Способ обнаружения шумящих, движущихся в море объектов

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и дальности действия приемной системы на низких частотах в условиях мелкого и глубокого моря путем использования приемной системы на основе комбинированного приемника, в которой формируется множество информативных параметров. Способ обнаружения включает прием шумового сигнала комбинированным приемником, содержащим приемник звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости, частотно-временную обработку принятого сигнала, вычисление в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятых шумовых сигналов, комплексных амплитуд звукового давления, трех компонент вектора колебательной скорости, для суммарного процесса сигнал плюс помеха и для помехи отдельно, формирование в каждом частотном канале усредненных за время T1 значений семи информативных параметров, трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, центрирование и нормирование на помеху сигналов для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, вторичный спектральный анализ потоков мощности для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления в заданном диапазоне частот вторичного спектра для суммарного процесса сигнал плюс помеха и для помехи отдельно, центрирование, нормирование на помеху и выбор спектральной составляющей вторичного спектра с максимальным отношением сигнал-помеха, формирование в каждом частотном канале по результатам первичного и вторичного спектрального анализа 14 нормированных на помеху информативных параметров, вычисление максимального отношения сигнал/помеха для одного из 14 информативных параметров и принятие решения об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного в одном из 14 информативных параметров. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования. Известен способ обнаружения шумящих объектов, изложенный в монографии Л. Кампа (Подводная акустика./Пер. с англ., Мир, 1972, с. 262-263), в соответствии с которым с помощью антенны и энергетического приемника сигнала можно обнаружить цель в пассивном режиме путем сравнения отношения сигнал/помеха в зоне акустической освещенности с пороговым значением. Этот способ определения содержит следующие операции:

- прием гидроакустического шумового сигнала звукового давления с помощью приемной антенны с развитой апертурой в горизонтальной плоскости, причем антенна не обеспечивает разрешения по углу прихода в вертикальной плоскости траекторий лучей,

- частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов звукового давления для каждого пространственного канала наблюдения в горизонтальной плоскости,

- измерение уровня звукового давления на выходе пространственного канала веера, включая накопление во времени, центрирование и нормирование в единицах сигнал/помеха,

- развертывание на последовательных циклах обзора принятых шумовых сигналов звукового давления пространственных каналов веера в горизонтальной плоскости на панорамном индикаторе в координатах угол-время.

Недостатком данного способа является малая помехоустойчивость и дальность действия приемной системы при ее работе на низких частотах в мелком море, когда ее размеры становятся соизмеримыми с длиной волны.

Известен также способ обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне (патент RU 2298203, МПК G01S 3/80, G01S 15/04, опубл. 27.04.2007. БИ №12), включающий прием шумового сигнала звукового давления в горизонтальной плоскости, при котором осуществляют частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов звукового давления для каждого пространственного канала наблюдения в горизонтальной плоскости, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы звукового давления к помехе, осуществляют накопление на последовательных циклах обзора принятых нормированных шумовых сигналов звукового давления и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал-помеха, осуществляют прием шумового сигнала звукового давления статическим вертикальным веером одновременно в нескольких направлениях вертикальной плоскости каждого пространственного канала наблюдения в составе статического веера в горизонтальной плоскости, оптимизируют прием каждым горизонтальным пространственным каналом путем выбора наиболее вероятных углов приема в вертикальной плоскости для существующих гидроакустических условий подводного наблюдения. Для этого измеряют волнение поверхности моря, измеряют скорость звука в воде в зависимости от глубины, рассчитывают в каждом вертикальном пространственном канале уровень шумового сигнала на различных расстояниях и глубинах от точки приема, по измеренным данным и по известным характеристикам дна, решая уравнение гидроакустики в пассивном режиме для шумящего объекта с заданным уровнем шумоизлучения с учетом характеристик приемной системы, рассчитывают уровень шумов моря в каждом вертикальном пространственном канале с учетом характеристик приемной системы по измеренным данным и известным характеристикам дна. Затем нормируют относительно расчетных шумов моря в вертикальных пространственных каналах расчетные уровни шумовых сигналов в каждом пространственном канале, полученные для заданных расстояний до шумящего объекта и глубин, рассчитывают для каждого расстояния и глубины шумящего объекта в вертикальных пространственных каналах отношение сигнал-помеха. После этого осуществляют обработку принимаемых шумовых сигналов звукового давления с весами, пропорциональными расчетному отношению сигнал-помеха в вертикальных пространственных каналах, перед накоплением на последовательных циклах обзора, и суммируют с расчетными весами принятые нормированные к помехе шумовые сигналы звукового давления вертикальных пространственных каналов.

