие порог по каждой горизонтальной характеристике направленности, запоминают временные реализации, в которых произошло превышение порога в горизонтальных каналах, определяют номер горизонтального канала, максимальную амплитуду эхосигнала, временное положение максимальной амплитуды, запоминают временные реализации, в которых произошло превышение порога в вертикальных каналах, определяют номер вертикального канала, максимальную амплитуду эхосигнала, временное положение максимальной амплитуды, определяют коэффициент корреляции между временными реализациями горизонтальных каналов, определяют соседние горизонтальные пространственные каналы, между которыми коэффициент корреляции КК больше 0,5, определяют коэффициент корреляции между временными реализациями вертикальных каналов, определяют соседние вертикальные пространственные каналы, между которыми коэффициент корреляции КК больше 0,5, определяют коэффициент корреляции между выделенными временными реализациями горизонтальных и вертикальных каналов, определяют пространственный горизонтальный канал П и пространственный вертикальный канал П, между которыми коэффициент корреляции больше 0,5, по номеру пространственного горизонтального канала определяют курсовой угол цели КУ по горизонтали, а по номеру вертикального канала определяют угловое положение цели КУ по вертикали, по временному положению максимальной амплитуды эхосигнала вертикального канала определяют дистанцию Д, а глубину погружения цели относительно поверхности определяют по формуле Н=Н+ДSinKУ.
Техническим результатом предложенного способа является автоматическое определение глубины погружения объекта на фоне донной реверберации по одному циклу излучения - прием не только по неподвижным объектам.
Поясним достижения указанного технического результата.
Особенностью работы гидролокатора, имеющего одинаковые вертикальную и горизонтальную антенны, является то, что формирование рабочих узконаправленных характеристик производится независимо в рабочем поле на основе сформированных характеристик простых линейных антенн. Каждая такая линейная антенна имеет одинаковое число характеристик, узконаправленных в горизонтальной плоскости и широконаправленных в вертикальной плоскости характеристик направленности. Это объясняется особенностями линейной эквидистантной решетки («М.Д. Смарышев, Ю.Ю. Добровольский. «Гидроакустические антенны». Судостроение. Л., 1984, с. 135). Если теперь одну из антенн разместить перпендикулярно другой, то их характеристики также перпендикулярно пересекутся и в зоне пересечения будут образованы узконаправленные области одновременного приема отраженных эхосигналов. Положение каждой пространственной характеристики фиксировано в пространстве и может быть измерено относительно положения неподвижных параметров антенны, которые совпадают с плоскостью движения гидролокатора. Таким образом, может быть определено положение объекта по горизонтальным характеристикам направленности и положение объекта по вертикальным характеристикам направленности при автономной одновременной обработке поступившей информации. Результатом такой обработки является формирование суммарной антенной матрицы, состоящей из нескольких ярусов пространственных каналов, каждый ярус которого характеризует вертикальное положение горизонтальных пространственных каналов. Поскольку обработка производится по каждому каналу сформированной характеристики направленности автономно и независимо друг от друга, то результаты вторичной обработки используются самостоятельно для отображения на индикаторе в координатах курсовой угол и дальность для горизонтальных каналов, и угол места и дальность для вертикальных каналов. Принятие решения об обнаруженных объектах в горизонтальных пространственных каналах и в вертикальных пространственных каналах, и измерение параметров эхосигнала по обнаруженным объектам и классификационных признаков производятся автономно и независимо. Поэтому после обнаружения необходимо произвести идентификацию информации по обнаруженным объектам между пространственными горизонтальными и вертикальными характеристиками направленности, которое в прототипе выполняет оператор по измеренной дистанции.
г
в
макс
пог
гл
макс
в
Для обеспечения поставленной задачи в качестве признака идентификации предлагается использовать коэффициент корреляции между временными реализациями пространственных каналов, в которых произошло превышение порога. При одновременном приходе отраженного от цели сигнала на горизонтальную антенну и на вертикальную антенну обработка производится независимо друг от друга по единым алгоритмам. Начало отсчета обработки горизонтальных каналов и вертикальных каналов будет одно и тоже, и соответственно время обнаружения эхосигналов в вертикальных каналах и в горизонтальных каналах будет одно и тоже и структуры эхосигналов будут жестко связаны. Следует заметить, что структура помехи по вертикальным и горизонтальным каналам будет различная, а структура эхосигнала от объектов будет одинаковая. Поэтому после того, как будут определены временные реализации с КК>0,5 по горизонтальным каналам и по вертикальным каналам, нужно определить коэффициент корреляции между временными реализациями, которые имеют КК>0,5 одновременно и в горизонтальных, и вертикальных каналах. Именно этот горизонтальный канал и будет определять КУ объекта, автоматически обнаруженного на фоне реверберационной помехи. Аналогично именно этот вертикальный канал будет определять угловое положение объекта КУ, автоматически обнаруженного на фоне реверберационной помехи. Для этого пространственного канала определяется максимальная амплитуда и ее временное положение, по которому определяется дистанция Д. После этого происходит вычисление глубины погружения объекта относительно гидролокатора и абсолютная глубина погружения объекта относительно поверхности моря по формуле Н=Н+ДSinKУ.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способ.
