Способ пассивного определения координат источников излучения



Способ пассивного определения координат источников излучения
Способ пассивного определения координат источников излучения
Способ пассивного определения координат источников излучения
Способ пассивного определения координат источников излучения
Способ пассивного определения координат источников излучения

 


Владельцы патента RU 2507531:

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Концерн "Океанприбор" (RU)

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в пассивной гидролокации, а также в атмосферной акустике и пассивной радиолокации. Достигаемый технический результат - обеспечение визуального наблюдения источников излучения на экране индикатора, их расположения непосредственно в искомых координатах поля наблюдения «направление-дальность» с определением их координат на шкалах индикаторного поля при максимальной помехоустойчивости, достижимой в данной приемной системе и ограниченном увеличении объема обработки и вычислительных затрат. Способ включает прием сигналов М≥3 антеннами, организацию в поле индикации координатной сетки «направление-дальность» с требуемыми границами и интервалами дискретности, вычисление для каждого узла координатной сетки попарных разностей времен распространения сигнала, определение (М2-М)/2 попарных взаимно-корреляционных функций (ПВКФ) сигналов с выходов антенн, квадратичное детектирование выходных сигналов каждой антенны, считывани (М2-М)/2 значений полученных ПВКФ и суммирование их удвоенного значения с результатами квадратичного детектирования сигналов с каждой антенны, после чего все полученные суммарные значения выводят на координатную сетку индикатора, а координаты источников излучения определяют по положению максимума индикаторных значений на шкалах координатной сетки. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в пассивной гидролокации, а также в атмосферной акустике и пассивной радиолокации.

Методы определения координат с разнесенными в пространстве приемниками по кривизне волнового фронта поля источника излучения основаны на использовании разности времен прихода сигнала со сферическим или цилиндрическим волновым фронтом от источника излучения к нескольким М приемникам с известным расположением их в пространстве.

Известно устройство и способ определения дальности D и направления на объект α относительно заданной позиции по патенту США [1]. В соответствии с этим способом три антенны, расположенные в пространстве известным образом, принимают звуковую энергию, излучаемую объектом и распространяющуюся в водной среде с разным временем распространения tm(α, D), m=1, 2, 3, определяемым геометрией системы «источник-приемники». Определяют разность времен распространения сигнала к парам антенн τmn(α, D)=tm-tn, m,n=1, 2, 3, от источника с координатами (α, D), используя взаимную корреляцию сигнала, вырабатываемого каждой m-й антенной, с сигналом каждой другой n-й антенны с переменной задержкой между ними τ, т.е. попарную взаимно-корреляционную функцию (ПВКФ) Cmn(τ). Эту разность времен распространения сигнала к парам антенн τmn(α, D) определяют по положению максимума ПВКФ на шкале задержек τ. Для определения положения максимума ПВКФ используют визуализацию ПВКФ на индикаторе ПВКФ Cmn(τ) и компьютер тригонометрического расчета дальности D0 и направления на источник звука α0, используя определенные значения τmn как параметры в известных формулах.

Недостатками этого способа являются: невозможность наблюдения оператором положения источника и других источников излучения непосредственно в координатах поля наблюдения «направление-дальность», кроме того, этот способ требует обнаружения и наблюдения сигнала на графиках ПВКФ каждой пары антенн по-отдельности, следовательно эффективность метода в целом определяется выходным отношением сигнал/помеха («помехоустойчивостью») каждой пары антенн, если помехоустойчивость пар антенн не одинакова, то конечный результат определяется худшей парой. Кроме того, анализ каждой ПВКФ в случае наличия в поле наблюдения нескольких источников может быть затруднен или невозможен для оператора в связи с неоднозначностью отнесения максимумов ПВКФ к тому или иному источнику, тем более, что наложение друг на друга боковых лепестков ПВКФ разных источников может создавать ложные максимумы, приводящие к неоднозначности решения. В этих случаях необходим специальный анализ взаимного расположения на шкале задержек τ различных полученных максимумов различных ПВКФ, для отнесения их к тому или иному источнику.

Известны другие пассивные способы определения координат источников излучения с разнесенными в пространстве приемниками по кривизне волнового фронта поля источника, например, описанные в [2], недостатки которых аналогичны способу [1].

Наиболее близким по количеству общих признаков к предлагаемому способу является «Метод пассивной звуковой телеметрии» [3]. В данном методе гидролокации сигналы источника звука от трех линейно расположенных антенн А1, А2, А3, обрабатывают путем определения ПВКФ сигналов центральной антенны А2 с сигналами двух других антенн А1 и А3: С12(τ) и С23(τ) на шкале временных задержек τ с накоплением (сглаживанием) оценок С12(τ) и C23(τ) за время Tн. Затем результаты двух ПВКФ совместно обрабатывают с целью определения параметров взаимного расположения их максимумов на шкале τ. Для этого производится модификация ПВКФ по следующему принципу: т.к. обе ПВКФ - С12(τ) и С23(τ) имеют максимумы на шкале задержек τ в некоторых точках τ12 и τ23 и пересекаются на этой шкале в некоторой неизвестной точке β0, отстоящей от τ12 и τ23 на неизвестное расстояние по шкале задержек, равное τ0 и -τ0, соответственно, то для определения точки β0 производят перебор (сканирование) значений β1, β2,…βl…, при этом для каждого очередного значения βl производят суммирование значений С12(τ) и С23(τ) для точек по шкале τ, симметричных относительно очередной точки βl, находят максимум суммы указанных ПВКФ. Перебор по βl, суммирование ВКФ и определение максимума указанной суммы продолжают до тех пор, пока не определят абсолютный максимум суммы ПВКФ С0 для некоторого значения βl0, соответствующего полному наложению главных лепестков С12(τ) и С23(τ) при сканировании по βl. В результате сканирования по βl определяют значения β0, τ0 и С0, по которым вычисляют оценки координат α0 и D0:

,

где с - скорость распространения сигнала, L - расстояния между центром центральной антенны A2 и центрами антенн А1 и А3. Численные значения α0 и D0 выдают оператору.