Данный способ является наиболее близким к заявленному изобретению. Его недостатками являются малая помехоустойчивость и малая дальность действия приемной системы при работе на низких частотах, когда размер приемной системы соизмерим с длиной волны, и при работе в мелком море, когда алгоритмы формирования пространственной направленности становятся неэффективными из-за дисперсионных искажений сигналов.

Задачей заявляемого способа является повышение помехоустойчивости и дальности действия приемной системы на низких частотах в условиях мелкого и глубокого моря путем использования приемной системы, которая обладает направленностью на любых сколь угодно низких частотах.

Для решения поставленной задачи в известном способе обнаружения шумящих в море объектов в фиксированном частотном диапазоне, включающем прием шумового сигнала звукового давления статическим веером в горизонтальной плоскости, прием шумового сигнала звукового давления статическим вертикальным веером одновременно в нескольких направлениях в вертикальной плоскости, при котором осуществляют частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов звукового давления для каждого пространственного канала наблюдения в горизонтальной плоскости и для каждого пространственного канала наблюдения в вертикальной плоскости, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы звукового давления к помехе, осуществляют накопление на последовательных циклах обзора принятых нормированных шумовых сигналов звукового давления и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха, используют в качестве приемной системы комбинированный приемник, содержащий, кроме приемника звукового давления, трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости, и вводят новые операции:

- формируют методами частотно-временной обработки сигналов набор частотных каналов в заданном фиксированном частотном диапазоне в канале звукового давления и в векторных каналах комбинированного приемника;

- вычисляют в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятых шумовых сигналов, текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для суммарного процесса сигнал плюс помеха;

- вычисляют в каждом частотном канале текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха;

- усредняют за заранее определенный временной интервал Т1 значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха;

- вычисляют из текущих значений суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма;

- усредняют за заранее определенный временной интервал Т1 значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма;

- центрируют и нормируют текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, усредненные за время Т1, для сигнала на текущие значения дисперсии трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, усредненные за время Т1 для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма;

- вычисляют в каждом частотном канале из текущих значений суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха для комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма;

- вычисляют из текущих значений комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для помехи текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма;

- вычисляют в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал T2=10⋅T1 текущие значения комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот (ƒ - частота первичного спектра, ν - предполагаемая скорость движения шумящего объекта, с - скорость звука в воде) для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха;

- вычисляют в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал T2=10⋅T1 текущие значения комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот (ƒ - частота первичного спектра, ν - предполагаемая скорость движения шумящего объекта, c - скорость звука в воде) для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма;

- центрируют и нормируют вычисленные за время Т2=10⋅T1 текущие значения модуля комплексных амплитуд вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для сигнала на соответствующие текущие значения модуля комплексных амплитуд вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма;

- вычисляют максимальное значение отношения сигнал-помеха из набора нормированных на помеху модулей комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления;

- вычисляют максимальное отношение сигнал/помеха из набора 14 информативных параметров, 7 информативных параметров для усредненных за время T1 нормированных на помеху значений трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, и 7 информативных параметров, вычисленных за время Т2=10⋅T1 нормированных на помеху максимальных значений модулей комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления;

- принимают в качестве модельной статистики поля помехи в гидрофонном канале и в каналах вектора колебательной скорости гауссову статистику;

- принимают в качестве модельной статистики поля помехи в каналах вектора интенсивности лапласову статистику;

- вычисляют на основе принятых статистик аналитическую зависимость вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги от порогового отношения сигнал-помеха по методу максимального правдоподобия;

- принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного из набора 14 информативных параметров.