в
гл
пог
гл
Первый и второй выходы гидролокатора 1 (фиг. 1), в состав которого входят горизонтальная и вертикальная линейные антенны, система формирования характеристик направленности (СФХН) и спецпроцессор обработки, соединены с первым и вторым входами спецпроцессора 2 соответственно. Первый вход спецпроцессора 2 соединен с последовательно соединенными блоком 3 многоканальной обработки по горизонтальным каналам и блоком 4 определения коэффициента корреляции между временными реализациями и выбор каналов с КК>0.5. Второй вход спецпроцессора 2 соединен с последовательно соединенными блоком 8 многоканальной обработки по вертикальным каналам и блоком 9 определения коэффициента корреляции между временными реализациями и выбор каналов с КК>0.5. Выходы блока 4 и блока 9 соединены с первым и вторым входами блока 5 определения коэффициентов корреляции между временными реализациями и выбор общего канала с коэффициентом корреляции КК>0.5. Выход блока 5 соединен со входом блока 6 определения угла места КУ, дистанции Д, глубины Н и глубины Н. Блоки 5 и 6 входят также в состав спецпроцессора 2. Второй вход блока 6 соединен с блоком 10 измерителя глубины погружения гидролокатора Н, а выход блока 6 (спецпроцессора 2) подключен ко входу блока 7 управления и отображения, выход которого соединен со входом гидролокатора 1.
г
в
макс
макс
макс
гл
пог
гл
Предлагаемый способ целесообразно продемонстрировать на примере работы устройства (фиг. 1). С блока 7 поступает сигнал на гидролокатор 1, который работает в своем штатном режиме и производит излучение зондирующего сигнала. Отраженный от объекта эхосигнал приходит к гидролокатору 1 и принимается одновременно горизонтальной антенной и вертикальной антенной, которые посредством своих характеристик направленности формируют пространственные горизонтальные и вертикальные каналы. По этим каналам временная входная реализация поступает на блок 3 многоканальной обработки информации от горизонтальной антенны и на блок 8 многоканальной обработки от вертикальной антенны. Гидролокатор является известным устройством, который широко используется в гидроакустической практике для обнаружения целей в системах освещения ближней обстановки (А.В. Богородский, Г.В. Яковлев, Е.А. Корепин, А.К. Должников. «Гидроакустическая техника исследования и освоения океана». Л.: Судостроение, 1984) и применен (Патент на полезную модель РФ 117646 «Навигационная гидроакустическая станция освещения ближней обстановки»), где используются горизонтальные и вертикальные антенны. С выхода блока 3 последовательные временные реализации поступают на блок 4, где определяется коэффициент корреляции между соседними пространственными горизонтальными каналами. Аналогично с блока 8 после многоканальной обработки пространственных каналов вертикальной антенны последовательные временные реализации поступают на вход блока 9, где определяется коэффициент корреляции между соседними пространственными вертикальными каналами. На первый вход блока 5 выбора каналов с коэффициентом корреляции КК>0.5 поступают выбранные временные реализации, обнаруженные по выходу горизонтальной антенны, с коэффициентом корреляции больше 0,5, а на второй вход блока 5 поступают выбранные временные реализации, обнаруженные по выходу вертикальной антенны, с коэффициентом корреляции больше 0,5. В блоке 5 производится определение коэффициента корреляции между выбранными реализациями вертикальных каналов и выбранными реализациями горизонтальных каналов. Определение коэффициента корреляции является известной операцией, которая осуществляется во всех современных цифровых устройствах с использованием стандартных процедур. Практически все указанные процедуры могут быть реализованы на спецпроцессорах и современных компьютерах, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. (А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. СПб. «БХВ - Петербург», 2011). Результатом обработки является определение общих временных реализаций, для которых коэффициент корреляции окажется больше 0,5. Эти временные реализации передаются в блок 6, в котором по номеру горизонтального канала определяется курсовой угол КУположения цели по горизонтали, по номеру вертикального пространственного канала определяет угол места КУ цели, относительно направления движения гидролокатора. Из выбранных временных реализаций выбирается реализация с максимальной амплитудой эхосигнала и определяется временное положение максимальной амплитуды А. Временное положение t максимальной амплитуды А определяет задержку эхосигнала относительно времени излучения зондирующего сигнала, которое определяет дистанцию. Угловое положение цели, определенное по пространственному каналу вертикальной антенны, определяет угол между направлением движения гидролокатора и положением объекта. По этому углу и по измеренной дистанции определяется глубина погружения объекта Н относительно горизонта движения гидролокатора. Для определения глубины погружения объекта относительно поверхности воды Н необходимо учесть глубину Н погружения гидролокатора относительно поверхности, которая определяется постоянно с использованием стандартного измерителя глубины погружения. Это известный прибор, разработанный специально для измерения глубины погружения подводных лодок и выпускаемый серийно.
пог
гл
макс
в
Окончательная оценка глубины имеет вид Н=Н+ДSinKУ.
В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную обработку и обнаружение сигнала, а также корреляционную обработку и процедуры анализа временных реализаций. Вопросы разработки и применения спецпроцессоров достаточно подробно рассмотрены в литературе по цифровой обработке (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. «Корабельная гидроакустическая техника». Санкт-Петербург. «Наука», 2004, стр. 281).
Таким образом, использование совместной обработки принятого эхосигнала по вертикальным и горизонтальным каналам позволит автоматически определять глубину погружения объекта по одному циклу излучения прием на фоне поверхностной и донной реверберации и не только по неподвижным объектам.