С учетом изложенного, основные операции способа прототипа могут быть сформулированы как:

прием сигналов тремя антеннами, расположенными в пространстве известным образом,

предварительную обработку принятых сигналов, включающую ориентацию характеристик направленности антенн в направлении ожидаемого расположения источника излучения,

определение попарных взаимнокорреляционных функций (ПВКФ) сигналов антенн на шкале задержек τ,

временное накопление ПВКФ,

суммирование ПВКФ,

индикацию ПВКФ на шкале задержек τ,

определение параметров взаимного расположения главных максимумов ПВКФ на шкале задержек τ и вычисление по ним значений искомых координат

выдачу их оператору в виде цифровой информации.

Преимущество способа-прототипа заключается в том, что благодаря использованию операции суммирования двух ПВКФ повышается помехоустойчивость способа, а объем обработки и вычислительных ресурсов сокращается.

Недостатком аналогов и способа-прототипа, является то, что в них предусматривается визуальное наблюдение лишь графиков ПВКФ на шкале временных задержек τ, определение временных задержек на основе анализа ПВКФ (как в аналогах) либо параметров взаимного расположения максимумов ПВКФ на этой шкале задержек τmn - β0, τ0 и С0 (как в прототипе) и представление оператору геометрически рассчитанных по ним численных значений координат, но невозможна визуализация на индикаторе расположения источников в поле наблюдения в координатах «направление-дальность» (α, D) и непосредственного определения их координат на шкалах индикаторного поля. Необходимым условием успешного решения задачи в способе-прототипе является наблюдение сигнала источника на каждой ПВКФ по отдельности, поэтому помехоустойчивость результатов ограничена помехоустойчивостью каждой пары антенн по отдельности, так же как в аналоге [1], т.к. взаимная обработка ПВКФ с их суммированием в способе-прототипе имеет целью определение параметров взаимного расположения их максимумов на шкале задержек T0. Если помехоустойчивость пар антенн неодинакова, то результат будет определяться худшей парой. При наличии в поле наблюдения нескольких источников анализ каждой ПВКФ может быть затруднен или невозможен для оператора, также как в аналоге [1], из-за неоднозначности взаимного расположения максимумов ПВКФ источников на шкале задержек τ. Способ-прототип предусматривает линейное расположение антенн, т.е. на одной базовой линии, что приводит к ограничениям при размещении их на конкретном носителе. В способе-прототипе не предусматривается использование большего количества антенн М>3, что имеет практические применения (см. например [4] и [5]), где использование способа-прототипа невозможно.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы оператора, благодаря визуализации на индикаторе расположения сигнальных отметок источников в поле наблюдения непосредственно в координатах «направление-дальность» (α, D) и прямого определения их координат на шкалах индикаторного поля, причем с максимальной для данной приемной системы помехоустойчивостью, при ограниченном увеличении объемов обработки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение визуального наблюдения источников излучения на экране индикатора, их расположения непосредственно в искомых координатах поля наблюдения «направление-дальность» с прямым определением их координат на шкалах индикаторного поля при максимальной помехоустойчивости, достижимой в данной приемной системе, без необходимости предварительного обнаружения и наблюдения сигнала на графиках ПВКФ каждой пары антенн по отдельности, без определения взаимных задержек сигнала τmn(α, D) между антеннами по положению максимума ПВКФ на шкале задержеки τ (как в аналогах) или параметров ПВКФ (как в прототипе), обеспечение однозначного раздельного наблюдения расположения источников в поле наблюдения, при ограниченном увеличении объема обработки и вычислительных затрат. Предлагаемое изобретение может использоваться при произвольном количестве антенн (M≥3) и при произвольном их размещении в пространстве, причем при увеличении количества антенн М>3 преимущества предлагаемого способа быстро увеличиваются.

Для обеспечения указанного технического результата в способ пассивного определения координат источников, содержащий прием сигналов тремя антеннами, расположенными в пространстве известным образом, предварительную обработку принятых сигналов, определение попарных взаимно-корреляционных функций (ПВКФ) сигналов антенн, временное накопление ПВКФ, суммирование ПВКФ, индикацию, введены новые признаки, а именно: прием сигналов осуществляют M≥3 антеннами, в поле индикации организуют координатную сетку «направление-дальность» (αp-Dq) с требуемыми границами поля наблюдения «αmin, αmax; Dmin, Dmax» и с интервалами дискретности Δα, ΔD, для каждого pq-го узла координатной сетки вычисляют попарные разности времен распространения сигнала τmn(pq) к каждой m-й антенне и каждой другой n-й антенне из точки поля наблюдения с координатами pq-го узла координатной сетки (αp-Dq), как если бы источник находился в этой точке, с выходов антенн определяют (М2-М)/2 ПВКФ сигнала Cmn(τ) каждой m-й антенны с сигналом каждой другой n-й антенны и выполняют квадратичное детектирование выходных сигналов каждой антенны, а суммирование ПВКФ выполняют для каждого pq-го узла координатной сетки путем считывания (М2-М)/2 значений полученных ПВКФ Cmnmn(pq)) на шкале задержек τ в точках τ=tmn(pq) и суммирования их удвоенного значения с результатами квадратичного детектирования сигналов с каждой антенны, после чего все полученные суммарные значения для всех pq-к узлов выводят на координатную сетку индикатора, а координаты источников излучения определяют по положению максимума индикаторных значений на координатных шкалах координатной сетки.

Дополнительного сокращения объемов обработки и увеличения точности считывания значений ПВКФ Cmn(tmn(pq)) достигают тем, что определение ПВКФ каждой пары «антенна-другая антенна» выполняют, подвергая сигналы с выхода каждой антенны синхронной дискретизации с интервалом Δt, цифровому преобразованию и преобразованию Фурье на выборке длительностью NΔt, вычисляют комплексные попарные взаимные спектры плотности мощности (ПВСПМ) сигнала каждой антенны с сигналом каждой другой антенны, а накопление за время Tн выполняют отдельно для реальной и мнимой части ПВСПМ, для каждого ПВСПМ выполняют обратное преобразование Фурье, при котором последовательности ПВСПМ дополняют нулями до 2N, 4N, 8N…, получая промежуточные отсчеты ПВКФ на дискретной шкале временных задержек τ=τk, и при считывании значений ПВКФ в точках попарных разностей времен распространения сигнала τmn(pq), не совпадающих с дискретными значениями шкалы временных задержек τmn(pq)≠τk, используют интерполяцию.

Новизна предлагаемого решения заключается в том, что после определения ПВКФ сигналов с выходов антенн Cmn(τ), вместо определения взаимных задержек сигнала (как в аналогах) путем определения положения максимума ПВКФ на шкале τ каждой из ПВКФ, или других взаимных параметров ПВКФ - β0, τ0 и С0 (как в прототипе), просто считывают значения Cmn(τ), без всякого анализа, по правилу τ=τmn(pq) и распределяют их по pq-м ячейкам координатной сетки (где τmn(pq) - заранее рассчитанные параметры pq-x узлов координатной сетки, р=1, 2,…,P, q=1, 2,…,Q).

Введение новых признаков позволяет получить на индикаторе визуальную картину расположения источника или нескольких источников излучения в виде сигнальных отметок с максимальными значениями, координаты которых считываются непосредственно на координатных шкалах индикатора. При этом в координатной точке, соответствующей оценке истинного расположения источника, сигнальная отметка имеет максимум, образованный удвоенной суммой главных максимумов всех (М2-М)/2 ПВКФ и М оценок мощности квадратичными детекторами, что обеспечивает наибольшую помехоустойчивость обнаружения, наблюдения и определения координат источников в данной приемной системе, при ограниченном увеличении объемов обработки и вычислительных затрат. При этом главные лепестки каждой ПВКФ располагаются на двумерном поле индикации закономерным образом в виде трасс, пересекающихся в точке истинного расположения источника, создавая рисунок, обеспечивающий как идентификацию сигнальной отметки на фоне выбросов помехи, так и однозначное раздельное наблюдение нескольких источников, благодаря их размещению на двухкоординатной индикаторной картине.

Повышение помехоустойчивости до оптимальной здесь обеспечивается суммированием в каждой точке координатной сетки удвоенных значений всех (М2-М)/2 значений независимых ПВКФ приемной системы с результатами квадратичного детектирования выходных сигналов антенн, а сокращение вычислительных затрат достигается благодаря тому, что:

- взаимная корреляция выхода каждой антенны с каждой другой антенной Cmn(τ) определяется один раз (за время накопления Tн, пока независимо от координатной сетки) и затем используется для всех P×Q узлов координатной сетки путем считывания полученных значений Cmn(τ*mn(pq)),

- алгоритмы определения ВКФ Cmn(τ) хорошо разработаны до уровня стандартных процедур, как в аналоговой, так и в цифровой форме и оптимизированы по вычислительным затратам, в частности с использованием дискретизации коррелируемых процессов и применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье,

- считывание значений ПВКФ с интерполяцией и их суммирование в P×Q узлах координатной сетки производится после процедуры временного накопления ПВКФ и результатов квадратичного детектирования, т.е. заполнение всех ячеек координатной сетки индикаторной картины производится в темпе времени накопления Tн, что существенно сокращает требуемые объемы обработки и вычислительные ресурсы.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1-5, где на фиг.1 - схематическое изображение системы «источники-антенны» (для 3-х антенн), поясняющее предлагаемое изобретение; на фиг.2 - пример блок-схемы устройства, реализующего предлагаемый способ, на Фиг.3 - пример блок-схемы устройства, реализующего определение ПВКФ, на Фиг.4 - пример сигнальной отметки одиночного источника в поле индикации «направление-дальность» с сечениями по α и по D, проходящими через ее максимум; на Фиг.5 - пример визуализации взаимного расположения двух источников S1, S2 пo предлагаемому изобретению с сечениями, проходящими через максимумы их сигнальных отметок.

Сущность предлагаемого изобретения удобно пояснить на примере реализации его в простой двухкоординатной задаче с тремя линейно расположенными антеннами, как показано на поясняющей схеме Фиг.1, где приведено схематическое изображение геометрии системы «источники-приемники» для частной, планарной задачи визуализации источников в поле наблюдения в координатах «направление (α)-дальность (D))», для приемной системы из трех антенн А1, A2, А3, когда источники и приемники находятся в одной плоскости на одной линии. За начало координат принята точка расположения центра центральной антенны А2. Антенны расположены на оси х с известными координатами x1, x2=0, x3, тогда L1, L2, L3 - траектории сигнала от источника к антеннам A1, А2, А3, соответственно. l12, l13, l23 - разность хода сигнала излучателя к антеннам, тогда попарные разности времен распространения сигнала τmn(pq) к каждой m-й антенне и каждой другой n-й антенне (здесь m, n=1, 2, 3) из точки поля наблюдения с координатами pq-то координатного узла, где αp=aS, Dq=DS равны: τ12S, DS)=l12/c, τ13S, DS)=l13/с, τ23S, DS)=l23/с, где с - скорость распространения сигнала. В более общем случае произвольного расположения антенн в пространстве, координаты их центров представлены вектором: или и др. и расчет разностей хода сигнала излучателя к антеннам l12, l13, l23 решается аналогичным образом, по формулам тригонометрии.

В более общем случае - трехкоординатной задачи: «азимут, угол места, дальность» [α, θ, D], действия выполняются аналогично описанным ниже для любой пары координат при фиксированном значении третьей координаты: [α, θ, D=const], [α, D, θ=const], [θ, D, α=const]. Выбор фиксированного значения третьей координаты определяется конкретным применением: либо оно известно по условиям задачи, либо задается рядом значений с переключением с одного на другое, либо задача решается параллельно для нескольких заданных значений, например, для веера характеристик направленности в вертикальной или горизонтальной плоскости, последовательности значений дальности и пр.

Отображение графика индикаторного процесса VS(α, D) может быть представлено в прямоугольных координатах [α, D] (а также [α, θ], [θ, Z)]), как в аксонометрической проекции с линейным кодированием величины VS(α, D), так и в виде плоской картины с яркостным или цветовым кодированием величины, а также в виде графиков сечений по α или D при фиксированном значении второй координаты, например, сечений, проходящих через максимум VS(α, D), как показано на Фиг.4 и 5.

График VS(α, D) может быть представлен также в других системах координат: полярной, географической и пр., в зависимости от конкретного применения.

Вариант реализации предлагаемого изобретения можно пояснить на примере устройства, реализующего прием сигналов в геометрии, представленной на схеме Фиг.1. Блок схема устройства по предлагаемому изобретению на примере системы из трех антенн показана на Фиг.2. Устройство (Фиг.2) содержит: блок 1 предварительной обработки (БПО), блок 2 попарной обработки сигналов (БПОС), блок 3 квадратичных детекторов (БКД), индикатор 4 и пульт управления 5. БПО содержит три входных блока 1.1 (A1), 1.2 (A2), 1.3 (А3), включающих антенны и известные элементы предварительной обработки: усиление, фильтрацию, предварительную ориентацию для приема сигнала с направлений сектора обзора по направлению «αmin, αmax», заданного с пульта управления 5. Три выхода блока 1 соединены с входами блока 2 попарной обработки сигналов (БПОС), и, параллельно, с входами блока 3 квадратичных детекторов (БКД). Блок 2 содержит блок 6 попарной взаимно-корреляционной обработки сигналов (БПВК), блок 7 считывания значений ПВКФ (БС) и сумматор 8 из P÷Q ячеек, суммирующих в каждой ячейки (М2-М)/2 удвоенных результатов попарной обработки сигналов и М результатов квадратичного детектирования, а также вычислительный контур 9 расчета разностей времен прихода сигнала τmn(pq) к mn-м парам антенн (m, n=1, 2, 3, при m<n, тогда (М2-М)/2=3, для pq-x узлов координатной сетки, p=1, 2,…,P, q=1, 2,…,Q. Вычислительный контур 9 соединен и управляется устройством сканирования узлов координатной сетки 10 в пределах заданных пультом управления 5 границ поля обзора и индикации «αmin, αmax; Dmin, Dmax» с заданной дискретностью Δα, ΔD.

БПВК 6 содержит идентичные блоки 6.1, 6.2, 6.3 определения взаимно-корреляционных функций (ВКФ) Cmn(τ), на парные входы которых подключают выходные сигналы пар антенн из БПО 1: А1-А2 (1.1-1.2), А1-А3 (1.1-1.3) и А2-А3 (1.2-1.3), а выходы ВКФ 6.1-6.3 соединены с входами идентичных блоков 7.1, -7.3 блока БС 7 считывания значений ПВКФ Cmnmn(pq), m, n=1, 2, 3, при m<n, в точках τ=τmn(pq), поступающих из вычислительного контура 9 для каждого pq-го узла координатной сетки.

Выходы БС 7.1, 7.2, 7.3 соединены с входами блока 8 сумматоров значений ПВКФ в pq-x узлах координатной сетки, который также имеет входы, соединенные с выходами блоков 3.1, 3.2, 3.3 блока 3 БКД, а его выход соединен с индикатором 4, соединенным также с пультом управления 5, управляющий адресами узлов координатной сетки pq.

Пример экономичной реализации блока 6 определения попарной взаимной корреляции (БПВК) в частотной области приведен на схеме Фиг.3, где блоки 11.1-11.3 - синхронно работающие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), управляемые тактовой частотой Fт с генератора 16, 12.1-12.3 - идентичные блоки преобразования Фурье (БПФ), 13.1-13.3 - идентичные контуры вычисления комплексных попарных взаимных спектров плотности мощности (ПВСПМ) выходных сигналов всех пар антенн, 14.1-14.3 - идентичные блоки накопителей реальных и мнимых частей ПВСПМ, 15.1-15.3 - контуры вычисления обратного преобразования Фурье, выходные данные которых поступают на входы блока 6 (БС) считывания значений ПВКФ.