В предлагаемом способе существенными признаками, общими с прототипом, являются следующие операции:

- прием шумовых сигналов звукового давления приемной системой;

- частотно-временная обработка в фиксированном частотном диапазоне принятых шумовых сигналов звукового давления;

- измерение уровня звукового давления для суммарного процесса шумовой сигнал плюс помеха на выходе приемной системы, включая накопление во времени;

- измерение уровня звукового давления для помехи на выходе приемной системы, включая накопление во времени;

- центрирование и нормирование шумовых сигналов звукового давления в единицах сигнал-помеха.

Отличительными существенными признаками предлагаемого способа являются следующие операции:

- используют в качестве приемной системы комбинированный приемник, содержащий канал звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости;

- формируют методами частотно-временной обработки сигналов набор частотных каналов в заданном фиксированном частотном диапазоне в канале звукового давления и в векторных каналах комбинированного приемника;

- вычисляют в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятых шумовых сигналов, текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для суммарного процесса сигнал плюс помеха;

- вычисляют в каждом частотном канале текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха;

- усредняют за заранее определенный временной интервал Т1 значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха;

- вычисляют из текущих значений суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма;

- усредняют за заранее определенный временной интервал Т1 значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма;

- центрируют и нормируют текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, усредненные за время Т1, для сигнала на текущие значения дисперсии трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, усредненные за время T1 для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма;

- вычисляют в каждом частотном канале из текущих значений суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха для комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма;

- вычисляют из текущих значений комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для помехи текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма;

- вычисляют в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал T2=10⋅T1, комплексные амплитуды вторичного спектра в интервале частот (ƒ - частота первичного спектра, ν - предполагаемая скорость движения шумящего объекта, с - скорость звука в воде) для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха;

- вычисляют в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал Т2=10⋅T1 комплексные амплитуды вторичного спектра в интервале частот (ƒ - частота первичного спектра, ν - предполагаемая скорость движения шумящего объекта, с - скорость звука в воде) для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма;

- центрируют и нормируют вычисленные за время Т2=10⋅Т1 текущие значения модулей комплексных амплитуд вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для сигнала на соответствующие текущие значения модулей комплексных амплитуд вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма;

- вычисляют максимальное значение отношения сигнал-помеха из набора нормированных на помеху модулей комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления;

- вычисляют максимальное отношение сигнал/помеха из набора 14 информативных параметров, 7 информативных параметров для усредненных за время T1 нормированных на помеху значений трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, и 7 информативных параметров, вычисленных за время Т2=10⋅T1 нормированных на помеху максимальных значений модулей комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления;

- принимают в качестве модельной статистики поля помехи в гидрофонном канале и в каналах вектора колебательной скорости гауссову статистику;

- принимают в качестве модельной статистики поля помехи в каналах вектора интенсивности лапласову статистику;

- вычисляют на основе принятых статистик аналитическую зависимость вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги от порогового отношения сигнал-помеха по методу максимального правдоподобия;

- и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного из набора 14 информативных параметров.

Таким образом, именно такая совокупность существенных признаков заявленного способа позволяет увеличить число информативных параметров, повысить помехоустойчивость и дальность действия приемной системы.

Новизна предлагаемого способа заключается в том, что в нем с использованием комбинированного приемника и мультипликативных алгоритмов обработки сигналов сформированы 14 информативных параметров, 7 информативных параметров для усредненных за время Т1 нормированных на помеху значений звукового давления и комплексного вектора интенсивности и 7 информативных параметров, вычисленных за время Т2=10⋅T1 нормированных на помеху максимальных значений модулей комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот вторичного спектра для комплексного вектора интенсивности и квадрата звукового давления.

Такое увеличение числа информативных параметров позволило существенно увеличить помехоустойчивость комбинированного приемника и дальность действия приемной системы в режиме обнаружения слабых сигналов.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Указанные существенные признаки, отличающие заявленный способ обнаружения шумящих, движущихся в море объектов от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивают достижение технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Заявленный способ обнаружения шумящих, движущихся в море объектов поясняется блок-схемой устройства, приведенной на чертеже, на которой приняты следующие обозначения:

1 - Комбинированный приемник,

2 - Анализатор спектра суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N),

3 - Блок формирования набора М информативных параметров для суммарного процесса (S+N),

4 - Блок формирования набора М информативных параметров для помехи (N)1 по нелинейному алгоритму,

5 - Блок интегратора (T1=50 с),

6 - Блок формирования усредненного отношения сигнал-помеха для первичного спектра , m=1÷7,

7 - Блок выделения шумовой помехи (N)2 по линейному алгоритму,

8 - Блок формирования М информативных параметров для помехи (N)2,

9 - Блок формирования вторичного спектра по М информативным параметрам для суммарного процесса (S+N)m,i, Fi∈(0, Fmax)Гц, Т2=10T1,

10 - Блок формирования вторичного спектра по М информативным параметрам для помехи (N)m,i, Fi∈(0, Fmax)Гц,

11 - Блок формирования отношения для вторичного спектра,

12 - Первый компаратор, выбирающий максимум отношения в полосе частот вторичного спектра Fi∈(0, Fmax)Гц,

13 - Второй компаратор, выбирающий максимум отношения из набора и в заданном диапазоне частот, m=1-7,

14 - Первый планшет для построения 3D сонограммы в заданном диапазоне частот,

15 - Блок выбора порогового отношения (S/N)0,

16 - Второй планшет для построения 3D рекордограммы для (S/N)max≥(S/N)0 в заданном диапазоне частот.

Заявленный способ реализуется следующей последовательностью действий. Сигнал от шумящего объекта принимается комбинированным приемником 1, с выхода которого сигналы звукового давления и компонент вектора колебательной скорости поступают в блок 2 - анализатора спектра суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N). В этом блоке:

- формируют методами частотно-временной обработки сигналов на основе БПФ набор частотных каналов в заданном фиксированном частотном диапазоне в канале звукового давления и в векторных каналах комбинированного приемника,

- вычисляют в каждом частотном канале текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N).

Вычисленные в блоке 2 сигналы поступают на вход блока 3 формирования набора информативных параметров, на выходе которого по алгоритмам мультипликативной обработки сигналов (1)

где P(ƒ, t) - текущее значение звукового давления на частоте ƒ, νn(ƒ, t) - текущее значение компонент вектора колебательной скорости, In(ƒ, t) - текущее значение вещественной составляющей компонент вектора интенсивности, Gn(ƒ, t) - текущее значение мнимой составляющей компонент вектора интенсивности,

формируется набор 7 информативных параметров: трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N). Со второго выхода блока 2 сигналы поступают на вход блока 4 выделения помехи (N)1 из суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N) в соответствии с нелинейным алгоритмом (2)

, ,

, , , ,

2Δƒ0 - ширина окна Хэмминга.

где ƒ0 - средняя частота частотного канала, Δƒ0 - варьируемый параметр, примерно на порядок превышающий ширину дискретной составляющей Δƒ в спектре суммарного процесса (сигнал плюс помеха), BS+N, - любой из перечисленных выше информативных параметров, вычисленный для суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N) и для помехи (N)1 соответственно.

Сформированные в блоках 3, 4 сигналы для 7 информативных параметров для суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N) и отдельно для помехи (N)1, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма, поступают в блок 5 интегратора, в котором за заранее определенный интервал времени T1 сигналы усредняются по алгоритму (3) с целью уменьшения дисперсии случайных процессов, описывающих эти сигналы

С выхода блока 5 усредненные сигналы поступают в блок 6 формирования отношения сигнал/помеха по каждому информативному параметру (S/N)m, m=1-M, для чего центрируют и нормируют во всех 7 информационных каналах текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, усредненные за время Т1, для сигнала на текущие значения дисперсии трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, усредненные за время T1 для помехи , выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма, в соответствии с алгоритмом (4)

где , - среднее значение потока мощности в суммарном процессе сигнал плюс помеха (S+N) и в поле шумовой помехи N в «i» канале комбинированного приемника соответственно, - среднее значение квадрата потока мощности в поле шумовой помехи (N)1 в «i» канале комбинированного приемника, Di(N) - дисперсия потока мощности в «i» канале комбинированного приемника, i=x, y, z, i=0 соответствует каналу звукового давления, .

Со второго выхода блока 2 вычисленные в каждом частотном канале текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для суммарного процесса сигнал плюс помеха (S+N) поступают на вход блока 7 выделения шумовой помехи по линейному алгоритму, в котором вычисляют текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для помехи (N)2 в соответствии с линейным алгоритмом (5)

где AS+N (f0, t), AN (f0, t) - текущее значение комплексной амплитуды какого-либо из перечисленных параметров, звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости, для суммарного процесса (S+N) и для помехи (N)2. Алгоритм выделения помехи (5) является линейным алгоритмом, сохраняющим фазовую структуру звукового поля, что является важным для последующей обработки, в отличие от нелинейного алгоритма выделения помехи (2), для которого фазовая структура звукового поля не сохраняется. Однако ценность нелинейного алгоритма (2) выделения помехи из суммарного случайного процесса заключается в том, что при его использовании существенно уменьшается за время усреднения T1 дисперсия помехи.

С выхода блока 7 сигналы поступают в блок 8 формирования набора информативных параметров для помехи (N)2, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма, в котором вычисляют в каждом частотном канале по алгоритмам мультипликативной обработки (1) текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи (N)2, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма.

На этапе вторичной обработки сигналы со второго выхода блока 3 формирования набора информативных параметров поступают на вход блока 9 формирования вторичного спектра по 7 информативным параметрам в интервале частот вторичного спектра (0-Fmax) для суммарного процесса (S+N), а с выхода блока 8 сигналы поступают на вход блока 10 формирования вторичного спектра по 7 информативным параметрам в интервале частот вторичного спектра (0-Fmax) для помехи (N)2, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма,. После выполнения вторичного спектрального анализа сигналы с выходов блоков 9, 10 поступают на вход блока 11 формирования отношения для информативных параметров, сформированных по результатам вторичного спектрального анализа.

Сформированные нормированные сигналы с выхода блока 11 поступают на вход блока 12 первого компаратора, в котором выбирается частотная составляющая вторичного спектра с максимальным отношением сигнал-помеха для каждого из 7 информативных параметров.

Сформированные в блоке 12 первого компаратора семь информативных параметров с максимальным отношением сигнал-помеха в интервале частот вторичного спектра (0-Fmax) и сформированные в блоке 9 семь информативных параметров для усредненных за время Т1 нормированных па помеху значений трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, поступают на вход второго компаратора 13, в котором вычисляют информативный параметр с максимальным отношением сигнал/помеха в наборе 14 информативных параметров, семи информативных параметров для усредненных за время T1 нормированных на помеху (N)1 значений трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, и семи информативных параметров для нормированных на помеху (N)2 значений модулей комплексных амплитуд вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления При выборе интервала усреднения T1 и длительности выборки сигнала при вторичном спектральном анализе Т2 учитывают, что время усреднения Т1, необходимое для усреднения изотропной составляющей помехи, должно составлять порядка 50-60 с, а длительность выборки Т2, должна составлять порядка 10Т1.

Вычисленные максимальные значения отношения сигнал/помеха с выхода второго компаратора 13 поступают на вход первого планшета 14 для построения 3D сонограммы в заданном диапазоне частот, где сравниваются с заданным в блоке 15 пороговым значением отношения сигнал/помеха. Та часть сигналов, для которых отношение сигнал-помеха превышает пороговое значение, поступают на вход второго планшета 16, на котором отображается рекордограмма как часть звукового поля, которая соответствует полезному сигналу с вероятностью правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги, соответствующих заданному порогу обнаружения.

Выбор порога обнаружения осуществляется аналитически по заданным функциям распределения случайных процессов (по заданной статистике), заданной вероятности правильного обнаружения при фиксированной вероятности ложных тревог. В качестве функции распределения случайных процессов в канале звукового давления и в каналах вектора колебательной скорости обычно принимается гауссова статистика. В качестве функции распределения в каналах вектора интенсивности принимается лапласова статистика. В случае, если аналитический расчет в виду сложности функций распределения затруднен, вычисление порога обнаружения и его функциональной связи с вероятностью правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги может быть выполнено методом статистического моделирования. При таком подходе для выбранной схемы обнаружения строится выборочная оценка функции распределения шумового процесса на входе порогового устройства и численно находится значение порога, требуемое для обеспечения заданной вероятности ложной тревоги. Порог вычисляется как соответствующая квантиль распределения. По найденному значению порога численно оценивается вероятность правильного обнаружения при условии, что приемник работает в условиях принятых модельных статистик сигнала и помехи. Варьируя в некоторых пределах значения порога обнаружения, вероятность ложной тревоги и вычисляя, аналитически либо численно, соответствующее значение вероятности правильного обнаружения, рассчитывают рабочие характеристики обнаружителя (РХО). По расчетным значениям РХО конкретные значения порога обнаружения вводятся в визуальный обнаружитель (планшет) и выделяется та часть шумового поля, которая лежит выше заданного порога обнаружения и которая при принятой модели обнаружения считается полезным сигналом.

1. Способ обнаружения шумящих, движущихся в море объектов в фиксированном частотном диапазоне, включающий прием гидрофонной антенной шумового сигнала звукового давления статическим веером в горизонтальной плоскости, прием шумового сигнала звукового давления статическим вертикальным веером в вертикальной плоскости, при котором осуществляют частотно-временную обработку принятых шумовых сигналов звукового давления для каждого пространственного канала наблюдения в горизонтальной плоскости, квадрируют, усредняют по времени, центрируют и нормируют шумовые сигналы звукового давления к помехе, осуществляют накопление на последовательных циклах обзора принятых нормированных шумовых сигналов звукового давления и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха, отличающийся тем, что в качестве приемной системы используют комбинированный приемник, содержащий канал звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости, вычисляют в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятых шумовых сигналов, текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для суммарного процесса сигнал плюс помеха, вычисляют текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха, усредняют за время Т1 значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха, вычисляют из текущих значений суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма, усредняют за заранее определенный временной интервал T1 значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма, центрируют и нормируют текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, усредненные за время Т1, для сигнала на текущие значения дисперсии трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, усредненные за время T1 для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием нелинейного алгоритма, вычисляют в каждом частотном канале из текущих значений суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха для комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма, вычисляют из текущих значений комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма, текущие значения трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма, вычисляют в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал Т2=10 T1 текущие значения комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот 0-Fmax=2fv/c (f - частота первичного спектра, v - предполагаемая скорость движения шумящего объекта, с - скорость звука в воде) для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха, вычисляют в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал Т2=10 T1 текущие значения комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот (0-Fmax) для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма, центрируют и нормируют вычисленные за время Т2=10 T1 текущие значения модулей комплексных амплитуд вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для сигнала на соответствующие текущие значения модулей комплексных амплитуд вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи, выделенной из суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха с использованием линейного алгоритма, вычисляют максимальное значение отношения сигнал-помеха из набора нормированных на помеху модулей комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот вторичного спектра (0-Fmax) для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, вычисляют максимальное отношение сигнал/помеха из набора 14 информативных параметров, 7 информативных параметров для усредненных за время Т1 нормированных на помеху значений трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, и 7 информативных параметров, вычисленных за время Т2=10 T1 нормированных на помеху максимальных значений модулей комплексных амплитуд вторичного спектра в интервале частот вторичного спектра (0-Fmax) для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного из набора 14 информативных параметров.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при выборе порогового значения сигнал/помеха принимают в качестве модельной статистики поля помехи в гидрофонном канале и в каналах вектора колебательной скорости гауссову статистику, принимают в качестве модельной статистики поля помехи в каналах вектора интенсивности лапласову статистику, вычисляют на основе принятых статистик аналитическую зависимость вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги от порогового отношения сигнал/помеха по методу максимального правдоподобия и принимают решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного из набора 14 информативных параметров.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке средств поиска объектов, находящихся на дне под слоем грунта и невидимых для таких гидролокационных средств, как гидролокатор бокового обзора.

Изобретение относится к области детекторов присутствия и связи между такими детекторами. Технический результат состоит в том, что информацию о присутствии передают между различными детекторами присутствия без какой-либо необходимости в дополнительных системах связи, тем самым снижая техническую сложность и расходы.
Изобретение относится к устройствам для видеоконтроля водных акваторий с обеспечением регистрации нештатных ситуаций, связанных с движением судов по несанкционированным курсам или их нахождением в запретных зонах.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способу регистрации шумоизлучения малошумного морского объекта. Техническим результатом изобретения является способ регистрации шумоизлучения малошумного морского объекта в широкой полосе частот с использованием медианной фильтрации, который может быть использован при измерении первичного гидроакустического поля малошумных морских объектов в условиях наличия импульсных помех, случайных выбросов в тракте обработки сигналов, повышенного уровня и нестационарности фоновых шумов (помех) в пределах времени регистрации прохода морского объекта, а также может быть использован в охранных устройствах для защиты морских акваторий, портовых и других сооружений.

Изобретение относится к области активно-пассивной гидролокации. Предложен способ определения эффективности многопозиционной активно-пассивной гидроакустической системы, заключающийся в вычислении зон вероятности обнаружения сигнала в виде сечений зон в горизонтальной или вертикальной плоскости при заданной вероятности ложной тревоги, различных конфигураций системы излучающих и приемных антенн и для меняющихся гидрологических условий заданного региона.

Данная группа изобретений относится к способам и системам навигации подводных объектов, а именно к способам и системам, когда принимают посредством расположенных на гидроакустических буях приемников сигналы со спутников, определяют координаты гидроакустических буев посредством вычислительных модулей гидроакустических буев, передают данные о местоположении и идентификационные данные в виде гидроакустических сигналов, излучаемых передатчиками гидроакустических буев, принимают сигналы с помощью расположенного на подводном объекте приемника, определяют координаты подводного объекта по задержке времени приема гидроакустических сигналов от гидроакустических буев, местоположение которых известно.

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

Использование: изобретение представляет собой электронное устройство и относится к области гидроакустики и гидролокации. Устройство предназначено для поиска и обнаружения искусственных подводных объектов, таких как затонувшие корабли, техника, подводные аппараты, трубопроводы и другие искусственные подводные сооружения.

Использование: гидроакустика. Изобретение может быть использовано для контроля внешней обстановки вокруг охраняемых объектов, например, буровых платформ, гидротехнических сооружений, судов, а также для обнаружения и сопровождения подводных объектов, вторгающихся в контролируемую акваторию натурного водоема.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способу регистрации шумоизлучения малошумного морского объекта. Сущность: способ регистрации малошумного морского объекта заключается в том, что сначала регистрируют в приемных устройствах «опорную» амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) шумового поля водного пространства для последующей обработки в блоке первичной обработки сигналов с целью определения пары приемных устройств в блоке расчета взаимно корреляционной функции и принятия решения блока вторичной обработки сигналов, затем «опорную» АЧХ подают на соответствующие входы адаптивного фильтра блока вторичной обработки сигналов, где вырабатывают «нормированную» АЧХ шумового поля охраняемого водного пространства.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и дальности действия приемной системы на низких частотах в условиях мелкого и глубокого моря путем использования приемной системы на основе комбинированного приемника, в которой формируется множество информативных параметров. Способ обнаружения включает прием шумового сигнала комбинированным приемником, содержащим приемник звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости, частотно-временную обработку принятого сигнала, вычисление в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятых шумовых сигналов, комплексных амплитуд звукового давления, трех компонент вектора колебательной скорости, для суммарного процесса сигнал плюс помеха и для помехи отдельно, формирование в каждом частотном канале усредненных за время T1 значений семи информативных параметров, трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, центрирование и нормирование на помеху сигналов для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, вторичный спектральный анализ потоков мощности для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления в заданном диапазоне частот вторичного спектра для суммарного процесса сигнал плюс помеха и для помехи отдельно, центрирование, нормирование на помеху и выбор спектральной составляющей вторичного спектра с максимальным отношением сигнал-помеха, формирование в каждом частотном канале по результатам первичного и вторичного спектрального анализа 14 нормированных на помеху информативных параметров, вычисление максимального отношения сигналпомеха для одного из 14 информативных параметров и принятие решения об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигналпомеха максимального отношения сигналпомеха, вычисленного в одном из 14 информативных параметров. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх