Способ обнаружения сигналов шумоизлучения морских объектов

Изобретение относится к области гидролокации и может быть использовано при создании системы обнаружения рыболовных судов в охраняемой морской экономической зоне или системы охраны от айсбергов морских платформ нефтедобычи. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости обнаружения сигнала шумоизлучения (ШИ) морского объекта. Способ обнаружения сигналов ШИ морских объектов предусматривает прием смеси предполагаемых сигналов и помехи, измерение спектров принятой смеси в каждом из совокупности направлений наблюдения, измерение углового положения каждого локального по пространству максимума на каждой спектральной компоненте результатов измерения спектров, формирование оценки обобщенной координаты диаграммы направленности для каждого индикаторного направления наблюдения и каждой спектральной компоненты, функциональное преобразование оценок обобщенной координаты и формирование отметок по результатам упомянутого функционального преобразования. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемый способ относится к области пассивной локации и может быть использован, например, для обнаружения рыболовного судна системой охраны морской экономической зоны или для обнаружения айсберга системой защиты морских платформ нефтедобычи.

Основу описанных в известных источниках способов обнаружения сигналов шумоизлучения (ШИ) морских объектов (см., например, А.Л.Простаков. Электронный ключ к океану. Л.: Судостроение, 1978, с.21...23; В.Г.Гусев. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. Л.: Судостроение. 1988, с.47...51; А.П.Евтютов, В.Б.Митько. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л.: Судостроение, 1981, с.69...78 и др.) составляет совокупность операций, обеспечивающих измерение мощности (или энергии) предполагаемого (т.е. обнаруживаемого) сигнала в каждом направлении наблюдения. Возможное время накопления данных Т₁ при измерении мощности сигнала на практике ограничивается интервалом стационарности помехи, т.е. величиной порядка единиц-десятков секунд. В то же время возможное время наблюдения за источником сигнала ШИ (т.е. морским объектом) Т₂, которое потенциально можно использовать для его обнаружения, составляет единицы-десятки минут. Увеличение эквивалентного времени накопления данных в Т₂/Т₁≈10...100 раз, существенно повышающее помехоустойчивость обнаружения, возможно за счет реализации обнаружения траекторий, предусматривающего, например, подсчет числа отметок (под отметкой понимается результат предварительного обнаружения сигнала с пониженными статистическими характеристиками), попадающих в последовательно вырабатываемые стробы (смысл операции обнаружения траекторий подробно пояснен, например, и книге Ю.Г.Сосулина "Теоретические основы радиолокации и радионавигации". М.: "Радио и связь", 1992, р.7.3).

Недостатком данных аналогов является относительно низкая помехоустойчивость обнаружения, обусловленная следующим. При работе в условиях нестационарной и анизотропной по горизонтали помехи уровень этой помехи в каждом направлении наблюдения индивидуален и нестабилен во времени. Вследствие этого при формировании указанных выше отметок приходится использовать завышенное значение порога принятия решения; в противном случае обнаружитель будет перегружен потоком ложных тревог. При повышенном пороге имеет место относительно низкая вероятность предварительного обнаружения полезного сигнала (формирования отметки) и, в конечном счете, низкая вероятность обнаружения траектории. Кроме того, в указанных аналогах фактически обеспечиваемая вероятность ложной тревоги при формировании отметки не контролируется (она определяется неконтролируемым и флюктурирующим уровнем помехи в каждом направлении наблюдения). Оптимальная же процедура обнаружения траектории (трассы) настраивается (т.е. включает ее в качестве параметра алгоритма обнаружения) на величину указанной вероятности ложной тревоги (см. цитированную выше книгу Ю.Г.Сосулина). Данное обстоятельство приводит к дополнительному снижению помехоустойчивости обнаружения в указанных аналогах. Необходимо также отметить, что низкое качество стабилизации вероятности ложной тревоги является фактором низкой помехоустойчивости обнаружения и при отсутствии операций трассового анализа.

Среди известных методов преодоления указанных негативных эффектов необходимо упомянуть так называемый фазовый метод (см. книгу Б.Р.Левина "Теоретические основы статистической радиотехники", кн. 2. М.: Сов. радио, 1968, р.5.2.2.). В соответствии с этим методом обнаружение сигнала осуществляется посредством интегрирования косинуса разности фаз принимаемого и опорного (эталонного) сигнала (см. ф-лы (5.122) и (5.126) указанного источника). Данный метод обеспечивает стабилизацию уровня помехи на входе решающего (порогового) устройства (согласно ф-лам (5.123) и (5.124) указанного источника), чем обеспечивается независимость вероятность ложной тревоги от статистических характеристик входной помехи. Однако при решении задачи обнаружения сигналов ШИ морских объектов (эти сигналы являются стохастическими) мы не имеем ни опорного (эталонного) сигнала, ни его фазы; кроме того, в книге Б.Р.Левина речь идет о временной обработке, а в нашем случае - о пространственно-временной обработке. Таким образом, данный аналог для решения рассматриваемой задачи применить невозможно.

В качестве прототипа рассматривается способ обнаружения сигналов ШИ морских объектов по патенту РФ №2145426 от 19.10.98. Данный способ предусматривает операции приема сигналов (имеется в виду смесь предполагаемых обнаруживаемых сигналов и помех на входах многоэлементной антенны), измерение спектров принятых сигналов в каждом из совокупности направлений наблюдения, предварительное формирование прогнозируемых спектров сигнала, вычисление опорных спектров, вычисление величин функциональной корреляции между измеренными и опорными спектрами, формирование отметок, определение направления прихода сигнала, подбор гипотетического значения дальности и обнаружение траекторий.

Прототип обладает тем же недостатком, что и рассмотренные аналоги, а именно при работе в условиях нестационарной анизотропной по горизонтали помехи в нем вынужденно применяется повышенный порог при формировании отметок, что приводит к снижению вероятности правильного обнаружения сигнала ШИ, т.е. к относительно низкой помехоустойчивости обнаружения.

Целью заявляемого технического решения является повышение помехоустойчивости обнаружения сигналов ШИ морских объектов. Цель достигается использованием для обнаружения эффекта группирования оценок пеленга принимаемой смеси сигнала и помехи (на различных частотах в пределах интервала времени наблюдения) в окрестности направления фактического прихода сигнала, причем чем выше отношение сигнал/шум, тем эффект группирования проявляется сильнее. В отсутствие полезного сигнала в конкретном направлении наблюдения результаты измерения направлений прихода помехи распределены хаотически (т.е. по направлению не группируются), причем статистика результатов измерений направления прихода помехи от параметров этой помехи не зависит. Соответственно не зависят от параметров помехи и ее уровень на входе решающего устройства, и вероятность ложной тревоги.

Заявленный способ обнаружения сигналов ШИ морских объектов предусматривает прием сигналов, измерение спектров принятых сигналов G_m(f_l) в совокупности направлений наблюдения, где m - целые числа (номера направлений наблюдения), f_l=l·Δf, где l - целые числа (номера спектральных компонент) в диапазоне значений от l_н до l_в, Δf - заранее выбранный при измерении спектра шаг по частоте, измерение углового положения α_il каждого локального по пространству максимума на каждой l-й спектральной компоненте результатов измерения спектров G_m(f_l), где i - номер этого максимума, формирование оценки обобщенной координаты диаграммы направленности Ф_jl для каждого j-го индикаторного направления наблюдения и каждой l-й спектральной компоненты, функциональное преобразование оценок обобщенной координаты и формирование отметок по результатам упомянутого функционального преобразования.

Операция обнаружения траекторий (трасс) по результатам формирования отметок в составе заявляемого объекта не рассмативается, поскольку он может быть реализован и без этой операции с получением положительного эффекта (повышения помехоустойчивости обнаружения за счет лучшей стабилизации вероятности ложной тревоги).

Блок-схема заявляемого способа приведена на чертеже, где обозначены:

1 - прием сигналов;

2 - измерение спектров принятых сигналов в каждом из совокупности направлений наблюдения;

3 - измерение углового положения каждого локального максимума;

4 - формирование оценок обобщенной координаты диаграммы направленности;

5 - функциональное преобразование совокупности оценок обобщенной координаты диаграммы направленности;

6 - формирование отметок.

Заимствованные из прототипа операции 1 и 2 выполняются так же, как в прототипе, т.е. следующим образом:

Операция 1 предусматривает преобразование акустических сигналов в электрические. Она реализуется совокупностью гидрофонов, т.е. антенной решеткой (см., например, А.П.Евтютов, В.Б.Митько. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л.: Судостроение, 1981, с.116, рис.1.8).

Операция 2 может быть выполнена при формировании веера приемных характеристик направленности (ХН) либо во временной, либо в спектральной области. В первом случае формирование (ХН) осуществляется путем суммирования сигналов от отдельных элементов антенны с задержками, обеспечивающими компенсацию ХН в требуемом направлении (см., например, А.Л.Простаков. Электронный ключ к океану. Л.: Судостроение, 1978, с.24, рис.6). Далее результаты формирования каждой ХН подвергаются спектральному анализу, т.е. дискретному преобразованию Фурье (ДПФ) с разрешением Δf, вычисляются квадраты модулей всех коэффициентов ДПФ (т.е. спектральных составляющих) с номерами l=l_н...l_в, после чего каждый из указанных квадратов модулей некогерентно накапливается по времени при многократно повторяющемся (при обновлении входных данных) спектральном анализе. Типичный интервал спектрального разложения составляет Т₀=0,1...0,3 секунды (т.е. Δf=3...10 Гц), а интервал некогерентного накопления квадратов модулей спектральных составляющих может принимать значения T₁=5...60 секунд.

При формировании веера ХН в спектральной области спектральному анализу подвергаются сигналы (смеси полезных сигналов и помех), принятые каждым гидрофоном в отдельности. Далее формирование веера ХН осуществляется для каждой спектральной компоненты. Последняя операция предусматривает комплексно-весовое суммирование коэффициентов ДПФ (спектральных компонент) с одноименными номерами "l", полученных по сигналам от всех гидрофонов антенны. Комплексные веса при указанном суммировании обеспечивают фазирование сигналов от отдельных гидрофонов; при этом реализуется формирование веера ХН па каждой частоте f_l (l=l_н...l_в). Далее осуществляется вычисление квадратов модулей результатов формирования ХН на каждой частоте (спектральной компоненте) и некогерентное накопление каждого из них на интервале T₁, как и в случае реализации операции 2 при формировании ХН во временной области.

В результате выполнения операции 2 формируется М (по числу сформированных ХН) массивов данных G_m(f_l), каждый из которых является результатом измерения спектра принятого сигнала в соответствующем конкретной (m-й) ХН направлении наблюдения. Период обновления результатов выполнения операции 2 равен T₁. M массивов спектров G_m(f_l) формируются на М выходах блока 2, показанных на чертеже условно как один выход.

Операция 3 предусматривает нахождение всех локальных максимумов на каждой из спектральных компонент и собственно измерение углового положения каждого из них.

Результат (выполнения операции 2) G_m(f_l) считается локальным максимумом при выполнении условий

Данные условия могут быть также дополнены, например, следующими условиями:

Возможно также нахождение локального максимума на несимметричном интервале. Таким образом, нахождение локальных максимумов реализуется проверкой выполнения условий (1) или совокупностью условий (1) и (1а) для всех значений m в диапазоне от 2 до М-1.

Угловое положение каждого локального максимума определяется, например, по соответствующему ему индексу "m" (при равномерном шаге между смежными ХН, формируемыми при выполнении операции 2, α_ml=α_mlo=mΔα, где Δα - шаг между смежными ХН), либо в более точном варианте на основе параболической интерполяции (см. Применение цифровой обработки сигналов. Под ред. Э.Оппенгейма. М.: Мир, 1980, с.325).

где α_mlo - угол ориентации m-й ХН, формируемой при выполнении операции 2.

Примечание: фактически описанная операция 3 состоит, в свою очередь, из 2-х операций. В связи с тривиальностью проверок условий (1) и (1а) мы выделение локальных максимумов как отдельную операцию не рассматриваем.

В связи с тем, что локальные максимумы имеют место далеко не при всех значениях индекса "m", далее для нумерации этих максимумов используется индекс "i". Процедура перенумерации как операция заявляемого способа не рассматривается. Она может фактически и не производиться, т.е. могут рассматриваться значения углов α_ml (а не α_il) только при тех индексах "m", при которых выполняются условия (1) или (1) и (1а).

Операция 4 предусматривает формирование оценок обобщенной координаты диаграммы (или характеристики) направленности. Поясним смысл термина "обобщенная координата диаграммы направленности". Оценивание углового положения цели в фазовом пеленгаторе реализуется путем формирования оценки разности электрических фаз сигналов в половинах антенны и пересчете этой разности в пространственный угол (см. Э.Ф.Свиридов. "Сравнительная эффективность моноимпульсных радиолокаторных систем пеленгации". Л., Судостроение, 1964, с.69, 70).

В отличие от фазового пеленгатора оценка углового положения цели в амплитудном пеленгаторе реализуется путем формирования оценки обобщенной координаты диаграммы направленности (см. упомянутую книгу Э.Ф.Свиридова, с.82), которая играет ту же роль, что и упомянутая разность электрических фаз в фазовом пеленгаторе, и она далее пересчитывается в пространственный угол.

Результат действия операции 4 в заявляемом объекте по физической сущности является эквивалентом указанной обобщенной координаты диаграммы направленности, формируемой в качестве промежуточного результата в системе амплитудного пеленгования.

Формирование оценки обобщенной координаты диаграммы направленности Ф_jl осуществляется по отношению к каждому j-му индикаторному направлению наблюдения путем расчета по формулам

где

где имеется в виду нахождения минимумов по индексу i; с₁ и с₂ - настроечные константы (в диапазоне значений 0,3-1,3; так, возможна реализация этих констант с₁=с₂=1);

Δ_ДНl - ширина диаграммы (характеристики) направленности на l-й частоте; так, например, применительно к линейной антенне

где λ_l=c/f_l, L - длина антенны; λ_l - длина волны на l-й частоте (см. М.Д.Смарышев, Ю.А.Добровольский. "Гидроакустические антенны". Справочник. Л., Судостроение, 1984, с.136, ф-ла (5.4));

γ_j - угол ориентации j-го индикаторного направления наблюдения.

Смысл термина "индикаторное направление наблюдения" состоит в следующем. Сектор углов, в котором производится обнаружение, разбивается на дискретные направления в диапазоне γ_н...γ_к. В частном случае эти направления могут формироваться с равномерным шагом Δ_И (тогда при общем числе индикаторных направлений J имеем γ_k-γ_н=(J-1)·Δ_И). При этом j-e индикаторное направление соответствует направлению приема сигнала под углом γ_j=(j-1)Δ_И+γ_Н. В частном случае γ_н=0. Направления γ_j в частном случае могут совпадать с направлениями ХН, формируемых при выполнении операции 2. Более оправдана реализация направлений γ_j с меньшим шагом, чем при формировании ХН в составе операции 2. При этом число индикаторных направлений наблюдения (J) больше, чем число направлений наблюдения (М) в составе операции 2.

Операция 5, предусматривающая функциональное преобразование оценок обобщенной координаты диаграммы направленности, реализуется путем расчета результатов этого преобразования Z_j для каждого j-го индикаторного направления наблюдения, например, по формуле

где c_з - настроечная константа, равная по абсолютному значению математическому ожиданию входящей в ф-лу (2) суммы косинусов при отсутствии обнаруживаемого сигнала (она определяется эмпирически и находится в диапазоне значений 0,3-0,8), l_н и l_в - номера спектральных компонент, получаемых при выполнении операции 2, соответствующих нижней и верхней границам рабочего диапазона частот.

Возможен вариант функционального преобразования вида

где BG_j(f_l) - величина отношения сигнал/шум на l-й спектральной компоненте для j-го индикаторного направления наблюдения.

Примечание. В качестве данной величины (при всех сочетаниях индексов "l" и "j") может приниматься либо результат ее оценивания по совокупности величин G_m(f_l) в m-м направлении наблюдения, формируемом при выполнении операции 2, ближайшем к j-му индикаторному направлению наблюдения, либо результат расчета на основании априорно известных частотных зависимостей спектров сигналов и помех, а также километрического затухания. Значения BG_j(f_l) хранятся в памяти цифрового вычислительного средства, реализующего операцию 5.

Ближайшее (m-е) направление наблюдения к j-му индикаторному направлению наблюдения определяется следующим образом. При совпадении числа направлений наблюдения (М) и индикаторных направлений наблюдения (J) имеем m=j; при этом G_j(f_l)=G_m(f_l). При J>М соответствие между индексами j и m устанавливается, например, заранее рассчитанной таблицей соответствия углов ориентации направлений наблюдения в составе операции 2 и индикаторных направлений наблюдения в составе операции 4.

Операция формирования величин BG_j(f_l) в состав заявляемого объекта не входит.

Операция 6 предусматривает формирование отметок путем сравнения каждой из величин Z_j (j=1...J) с заранее установленным порогом, т.е. выполняется так же, как в прототипе.

Блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ, практически повторяет блок-схему на чертеже (при очевидных уточнениях названий отдельных элементов) и поэтому в настоящем описании не приводится. Необходимо лишь отметить, что при реализации указанного устройства между выходом антенной решетки, выполняющей операцию 1 приема смеси сигналов и помехи, и входами блока, выполняющего операцию измерения спектра (операция 2), включен многоканальный (по числу гидрофонов в антенне) аналого-цифровой преобразователь.

Заявляемый способ в части операций 2...6 реализуется па средствах цифровой вычислительной техники, которые могут быть либо аппаратными, либо программируемыми. В первом случае требуемая последовательность выполнения операций 2...6 обеспечивается соответствующим соединением элементов памяти и арифметических блоков комбинационного типа. Во втором случае эта последовательность обеспечивается программируемым вычислителем, при этом вычислитель должен иметь доступ к внешней памяти объемом 10 Мбайт для хранения главным образом промежуточных результатов вычислений и процессор, обеспечивающий реализацию базовых арифметических операции.

Заявляемый способ в динамике реализуется следующим образом. Прием сигналов реализуется непрерывно. Операция 2 измерения спектра принятых сигналов в каждом направлении наблюдения реализуется путем последовательного вычисления ДПФ от реализации сигналов, принятых всеми гидрофонами антенны в отдельности, собственно формирования веера из М характеристик направленности в секторе обзора на каждой спектральной компоненте принятых сигналов путем весового суммирования одноименных коэффициентов ДПФ от всех гидрофонов антенны, вычисления квадрата модуля либо самого модуля каждого результата формирования на каждой спектральной компоненте и нескользящего накопления квадратов одноименных (по номеру ХН и номеру спектральной компоненты) модулей. Операция ДПФ реализуется над выборками длительностью Т₀=0,1...0,3 секунды при времени обновления данных в окне анализа, равном также Т₀. При этом и интервал обновления результатов ДПФ равен Т₀. Через некоторое время задержки относительно момента окончания вычисления ДПФ τ₃<<Т₀ (на практике τ₃=10^-4...10^-6 секунд) осуществляется формирование веера из М ХН на каждой спектральной компоненте, далее примерно с той же задержкой формируются квадраты модулей (либо сами модули) с тем же периодом обновления Т₀. Последние накапливаются (накапливающими сумматорами) в течение интервала времени T₁=5...30 с (т.е. накапливаются T₁/T₀ одноименных квадратов модулей либо самих модулей); далее с пренебрежимо малой задержкой относительно окончания цикла накопления результаты выполнения операции 2 передаются для выполнения операции 3, и содержимое упомянутых накапливающих сумматоров обнуляется, после чего в них начинается накопление следующей серии из T₁/T₀ квадратов модулей. Период обновления результатов выполнения операции 2 равен T₁.

Прочие операции реализуются специальным или универсальным вычислительным устройством в соответствии с приведенными выше формульными описаниями этих операций.

Принцип действия заявляемого объекта основан на том, что при приеме только помехи оценки обобщенной координаты Ф_jl распределены примерно равномерно в интервале -π...+π, и при этом средние значения величин CosФ_jl (или произведений BG_j(f_l))·CosФ_jl) не превосходят нуля. При появлении же в обрабатываемой смеси обнаруживаемого сигнала с направления γ_j значения Ф_jl начнут группироваться в окрестности 0°; при этом средние значения величин CosФ_jl (или произведений BG_j(f_l))·CosФ_jl) будут положительными, и по мере увеличения входного отношения сигнал/помеха средние значения CosФ_jl стремятся к единице. При этом величина Z_j "приобретает" положительную постоянную составляющую (математическое ожидание). В этом случае (при достаточном отношении сигнал/шум) происходит превышение порога величиной Z_j, т.е. формирование отметки.

Стабилизация ложной тревоги (или уровня помех на пороговом устройстве) в заявляемом объекте обусловлена независимостью статистических характеристик величин CosФ_jl и, следовательно, величин Z_j при преобразовании вида (2) от статистических характеристик входной помехи при отсутствии обнаруживаемого сигнала. При использовании преобразования вида (2а) статистические характеристики величин Z_j от характеристик входной помехи зависят, но степень этой зависимости меньше, чем в известных аналогах и прототипе. Вместе с тем преобразование вида (2а) является предпочтительным в сравнении с преобразованием (2) при работе в условиях помех при их слабо выраженной нестационарности.

Указанные эффекты подтверждены моделированием.

1. Способ обнаружения сигналов шумоизлучения морских объектов, состоящий в приеме сигналов, измерении спектров принятых сигналов G_m(f₁) в совокупности М направлений наблюдения, где m - целые числа (номера направлений наблюдения), f₁=lΔf, где l - целые числа в диапазоне значений от l_н до l_в, Δf - заранее выбранный при измерении спектра шаг по частоте, а также формировании отметок, отличающийся тем, что на каждой 1-й спектральной компоненте результатов измерения спектров G_m(f₁) осуществляется измерение углового положения α_il каждого i-го локального по пространству максимума, где i - номер этого локального максимума, формирование оценок обобщенной координаты диаграммы направленности Ф_il по результатам измерения углового положения i-x локальных максимумов α_il по отношению к каждому j-му индикаторному направлению наблюдения y_j и функциональное преобразование совокупности оценок обобщенной координаты диаграммы направленности для каждого индикаторного направления наблюдения, причем формирование отметок реализуется по результатам функционального преобразования совокупности оценок обобщенной координаты диаграммы направленности для каждого индикаторного направления наблюдения.

2. Способ обнаружения сигналов шумоизлучения морских объектов по п.1, отличающийся тем, что функциональное преобразование оценок обобщенной координаты диаграммы направленности для каждого индикаторного направления наблюдения имеет вид

где Ф_jl - оценка обобщенной координаты диаграммы направленности на 1-й спектральной компоненте для j-го индикаторного направления наблюдения, с_з - настроечная константа.

3. Способ обнаружения сигналов шумоизлучения морских объектов по п.1, отличающийся тем, что функциональное преобразование оценок обобщенной координаты диаграммы направленности для каждого индикаторного направления наблюдения имеет вид

где BG_j(f_l) - отношение сигнал/шум в 1-й компоненте спектра принимаемого сигнала в направлении наблюдения, ближайшем к j-му индикаторному направлению наблюдения.

4. Способ обнаружения сигналов шумоизлучения морских объектов по п.1, отличающийся тем, что формирование оценки обобщенной координаты диаграммы направленности Ф_il по каждому результату измерения углового положения i-го локального максимума α_il на 1-й спектральной компоненте осуществляется путем расчета по формуле

где

c₁ и с₂ - настроечные константы,

γ_j - угол ориентации j-того индикаторного направления наблюдения,

- ширина диаграммы направленности на 1-й спектральной компоненте.