Пример выполнения предлагаемого способа целесообразно рассмотреть совместно с работой устройства по схеме Фиг.2. В блоке 4 индикации организуют координатную сетку «направление-дальность» (αp-Dq) с требуемыми границами поля наблюдения «αmin, αmax; Dmin, Dmax» и с интервалами дискретности шкал Δα, ΔD, задаваемыми с пульта управления 5. В блоке 5 сканирующее устройство перебирает узлы координатной сетки и передает значения координат αp, Dq в вычислительный контур 9 расчета разностей времен прихода сигнала по формулам тригонометрии с использованием координат центров антенн в приемной системе и последовательным значениям предполагаемых координат источника излучения αp, Dq (см. Фиг.1). Расчет разностей времен прихода сигнала производят при задании с пульта управления 5 параметров координатной сетки и сохраняют в памяти до следующего их задания. Сигналы, принятые антеннами с предварительной обработкой (блоки 1.1-1.3) поступают в блок попарной обработки сигналов 2, где в блоке 6 определяют ПВКФ сигналов всех пар антенн Cmn(τ) в блоках 6.1-6.3. Результаты определения ПВКФ Cmn(τ) поступают в блоки 7.1-7.3 считывания значений ПВКФ для значений разностей времен прихода сигнала τ=τmn(pq) к mn-парам антенн для pq-х узлов координатной сетки, т.е. Cmnmn(pq)). Значения разностей времен прихода сигнала τmn(pq), как параметров считывания, поступают в блоки 7.1-7.3 из вычислительного контура 9. Результаты считывания значений ПВКФ из блоков 7.1-7.3 поступают в блок 8, где они суммируются в сумматорах pq-х узлов координатной сетки. Блок сумматоров 8 также имеет входы, соединенные с выходами квадратичных детекторов 3.1, 3.2, 3.3 блока 3 БКД, выходные значения которых um поступают на сумматоры pq-x узлов координатной сетки, угловая координата которых αp укладывается в заданный строб относительно направления предварительной ориентации m-й антенны αmp∈αm±Δγm, где Δγm - сектор внутри главного лепестка ХН антенны на уровне γ=0.7, 0.8, 0.9,…, по условиям конкретного применения.

Таким образом, в блоке 8 получают P×Q суммарных значений всех [М2-М)/2 ПВКФ и М выходов квадратичных детекторов (с накоплением), которые выводят на индикатор 4.

Пример сигнальной отметки одиночного источника на индикаторе 4 по предлагаемому изобретению с реализацией по схеме Фиг 2 приведен на рисунке Фиг.4. На Фиг.5 приведен пример визуализации взаимного расположения двух источников S1, S2 по предлагаемому изобретению.

Дополнительное сокращение объемов обработки и увеличение точности считывания значений ПВКФ Cmnmn(pq)) достигается с помощью устройства, представленного на Фиг.3. Устройство (фиг.3) содержит блоки АЦП 11.1-11.3, соединенные по входу с выходами блоков предварительной обработки 1.1-1.3 соответственно, а по выходу - с блоками быстрого преобразования Фурье (БПФ) 12.1-12.3 соответственно, блоки АЦП 11.1-11.3 соединены с тактовым генератором 16, синхронизирующим их работу. Выходы блоков БПФ 12.1-12.3 попарно соединены с парными входами идентичных блоков определения взаимных спектров плотности мощности (ВСПМ) 13.1-13.3, выходы которых соединены с накопителями реальных и мнимых частей ВСПМ 14.1-14.3. Выходы накопителей соединены с входами контуров вычисления обратного преобразования Фурье (ОБПФ) 15.1-15.3, выходы которых соединены с соответствующими входами блока считывания ПВКФ (БС) 7 (7.1-7.3).

С помощью устройства фиг.3 ПВКФ каждой пары «антенна-другая антенна» выполняют, подвергая сигналы с выхода каждой антенны 1.1-1.3 синхронной дискретизации с интервалом Δt с тактовой частотой Fт генератора 16, цифровому преобразованию в 11.1-11.3 и быстрому преобразованию Фурье на выборке длительностью NΔt в 12.1-12.3. Вычисляют комплексные попарные взаимные спектры плотности мощности (ПВСПМ) сигнала каждой антенны с сигналом каждой другой антенны в 13.1-13.3, а накопление за время Tн выполняют отдельно для реальной и мнимой части ПВСПМ в 14.1-14.3, затем для каждой упомянутой ПВСПМ выполняют обратное преобразование Фурье в 15.1-15-3, при котором последовательности ПВСПМ дополняют нулями до 2N, 4N, 8N… с целью получения дополнительных, промежуточных отсчетов ПВКФ для увеличения точности считывания значений ПВКФ, результаты которых поступают в блок считывания 7 на входы блоков 7.1-7.3 соответственно.

Известны практические приложения с другим количеством антенн М>3, как например в [4], где три бортовые антенны используют совместно с носовой антенной (М=4), или в трехкоординатном звуколокаторе [5] с пятью антеннами (М=5), где применение способа-прототипа невозможно или существенно уступает в помехоустойчивости. В случае применения предлагаемого способа с большим количеством антенн М состав, содержание и связи операций сохраняются, увеличивается лишь количество К идентичных блоков в схемах типа Фиг.2 и Фиг.3 в соответствии с формулой K=(М2-М)/2: при М=3, K=3, при М=4, K=6, при М=5, K=10 и т.д., при этом с увеличением количества антенн преимущества предлагаемого способа быстро увеличиваются.

Работоспособность предлагаемого способа подтверждена моделированием и натурными испытаниями на макетах в реальных условиях, в том числе с количеством используемых разнесенных антенн М>3 [5]. В частном примере индикации поля наблюдения (типа Фиг.4 и 5) с координатной сеткой 200×100 узлов, с тремя антеннами, верхней частотой приема 8 кГц, частотой дискретизации 20 кГц, NБПФ=512, расширением массива нулями до размера 4N, при времени накопления Tн=1.0 с, с интерполяцией Cmn(τ) полиномом 2 порядка по 3 точкам, с применением предлагаемого изобретения получена помехоустойчивость результата на уровне оптимальной обработки, т.е. максимальная при данной приемной системе, а сокращение объема обработки и времени решения на обычном персональном компьютере, составляет ≈50 раз по сравнению с прямым оптимальным решением.

Источники информации

1. Патент США №3,947,803. Система определения направления. МПК G01S 11/14; G01S 11/00; G01S 3/00; G01S 3/808; G01S 003/80, заявл. 12.05.1971, публ. 30.03.1976 г.

2. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы. СПб.: Наука. 2004. С. 66-68.

3. Патент США №4,910,719. Метод пассивной звуковой телеметрии. МПК G01S 5/18, заявл. 20.04.1988, публ. 20.03.1990. (Прототип).

4. Патент США №4,480,322. Пассивная акустическая система подводного измерения дальности. МПК G01S 3/80; G01S 5/18, заявл. 05.04.1982, публ. 30.10.1984.

5. Л.Е. Гампер. О пространственных характеристиках трехмерной разнесенной акустической системы. Натурные испытания. Докл. XI школы-семинара им. акад. Л.М.Бреховских "Акустика океана" и XVII сессия Российского Акустического общества, май 2006 г. М.: ГЕОС, 2006.

1. Способ пассивного определения координат источников излучения, содержащий прием сигналов тремя антеннами, расположенными в пространстве известным образом, предварительную обработку принятых сигналов, определение попарных взаимнокорреляционных функций (ПВКФ) сигналов антенн, временное накопление ПВКФ, суммирование ПВКФ, индикацию, отличающийся тем, что прием сигналов производят М≥3 антеннами, в поле индикации организуют координатную сетку «направление-дальность» (αp-Dq) с требуемыми границами поля наблюдения «αmin, αmax; Dmin, Dmax» и с интервалами дискретности Δα, ΔD, для каждого pq-го узла координатной сетки вычисляют попарные разности времен распространения сигнала к каждой m-й антенне и каждой другой n-й антенне из точки поля наблюдения с координатами pq-го узла координатной сетки τmn(pq), как если бы источник находился в этой точке, с выходов антенн определяют (М2-М)/2 ПВКФ сигнала Cmn(τ) каждой m-й антенны с сигналом каждой другой n-й антенны и выполняют квадратичное детектирование выходных сигналов каждой антенны, а суммирование ПВКФ выполняют для каждого pq-то узла координатной сетки путем считывания (М2-М)/2 значений полученных ПВКФ Cmn(τ) в точках τ=τmn(pq) на шкале задержек τ и суммирования их удвоенного значения с результатами квадратичного детектирования сигналов каждой антенны, после чего все полученные суммарные значения для всех pq-x узлов выводят на координатную сетку индикатора, а координаты источников излучения определяют по положению максимума индикаторных значений на координатных шкалах координатной сетки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение ПВКФ каждой пары «антенна-другая антенна» выполняют, подвергая сигналы с выхода каждой антенны синхронной дискретизации с интервалом Δt, цифровому преобразованию и преобразованию Фурье на выборке длительностью NΔt, вычисляют комплексные попарные взаимные спектры плотности мощности (ПВСПМ) сигнала каждой антенны с сигналом каждой другой антенны, а накапление за время Tн выполняют отдельно для реальной и мнимой части ПВСПМ, для каждого ПВСПМ выполняют обратное преобразование Фурье, при котором последовательности ПВСПМ дополняют нулями до 2N, 4N, 8N…, получая промежуточные отсчеты ПВКФ на дискретной шкале временных задержек τ=τk, и при считывании значений ПВКФ в точках попарных разностей времен распространения сигнала τmn(pq), не совпадающих с дискретными значениями шкалы временных задержек τmn(pq)≠τk, используют интерполяцию.



 

Похожие патенты:

Использование: в радиолокации, радиосвязи и радиоастрономии. Сущность: корреляционный обнаружитель сигналов содержит выполненную определенным образом дискретную антенную решетку (ДАР), включающую N ненаправленных пассивных и М активно-пассивных электроакустических преобразователей, соответствующие им I каналы передачи информации, блок управления характеристикой направленности, блок вычисления относительных координат элементов ДАР, пороговое устройство, вычислитель порога принятия решения, индикатор, блок управления активно-пассивными элементами ДАР, а также корреляционный формирователь характеристик направленности с временной задержкой сигналов.

Использование: изобретение относится к антенной технике и предназначено для построения диаграммы направленности фазированных антенных решеток из состава антенных устройств систем радиосвязи или радиолокационных устройств.

Изобретение относится к водолазной технике, а именно к аппаратуре звукоподводной связи и пеленгования, используемой водолазами. Пеленгатор водолаза, совмещенный со станцией звукоподводной связи, состоит из генератора импульсов и двух идентичных приемных каналов импульсов, каждый из которых имеет свою антенну, установленную слева или справа от водолаза.

Настоящее изобретение относится к техническим решениям для правоохранительных органов и служб безопасности и более конкретно к способам оценки дальности до точки выстрела.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано наблюдателем для оценки степени угрозы со стороны торпеды. .

Изобретение относится к подводной навигации и может быть использовано при подводно-технических работах общехозяйственного и специального назначения с применением автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) с автоматическим или супервизорным управлением, автономно выполняющих операции, требующие уточненного позиционирования АНПА.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для обнаружения движущегося источника звука, измерения координат источника звуковых волн в мелком море в пассивном режиме с помощью акустических приемников, установленных на морском дне, координаты которых и угловое положение считаются известными.

Изобретение относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам для ультразвуковой эхо-локации внутренних органов. .

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для измерения координат источника звуковых волн в мелком море в пассивном режиме с помощью акустических приемников, установленных на морском дне, координаты которых и угловое положение считаются известными.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при натурных испытаниях подводных объектов. Технический результат - снижение погрешности определения координат позиционирования и углов ориентации объекта позиционирования в пространстве мобильного полигона. Для этого в состав объекта испытаний вводят аппаратурный комплекс с системой уточненного трехмерного позиционирования с угловой ориентацией, блок ее информационного обмена с объектом и блок начальных глобальных координат по приемнику ГЛОНАСС. При этом вводят в состав мобильного полигона буйково-якорные позиции с погружным контейнером, в котором размещают аппаратурный модуль с блоком маяка-ответчика системы уточненного позиционирования и блоком демодуляции гидроакустических телеметрических сигналов. В плавающем буе якорной позиции размещают передающее (принимающее) устройство спутниковой системы «ИНМАРСАТ» и радиомодем. На судовом (береговом) посту размещают принимающее (передающее) устройство спутниковой системы «ИНМАРСАТ». 2 ил.

Использование: изобретение относится к оценке местоположения источника звука с использованием фильтрования частиц, в частности к оценке местоположения источника звука для мультимодального приложения аудиовизуальной связи. Сущность: местоположение источника звука оценивается посредством фильтрования частиц, при котором частицы представляют функцию плотности вероятности для переменной состояния, содержащей местоположение источника звука. Способ включает в себя определение весового коэффициента для частицы, в ответ на корреляцию между оцененными акустическими передаточными функциями от источника звука к, по меньшей мере, двум позициям записи звука. Функция обновления весового коэффициента, в частности, может быть определена детерминированно из корреляции, и таким образом корреляция может быть использована в качестве функции псевдоправдоподобия для измерения функции фильтрования частиц. Акустические передаточные функции могут быть определены из формирования диаграммы направленности аудио по направлению к источнику звука. Аудиовесовой коэффициент может быть комбинирован с видеовесовым коэффициентом для генерации подхода мультимодального фильтрования частиц. Технический результат: увеличение приспособляемости, снижение сложности оценки местоположения источника звука с одновременным увеличением точности и улучшением производительности. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к бортовой системе обнаружения стрелка, содержащей множество датчиков, прикрепленных к корпусу летательного аппарата, например вертолета. Датчики предназначены для приема сигналы только ударной волны. Принятые сигналы анализируются с целью определения однозначного местоположения стрелка. Анализ может включать измерение времени прихода ударных волн от снарядов на каждый из датчиков, определение разности времен прихода сигнала на датчики, вычисление набора неоднозначных решений, соответствующих стрелку, и кластеризацию этого набора решений для определения однозначного местоположения стрелка. Указанный кластер представляет собой эллипс. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения степени однозначности определения истинного местоположения стрелка. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики. Сущность: в способе определения направления на гидроакустический маяк-ответчик в условиях многолучевого распространения навигационного сигнала определяют направление одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях на гидроакустический маяк-ответчик путем приема антенной решеткой сигнала маяка-ответчика, усиления принятого сигнала предварительными усилителями, подключенными к выходу каждого преобразователя антенной решетки, оцифровки с частотой дискретизации Fs. При этом маяк-ответчик излучает в ответ на запрос гидроакустической навигационной системы сложный навигационный сигнал с несущей частотой, подвергнутой фазовой манипуляции по закону кодовой последовательности Гоулда, сигнал, принятый каждым преобразователем антенной решетки, фильтруют цифровым фильтром, согласованным с навигационным сигналом, а длительность навигационного сигнала выбирают таким образом, чтобы наибольшее доплеровское искажение навигационного сигнала, соответствующее диапазону возможных скоростей движения носителя антенной решетки относительно неподвижного маяка-ответчика, не приводило к рассогласованию фильтра и принятого навигационного сигнала. Технический результат - сокращение аппаратных и вычислительных ресурсов при построении гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой. 4 ил. .

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для определения параметров движения гидролокаторов или других источников излучения зондирующих сигналов. Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является определение элементов движения источника зондирующих сигналов за несколько принятых посылок. Способ измерения изменения курсового угла движения источника зондирующих сигналов содержит последовательный прием зондирующих сигналов перемещающегося источника, спектральный анализ первого, второго и n-ого принятых сигналов, в каждом из этих принятых сигналов определение порога обнаружения, измерение амплитуды спектральных отсчетов, превысивших порог, определение и запоминание значения спектральных отсчета F1, F2 и Fn, имеющих максимальную амплитуду, вычисление разности значений спектральных отсчетов F2-F1 и Fn-F1, а значение изменения курсового угла движения источника зондирующих сигналов Q n 0 определяют как a r cos     Q n 0 , где C o s   Q n 0 = ( F n − F 1 ) / ( F 2 − F 1 ) < 1 , если угол между приемником и источником зондирующих сигналов увеличивается, или C o s   Q n 0 = ( F 2 − F 1 ) / ( F n − F 1 ) < 1 , если угол между приемником и источником зондирующих сигналов уменьшается, а при (Fn-F1)(F2-F1)=1 считают, что курсовой угол движения не изменился или изменился незначительно. 1 ил.

Устройство для обнаружения сигналов и определения направления на их источник. Технический результат изобретения заключается в создании нового устройства для обнаружения сигналов и определения направления на их источник (источники) с числом нелинейных операций в тракте обработки, равным 2. В этом устройстве отклик обнаружителя формируется без влияния на него среднего значения пространственного отклика обнаружителя на помеху и учтена возможность перемещения в пространстве приемников дискретной антенной решетки под воздействием внешних сил. Для этого обнаружитель содержит выполненную определенным образом дискретную антенную решетку (ДАР), включающую N ненаправленных пассивных и М активно-пассивных электроакустических преобразователей (ЭАП), соответствующие им I каналы передачи информации, блок управления характеристикой направленности, блок вычисления относительных координат элементов ДАР, пороговое устройство, вычислитель порога принятия решения, индикатор, блок управления активно-пассивными элементами ДАР, а также формирователь характеристик направленности с временной задержкой сигналов. Принципиальные отличия изобретения от прототипа заключаются в том, что в состав обнаружителя включен пульт оператора, а формирователь характеристики направленности дополнительно содержит микропроцессорное устройство с возможностью вычитания вычитающим устройством среднего значения отклика обнаружителя только на помеху из выходного сигнала запоминающего устройства. 1 ил.

Изобретение относится к звукометрическим станциям (звукометрическим комплексам) и может быть использовано для определения удаления источника звука (ИЗ) от акустического локатора, его исправленного звукометрического угла и топографических координат (ТК) этого ИЗ. Он включает в себя левую (ЛЛГ) и правую линейные группы (ПЛГ) звукоприемников (ЗП), каждая из которых состоит из 3 ЗП, причем средины этих ЛГ удалены по фронту друг от друга на несколько сотен метров и примерно на несколько километров от линии боевого соприкосновения войск, три канала обработки сигнала (КОС), электронно-вычислительную машину (ЭВМ), цепь формирования селекторного импульса (ЦФСИ) и систему управления характеристиками направленности ЛГ ЗП, позволяющую обрабатывать сигналы в КОС лишь в определенные моменты времени, определяемые программами, установленными в 2 ее микроконвертора, что повышает помехозащищенность АЛ и обеспечивает получение ТК ИЗ, находящихся в секторе разведки. Первый КОС и канал частоты состоят из выделителя сигнала (ВС), сумматора напряжений (СН), амплитудного детектора (АД), аналого-цифрового преобразователя и последовательно соединенного с ним регистра, который соединен с ЭВМ. Второй КОС включает в себя ВС, СН, АД, систему измерения времени (СИВ) и 2 регистра, соединенных с ЭВМ. СИВ измеряет число импульсов (с периодом повторения 1 мс) до момента прихода импульсного акустического сигнала к ПЛГ ЗП, а также к ЛЛГ ЗП, ЦФСИ содержит в себе последовательно включенные между собой фронтальный ЗП, триггер Шмита и одновибратор. Канал частоты f1 обрабатывает электрический сигнал частотой f1, а первый и второй - частотой f0. В результате обработки сигналов в первом КОС и канале частоты f1 ЭВМ рассчитывает дальность до ИЗ, а в результате обработки сигналов во втором КОС ЭВМ рассчитывает исправленный звукометрический угол, а потом и ТК ИЗ. Технический результат: повышение помехозащищенности акустического локатора. 15 ил., 26 прилож.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в качестве гидроакустического вооружения подводных лодок различного назначения, а также при проведении подводных геологических и гидроакустических работ и исследований. Комплекс включает в себя тракты основного и дополнительного шумопеленгования, тракт обнаружения гидроакустических сигналов, тракт гидролокации, тракт связи и опознавания, тракт миноискания и обнаружения навигационных препятствий, центральную вычислительную систему, систему отображения, регистрации, документирования и управления и общую шину. При этом все излучающие антенны тракта гидролокации выполнены электронно управляемыми как по числу лучей характеристики направленности, так и по их ширине и направлению. Тракт основного шумопеленгования содержит основную носовую приемную антенну и первое устройство предварительной обработки. Тракт обнаружения гидроакустических сигналов содержит три приемные антенны и второе устройство предварительной обработки. Тракт гидролокации содержит три электронно управляемые антенны и первое генераторное устройство. Тракт связи и опознавания содержит две излучающие антенны и второе генераторное устройство. Тракт миноискания и обнаружения навигационных препятствий содержит приемопередающую антенну, переключатель «прием-передача», третье генераторное устройство и третье устройство предварительной обработки. Тракт дополнительного шумопеленгования содержит гибкую протяженную буксируемую антенну, кабель-трос, токосъемное устройство и четвертое устройство предварительной обработки. Технический результат: повышение скрытности работы ГАК и дальности обнаружения целей в режиме ГЛ. 1 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для обнаружения объекта в морской среде и измерения координат. Техническим результатом от использования изобретения является измерение дистанции до объекта отражения при неизвестном времени излучения и месте постановки, что повышает эффективность использования гидроакустических средств. Для достижения указанного технического результата производится излучение взрывного сигнала в морской среде, прием отраженного сигнала широкополосным приемником, многоканальный частотный анализ отраженного сигнала, отображение на индикаторе спектров с выхода каналов, производят автономную установку и подрыв источника взрывного сигнала, измеряют зависимость скорости звука от глубины, измеряют уровень помехи в полосе приема, определяют порог обнаружения, принимают сигнал прямого распространения взрывного сигнала, который превысил выбранный порог обнаружения, определяют время приема сигнала прямого распространения от взрывного источника до приемника Тпрям, измеряют спектр сигнала прямого распространения, превысившего порог обнаружения, определяют ширину спектра сигнала прямого распространения в полосе приемного устройства Фпрям, принимают сигнал, отраженный от объекта, определяют время приема отраженного сигнала Тэхо, измеряют спектр отраженного сигнала, определяют полосу спектральных составляющих отраженного сигнала, превысивших порог обнаружения Фэхо, определяют дистанцию до объекта по формуле Дизм=К(Фпрям-Фэхо), где К - коэффициент, определяющий частотное затухание спектра сигнала при распространении, при этом Дизм>(Тэхо-Тпрям)С, где С - скорость звука. 1 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения зондирующих сигналов гидролокаторов, установленных на подвижном носителе. Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение возможности определения изменения курсового угла движения источника зондирующего сигнала, скорости изменение направления его движения. Для достижения указанного технического результата в способе производится последовательный прием зондирующих сигналов перемещающегося источника, определение момента времени прихода первого принятого зондирующего сигнала, отличающийся тем, что введены новые операции, а именно: последовательно измеряют моменты времени ti приема еще n зондирующих сигнала, где n не менее 3-х, определяют временной интервал Tk между моментами прихода каждых двух следующих друг за другом зондирующих сигналов Tk=ti+1-ti, определяют разность измеренных временных интервалов ΔTm=Tk+1-Tk, где m - номер измерения разности последовательных временных интервалов, определяют знак разности временных интервалов, запоминают первую разность временных интервалов, определяют следующую разность временных интервалов, если разность интервалов имеет отрицательный знак, определяют косинус курсового угла движения источника, как отношение каждой последующей разности к первой разности временных интервалов, определяют курсовой угол движения источника зондирующих сигналов, как величину, обратную косинусу измеренного отношения, если измеренная величина разности положительная, то источник зондирующих сигналов удаляется, и косинус угла вычисляется, как отношение первой разности к каждой последующей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх