Способ пассивной акустической локации подводных пловцов
Владельцы патента RU 2556302:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) (RU)
Изобретение относится к гидролокации, конкретно к пассивным способам акустического обнаружения и локации подводных пловцов в толще воды, и может быть использовано при проведении подводных поисковых и спасательных работ, осуществлении охраны береговых сооружений и пляжей со стороны водной среды или охраны подводных сооружений, а также охраны судов на якорной стоянке, морских нефтяных платформ, входов в порты, опор мостов, каналов, акваторий гидростанций. Способ основан на обнаружении и выделении из зарегистрированных шумов исследуемой акватории квазипериодических модуляций неустранимых низкочастотных дыхательных шумов подводного пловца, вызванных ритмом дыхательных маневров, частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц. Технический результат - увеличение дальности обнаружения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к гидролокации, конкретно к пассивным способам акустического обнаружения и локации подводных пловцов в толще воды, и может быть использовано при проведении подводных поисковых и спасательных работ, осуществлении охраны береговых сооружений и пляжей со стороны водной среды или охраны подводных сооружений, таких как проложенные под водой кабели, коллекторы, трубопроводы, а также охраны судов на якорной стоянке, морских нефтяных платформ, входов в порты, опор мостов, каналов, акваторий гидростанций от возможных нарушителей или террористов.
Известен способ обнаружения подводных объектов по их первичному акустическому полю, заключающийся в приеме сигналов от них в звуковом диапазоне частот от 1-1,6 кГц до 16-20 кГц и ультразвуковом диапазоне выше 16 кГц, усилении принятых сигналов, спектральном анализе с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков, сравнении их с эталонным сигналом и принятии решения об обнаружении и распознавании подводного объекта (Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики. - М.: Пищевая промышленность, 1977, с. 172-190).
Известен способ обнаружения дайвера по звукам баллона с дыхательной смесью (в.з. JP №5461566). Способ заключается в обнаружении направленными антеннами специфического звука «С» шумов дыхательного баллона в воде и определении дистанции до водолаза и его местоположения на плоскости,
Наиболее близким к заявляемому решению является способ пассивной акустической локации подводного пловца, при котором высокочастотные (более 1000 Гц) шумы регистрируют направленной антенной, сравнивают полученный уровень шумов с известным фоновым уровнем и при превышении констатируют присутствие пловца в акватории (Fillinger L., Hunter A.J., Zampolli М., Clarijs М.С. Passive acoustic detection of closed-circuit underwater breathing apparatus in an operational port environment // J. Acoust. Soc. Am. 2012. V. 132. No. 4. P. EL310-EL316.)
Недостатком данного способа является использование в качестве исходных данных высокочастотных шумов подводного пловца, что ограничивает дальность пассивной локации водолаза из-за быстрого затухания высокочастотного звука с расстоянием.
Задача изобретения - разработка нового способа пассивной локации подводного пловца на акватории.
Технический результат - увеличение дальности обнаружения пловца за счет обнаружения неустранимых низкочастотных шумов, присущих дыханию пловца.
Поставленная задача решается способом пассивной акустической локации подводного пловца, включающим регистрацию подводных шумов акватории в полосе частот ниже 1000 Гц как минимум одним одиночным гидрофоном или гидрофонами, объединенными как минимум в одну антенную решетку, обработку полученного шумового сигнала для выделения квазипериодических изменений интенсивности шумов, частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц, при обнаружении которых констатируют присутствие пловца в акватории.
Способ основан на том, что впервые заявителем обнаружены квазипериодические амплитудные модуляции (изменения интенсивности) низкочастотных дыхательных шумов подводного пловца, вызванные ритмом дыхательных маневров, частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц.
Способ осуществляют следующим образом.
В исследуемой акватории устанавливают или одиночные гидрофоны, как минимум один, или как минимум одну антенную решетку из гидрофонов. На выходах гидрофонов или антенных решеток устанавливают соответствующие усилители и фильтры, ограничивающие сверху полосу частот регистрируемых шумов частотой 1000 Гц. Регистрируют шумы. Затем любым известным способом выделяют квазипериодические изменения интенсивности шумов (амплитудную модуляцию), частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц, которая характеризует предельные физиологические границы ритма непрерывного дыхания человека - от 6-8 дыхательных циклов в 1 минуту - в покое, до 60 дыхательных циклов в 1 минуту - при экстремальной физической нагрузке (http://www.fiziolive.ru/html/fiz/statii/breath.htm).
Количество используемых гидрофонов или антенных решеток определяет только пространственную избирательность и максимальную возможную дальность обнаружения, а также возможность определения местонахождения пловца.
Для выделения квазипериодических изменений интенсивности шумов в диапазоне 0,1-1 Гц используют любые известные и приемлемые для этого методы, например вычисление спектрограммы.
На Фиг. 1a представлена сигналограмма шумов пловца под сухим комбинезоном в снаряжении замкнутого типа, записанная над трахеей, в координатах процент от полной шкалы (Percent FullScale) - время в секундах (time(seconts), на Фиг. 1б - спектрограмма, вычисленная по полученным данным, в координатах частота, Гц (frequency, Hz) - время, сек (time(seconds), где 1 - вдох, 2 - выдох.
На Фиг. 2 представлена огибающая шумов пловца, зарегистрированная одиночным гидрофоном в толще воды, при постепенном его удалении от гидрофона на дистанцию около 100 м.
На Фиг. 3 показан спектр мощности огибающей шумов, приведенной на Фиг. 2.
В представленном примере шумы водолаза пловца в снаряжении замкнутого типа практически не просматриваются по сигналограмме (Фиг. 1а) на фоне помех. Тем не менее, дыхательные шумы хорошо видны на спектрограмме (Фиг. 1б). При этом основная часть энергии шумов выдоха сосредоточена в полосе частот ниже примерно 1000 Гц. Данные модуляции, частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц, не характерны для большинства технических или природных объектов, и потому могут быть использованы в качестве классификационного признака присутствия подводного пловца при их обнаружении на фоне подводных шумов акватории.
Возможно также выделение квазипериодических составляющих шумов путем фильтрации шумов в оптимизированной полосе частот и детектирование огибающей (Машошин А.И. Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов // Акустический журнал. 2013. т. 59. №3. С. 347-353). Так, по результатам проведенного натурного эксперимента в условиях мелководной бухты, при фильтрации в полосе частот 200-500 Гц и квадратичном детектировании сигнала (время накопления скользящим окном 0,25 с) с одиночного ненаправленного гидрофона (Фиг. 2) удается выделять искомые квазипериодические составляющие (модуляцию огибающей) при движении водолаза-аквалангиста от гидрофона вдаль до примерно 50 м. Спектральное преобразование огибающей (Фиг. 3) показывает пиковые частоты 0,359 и 0,539 Гц. Наличие двух пиков частоты связано, вероятно, с тем, что в процессе движения аквалангиста ритм дыхания менялся. Следовательно, подтверждается возможность обнаружения подводных пловцов заявляемым способом. Дальнейшее увеличение дальности обнаружения подводного пловца может быть достигнуто за счет повышения пространственной избирательности (направленности) приема сигнала известным путем формирования антенной решетки из одиночных ненаправленных гидрофонов.
Таким образом, при обнаружении тем или иным способом в регистрируемых шумах акватории квазипериодических составляющих, лежащих в заявляемой полосе частот, констатируют присутствие водолаза в этой акватории.
Поскольку регистрируемые шумы являются низкочастотными (десятки - сотни Гц), они распространяются в водоемах на гораздо большие расстояния, чем используемые в прототипе высокочастотные шумы (полоса частот выше 1000 Гц), что приводит к существенному увеличению дальности обнаружения присутствия водолаза в акватории по сравнению с прототипом.
Кроме того, поскольку данные низкочастотные дыхательные шумы являются неустранимой частью эмиссионного излучения водолазов, выделение вышеописанных квазипериодических модуляций в общем фоне шумов моря может оказаться полезным и для наблюдения за акваториями в антитеррористических целях.
Выделенные квазипериодические характеристики шумов, связанные с.дыханием водолаза, можно использовать и для определения местоположения подводного пловца, используя для этого известные методы в навигации.
Например, с помощью метода триангуляции по задержкам квазипериодических компонент шумов дыхания подводного пловца на нескольких парах гидрофонов (не менее 3) становится возможной оценка его местоположения под водой относительно гидрофонов с известными (например, показания ГЛОНАСС/GPS и глубины места установки) координатами в пространстве.
Для повышения помехоустойчивости процедуры определения местоположения, вместо определения задержек времени на парах гидрофонов, можно использовать как минимум 2 решетки, построенные из гидрофонов, каждая из которых формирует веерную характеристику направленности. При обнаружении квазипериодических компонент шумов дыхания подводного пловца одной частоты в одном из лепестков веера характеристики направленности каждой антенны остается только определить область пространства, где эти лепестки пересекаются, что легко сделать, зная координаты приемных элементов решетки и ее центра и внося при необходимости поправки на гидрологию, искажающую распространения подводного звука. При создании достаточно узких лепестков веерной характеристики направленности повышается точность определения местоположения пловца. Кроме того, возникает возможность разрешения двух или более пловцов, местоположение которых в пространстве и частоты дыхания различаются. Использование антенных решеток позволяет добиться дополнительной пространственной фильтрации и, по сравнению с определением задержек на отдельных гидрофонах, что сулит увеличение дальности обнаружения подводных пловцов.
1. Способ пассивного акустического обнаружения подводных пловцов, включающий регистрацию подводных шумов акватории в полосе частот ниже 1000 Гц как минимум одним одиночным гидрофоном или гидрофонами, объединенными как минимум в одну антенную решетку, обработку полученного сигнала с целью выделения квазипериодических изменений интенсивности шумов, частота которых лежит в диапазоне 0,1-1 Гц, и при их обнаружении констатируют присутствие подводного пловца.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию подводных шумов акватории осуществляют как минимум тремя парами гидрофонов.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию подводных шумов акватории осуществляют как минимум двумя антенными решетками, формирующими веерные характеристики направленности.
