Способ определения класса шумящей цели и дистанции до неё

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к пассивным шумопеленгаторным станциям (ШПС), предназначенным для обнаружения подводных лодок (ПЛ) и надводных кораблей (НК) по их шумоизлучению. Достигаемый технический результат - повышение достоверности классификации и точности определения дистанции до обнаруженной шумящей цели. Технический результат достигается тем, что решение о классе цели и дистанции до нее принимаются с использованием измеренных значений уровня сигнала и величины (скорости) изменения пеленга (ВИП) цели, обнаруженной на выходе веера характеристик направленности приемной гидроакустической антенны. 6 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к пассивным шумопеленгаторным станциям (ШПС), предназначенным для обнаружения подводных лодок и надводных кораблей по их шумоизлучению.

Наиболее сложными задачами, решаемыми такими ШПС, являются классификация обнаруженного объекта и определение дистанции до него.

Методы классификации и определения дистанции шумящих объектов приведены в работах [1-11]. Недостатком большинства известных методов являются дополнительные требования, предъявляемые ими к конструкции ШПС (например, разнесенный прием шумовых сигналов [6, 11]) либо к обработке принимаемого шумового сигнала (например, спектрально-корреляционный анализ [4, 5, 9]). В ряде случаев выполнение этих дополнительных требований затруднительно.

В качестве прототипа выберем способ классификации и определения дистанции обнаруженной шумящей цели, описанный в [12]. Он включает: формирование пеленгационного рельефа на выходе горизонтального веера характеристик направленности (ХН) приемной гидроакустической антенны (фиг. 1); обнаружение в пеленгационном рельефе методом двухстороннего контраста отметки цели; прослушивание оператором сигнала с выхода ХН, ось которой совпадает с максимумом отметки цели; принятие оператором по результатам прослушивания сигнала решения о классе цели и дистанции до нее.

Достоинством данного способа является его простота, а недостатком - невысокая эффективность (точность) классификации цели и определения дистанции, особенно при малых отношениях сигнал/помеха, при которых человеческий слух плохо улавливает особенности сигнала, присущие тому или иному объекту.

Решаемая техническая проблема - повышение эффективности использования ШПС.

Достигаемый технический результат - повышение достоверности классификации и точности определения дистанции до обнаруженной шумящей цели.

Указанный технический результат достигается тем, что с использованием пеленгационного рельефа измеряют уровень сигнала и скорость изменения пеленга отметки обнаруженной цели (последняя в кораблевождении называется величиной изменения пеленга или сокращенно ВИП [1]), и на основании полученных результатов принимают решение о классе и дистанции до цели.

Рассмотрим эффективность данного технического решения применительно к классификации обнаруженной шумящей цели на классы "подводная лодка" и "надводный корабль" и определения дистанции до нее.

Известно [12-14], что шумности надводных кораблей значительно (в среднем на 40 дБ) превышают шумности подводных лодок, ввиду чего один и тот же уровень сигнала на выходе приемного тракта ШПС соответствует существенно различающимся дистанциям в случае обнаружения надводного корабля и подводной лодки. А поскольку ВИП цели при увеличении дистанции до нее в среднем уменьшается, то по величине ВИП можно судить о дистанции до цели, а, следовательно и о ее классе.

Однако, поскольку на величину ВИП, кроме дистанции до цели влияют такие ее курс и скорость, которые на практике неизвестны, то определение правила (порогов) принятия решения о классе и дистанции цели по измеренным значениям уровня сигнала и ВИП можно осуществить только на вероятностном уровне [15-17]. Для этого предлагается построить условную (в зависимости от класса цели ω и дистанции R до нее) плотность распределения вероятностей (ПРВ) оценок уровня сигнала и ВИП цели . Тогда при подстановке в эту условную ПРВ вместо неслучайных аргументов (уровень сигнала) и (ВИП цели) оценок и , она превращается в функцию правдоподобия (ФП), зависящую только от класса цели ω и дистанции R до нее. Координаты максимума этой ФП соответствуют оптимальным значениям класса цели и дистанции до нее, т.е. являются решением рассматриваемой задачи.

В основе построения условной ПРВ лежат стохастические модели оценок уровня сигнала и ВИП цели , зависящие от класса цели и дистанции до нее.

Стохастическая модель оценки уровня сигнала имеет вид [13]:

где

- - оценка уровня сигнала цели на выходе приемного тракта ШПС в зависимости от класса ω, скорости Vω и дистанции R цели, дБ;

- ƒH, ƒB - нижняя и верхняя границы рабочего диапазона частот (РДЧ) ШПС, Гц;

- Sω(ƒ, Vω, R) - энергетический спектр на входе приемной антенны ШП сигнала цели класса ω, находящейся на расстоянии R от антенны и движущейся со скоростью V, Па2/Гц, определяемый по формуле [13]:

где

- Р0/ω(Vω) - давление шума цели класса ω, движущейся со скоростью V, приведенное к расстоянию 1 м от нее, частоте 1 кГц и полосе 1 Гц, называемое приведенной шумностью цели [12], Па/√Гц (далее - прив. ш. цели);

- ƒ - частота, кГц;

- β(ƒ) - коэффициент пространственного затухания, дБ/км, вычисляемый по формуле [13]:

- a, b, c - коэффициенты, зависящие от района Мирового океана;

- А(ƒ, R) - аномалия (по мощности) распространения сигнала частоты ƒ на расстояние R, которое рассчитывается для текущих гидроакустических условий по специальной программе (далее - аномалия);

- γ(ƒ) ~ передаточная характеристика приемного тракта на частоте ƒ, В/Па;

- ΔU - ошибка измерения уровня сигнала, дБ, распределенная по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением (СКО) σΔU.

Если разброс прив. ш. цели и ошибку расчета аномалии включить в ошибку измерения уровня сигнала ΔU, а также зафиксировать скорость цели, то первое слагаемое в правой части формулы (1) можно считать неслучайной величиной. Тогда единственной случайной величиной в правой части формулы (1) останется ошибка измерения уровня сигнала ΔU, и условная ПРВ оценки уровня сигнала цели может быть вычислена по формуле [15]:

I

где - нормальная ПРВ случайной величины с неслучайным аргументом , математическим ожиданием и СКО .

Стохастическая модель оценки ВИП имеет вид:

где

- - оценка ВИП цели в зависимости от класса цели ω и дистанции R, км, до нее, град/мин;

- П - пеленг цели, град;

- Vω,ρ - относительная скорость цели, уз, вычисляемая по формуле:

- Kн, Vн - курс и скорость носителя ШПС, соответственно;

- Кω,Vω - курс и скорость цели;

- Kω,ρ - относительный курс цели, град, вычисляемый по формуле:

- ошибка измерения ВИП цели, град/мин, распределенная по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и СКО .

Если курс и скорость цели, а также дистанция до нее постоянны, то по формуле (5) условная ПРВ оценки ВИП цели может быть вычислена по формуле:

Поскольку ошибки измерения уровня сигнала и ВИП цели можно считать взаимно независимыми, то совместная условная ПРВ оценок уровня сигнала и ВИП цели может быть вычислена как произведение правых частей формул (4) и (8):

Ввиду того, что нашей целью является получение ФП класса и дистанции цели, проинтегрируем обе части формулы (9) по ПРВ курса и скорости цели:

где - ПРВ курса цели, 1/град;

- ПРВ скорости цели, 1/уз.

Как было сказано выше, если в совместную условную ПРВ (10) в качестве аргументов подставить оценки уровня сигнала и ВИП , ПРВ становится ФП, зависящей только от класса цели ω и дистанции до нее R, и координаты максимума этой ФП соответствуют оптимальным значениям класса цели ωopt и дистанции до нее Ropt:

Рассмотрим типовой случай, для которого:

1) гидроакустические условия соответствуют сплошной акустической освещенности в мелком море;

2) рабочий диапазон частот 3-6 кГц;

3) курс носителя Kн=0°;

4) скорость носителя Vн=6 уз;

5) цель обнаружена по пеленгу П=30°;

6) ПРВ курса подводной лодки и надводного корабля подчинена нормальному распределению с математическим ожиданием, равным обратному пеленгу (т.е. предполагается, что цель идет нам навстречу), и СКО, равным 20°;

7) ПРВ скоростей подводной лодки и надводного корабля приведены на фиг. 1;

8) зависимости приведенной шумности цели от скорости P0/ω(Vω) приведены на фиг. 2;

9) СКО измерения уровня сигнала, учитывающая, в том числе, разброс приведенной шумности цели Р0/ω(V) и ошибку расчета аномалии, равна 6 дБ;

10) СКО измерения ВИП цели равна 0,01 град/мин.

Совместные условные ПРВ уровня сигнала цели и ВИП цели , соответствующие рассматриваемому случаю, приведены на фиг. 3 и 4. ПРВ на фиг. 3 рассчитана при условии, что цель - подводная лодка и дистанция до нее 9 км. ПРВ на фиг.4 рассчитана при условии, что цель - надводный корабль и дистанция до нее 85 км.

Пусть целью фактически является подводная лодка, находящаяся на дистанции от носителя ШПС 9 км и движущаяся курсом 150°, со скоростью 6 уз. Оценка уровня сигнала этой цели составила , оценка ВИП - . Подставляя эти значения оценок и вместо аргументов в ПРВ , получим ФП , зависящую только от класса цели и дистанции до нее. Эта ФП изображена на фиг. 5.

Из рассмотрения графиков на фиг.5 следует, что максимальное значение ФП принимает при классе цели «подводная лодка» (сплошная линия) и дистанции до нее 7,6 км. Т.е. класс определен правильно и ошибка определения дистанции составила 16%, что для пассивного режима приемлемо.

Теперь рассмотрим случай, когда целью фактически является надводный корабль, находящийся на дистанции от носителя ШПС 85 км и движущийся курсом 150°, со скоростью 15 уз. Оценка уровня сигнала этой цели составила , оценка ВИП - . Подставляя эти значения оценок и вместо аргументов в ПРВ , получим ФП , зависящую только от класса цели и дистанции до нее. Эта ФП изображена на фиг. 6.

Из рассмотрения графиков на фиг. 6 следует, что максимальное значение ФП принимает при классе цели «надводный корабль» (пунктирная линия) и дистанции до нее 74 км. Т.е. класс определен правильно и ошибка определения дистанции составила 13%, что также приемлемо.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает заявляемый результат, подтвержденный проведенным моделированием.

Источники информации

1. Справочник штурмана. Под ред. В.Д. Шандабылова // Воениздат, 1968.

2. Телятников В.И. Методы и устройства классификации гидроакустических сигналов // Зарубежная радиоэлектроника, 1979, №9, с. 19-38.

3. Телятников В.И. Методы и устройства для определения местоположения источника звука // Зарубежная радиоэлектроника, 1978, №4. С. 66-86.

4. Carter G. С. Passive Ranging Errors due to Receiving Hydrophone Position Uncertainty // JASA, 1979. Vol. 65, №2. P. 528-530.Hassab I.C., Boucher R.E. Passive Ranging Estimation from an Array of Sensors // Journal of Sound and Vibration, 1979. Vol.67, №2. P. 289-292.

5. Hassab I. C. Contact Localization and Motion Analysis in the Ocean Environment: a Perspective // IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1983. Vol.OE-8, №3. P. 136-147.

6. Исак В.А. Измерение дистанции пассивными методами // Морской сборник, 1987. №5. С. 68-70.

7. Картер Дж.К. Обработка сигналов в пассивной гидролокации. В кн. Подводная акустика и обработка сигналов // М.: Мир, 1985. С. 415-421.

8. Quazi А.Н. An Overview on the Time-Delay Estimate in Active and Passive Systems for Target Localization // IEEE Transactions on ASSP, 1987. Vol., 9, №3. P. 527-533.

9. Патент РФ 2128848

10. Blackman S., Popoli R. Design and analyses of modern tracking systems // Ar-tech House, 1999. 1230 p.

11. Гампер Л.Е. О точности методов пассивной гидролокации с разнесенными бортовыми антеннами // "Гидроакустика", 2009, вып. 9, с. 34-42.

12. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы // СПб.: Наука, 2004.

13. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики // Л.: Судостроение, 1978.

14. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем / Пер. с англ. // Л.: Судостроение, 1988.

15. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения // М.: Наука, 1988.

16. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем // М.: Советское радио, 1977.

17. Кендал М, Стьюарт А. Статистические выводы и связи // М.: Наука, 1973.

Способ определения класса шумящей цели и дистанции до нее, включающий формирование пеленгационного рельефа на выходе горизонтального веера характеристик направленности приемной гидроакустической антенны, обнаружение в пеленгационном рельефе методом двухстороннего контраста отметки цели, отличающийся тем, что с использованием пеленгационного рельефа измеряют уровень сигнала и величину изменения пеленга цели, с их использованием и с учетом условных плотностей распределения вероятностей скорости и приведенной шумности целей каждого класса, курса цели, ошибок измерения уровня сигнала, ошибок измерения величины изменения пеленга, а также зависимости энергетического спектра сигнала на входе приемной антенны от дистанции до цели в текущих гидроакустических условиях, вычисляют функцию правдоподобия класса и дистанции до цели, по координатам максимума которой принимают решения о классе цели и дистанции до нее.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к средствам контроля стрелкового и травматического оружия. Средство контроля оружия содержит систему позиционирования, систему передачи данных, блок питания, электронный блок, систему выработки информационного сигнала об отделении системы контроля от оружия, блок учета произведенных выстрелов.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в системах локального позиционирования, а именно в устройствах поиска и регистрации меток. Технический результат состоит в уменьшении потребляемой мощности в метке и в позиционирующем узле, в обеспечении исключения наложения друг на друга сигналов, полученных от множества меток.

Изобретение относится к оценке местоположения. Техническим результатом является определение радиуса погрешности, отражающего обеспечиваемую точность прогнозного (или вычисленного) положения обрабатывающего устройства.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам определения местоположения источника радиоизлучения (ИРИ), и может быть использовано в навигационных, пеленгационных, локационных средствах для определения местоположения абонентского терминала (AT) по радиосигналам, принятым от спутника-ретранслятора (CP) на низкой околоземной орбите.

Способ поиска оптических и оптико-электронных приборов основан на использовании дистанционно пилотируемого аппарата, который осуществляет сканирование зоны поиска по определенной траектории.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения координат местоположения источников радиоизлучения (КМПИРИ) УКВ-СВЧ диапазонов, как цифровых, так и аналоговых видов связи, сведения о которых отсутствуют в базе данных (например, государственной радиочастотной службы).

Изобретение относится к системам радиоконтроля для определения координат местоположения источников радиоизлучения (КМПИРИ) УКВ-СВЧ диапазонов, сведения о которых отсутствуют в базе данных (например, государственной радиочастотной службы).

Изобретение относится к системам радиоконтроля для определения координат местоположения источников радиоизлучения (КМПИРИ) УКВ-СВЧ диапазонов, как цифровых, так и аналоговых видов связи, сведения о которых отсутствуют в базе данных (например, государственной радиочастотной службы).

Устройство, способ и считываемый компьютером носитель данных для определения расстояния или положения камеры относительно источника света на основании изображения этого источника света, захватываемого камерой.

Изобретение относится к способу определения положения летательного аппарата. Для определения местоположения летательного аппарата в декартовой системе координат производят засечки дирекционного угла с первого измерительного пункта с известными координатами и угла места со второго измерительного пункта с известными координатами, производят последующую обработку внешнетраекторной информации путем решения геометрической задачи пересечения вертикальной полуплоскости, проходящей через первый измерительный пункт, прямого, круглого конуса и сферы с центрами во втором измерительном пункте.

Изобретение относится к локальному позиционированию. Технический результат изобретения заключается в увеличении точности местонахождения метки, возможности работы метки без батареек, возможности использования множества меток одновременно.

Изобретение относится к средствам для определения позиции микрофона. Технический результат заключается в повышении точности определения позиции микрофона.

Изобретение относится к области подводной навигации и может быть использовано для определения координат группы подводных объектов, преимущественно подводников и подводных пловцов при отработке совместных действий в бассейне или водолазной башне.

Изобретение относится к области способов и устройств акустической пассивной локации и может быть использовано в системах управления огнем артиллерии. Изобретение относится к методам и средствам прицеливания и наводки.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам. Предложено устройство для определения местоположения источника сигналов, содержащее персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ), а также первый и второй идентичные каналы, каждый из которых включает первый блок магнитных антенн и последовательно соединенные первый усилитель и первый фильтр, дополнительно содержит подключенные к ПЭВМ блок системы единого времени и блок связи с абонентами, последовательно соединенные второй блок магнитных антенн, первый блок усилителей, первый пороговый блок, первый блок схем ИЛИ, первый таймер, первую схему И и первый блок счетчиков, последовательно соединенные приемник радиации, второй усилитель и первый пороговый элемент, последовательно соединенные блок приемников температуры, второй блок усилителей, второй пороговый блок и первый блок схем И, а также первый тактовый генератор, подключенный ко второму входу первой схемы И и первый блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП), подключенный входами к первому и второму блокам усилителей, а выходами подключенный к ПЭВМ, причем выход первого таймера подключен к ПЭВМ и ко вторым входам первого блока схем И, выходы первого блока схем И подключены ко входам останова первого блока счетчиков, выход первого порогового элемента подключен к первому блоку схем ИЛИ и к ПЭВМ, выходы первого и второго пороговых блоков, выходы первого блока счетчиков, третьи входы первого блока схем И, управляющие входы первого и второго блоков усилителей, второго усилителя, первого и второго пороговых блоков, первого порогового элемента и первого таймера подключены к ПЭВМ, а в каждом канале дополнительно содержатся последовательно соединенные блок датчиков света, третий блок усилителей, первый блок фильтров, четвертый блок усилителей, третий пороговый блок и второй блок схем ИЛИ, последовательно соединенные пятый блок усилителей, второй блок фильтров, шестой блок усилителей, четвертый пороговый блок и третий блок схем ИЛИ, последовательно соединенные первый блок цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и первый блок калибраторов, последовательно соединенные второй блок ЦАП и второй блок калибраторов, последовательно соединенные первый ЦАП, первый калибратор и сейсмометр, последовательно соединенные третий усилитель, второй фильтр, второй пороговый элемент и вторую схему И, последовательно соединенные второй таймер, третью схему И и счетчик, последовательно соединенные второй ЦАП и второй калибратор, последовательно соединенные блок микробарометров, седьмой блок усилителей, третий блок фильтров, восьмой блок усилителей, четвертый блок фильтров, пятый пороговый блок и второй блок схем И, последовательно соединенные третий таймер, четвертую схему И и второй блок счетчиков, а также АЦП и второй блок АЦП, подключенные входами соответственно к первому фильтру и третьему блоку фильтров, а выходами подключенные к ПЭВМ, третий и четвертый блоки АЦП, подключенные входами соответственно к первому и ко второму блокам фильтров, а выходами подключенные к ПЭВМ, четвертый и пятый таймеры, подключенные выходами соответственно ко вторым входам второй схемы И и второго блока схем И, а входами запуска и управляющими входами подключенные к ПЭВМ, второй тактовый генератор, подключенный выходом ко вторым входам третьей и четвертой схем И, схему ИЛИ, подключенную входами ко второму пороговому элементу и к первому блоку ИЛИ, а выходом подключенную к третьему таймеру, и пятую схему И, подключенную первым и вторым входами соответственно к третьему таймеру и к первому блоку ИЛИ, инверсным входом подключенную ко второму таймеру, а выходом подключенную к управляющим входам второго и третьего таймеров.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к определению местоположения стрелка на местности с использованием звуковых волн. .Достигаемый технический результат – повышение точности определения координат стрелка.

Изобретение относится к области обработки данных и может быть использовано для создания систем локального позиционирования объектов, в частности для определения местонахождения оборудования и людей в помещениях и на прилегающих площадках.

Способ коррекции линейных и угловых координат заключается в том, что на шлеме оператора в реперных точках размещают четыре нашлемных ультразвуковых приемников, а в кабине над шлемом оператора в связанной системе координат кабины - четыре ультразвуковых излучателя.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к пассивным шумопеленгаторным станциям, предназначенным для обнаружения подводных лодок и надводных кораблей по их шумоизлучению. Достигаемый технический результат - повышение достоверности классификации и точности определения дистанции до обнаруженной шумящей цели. Технический результат достигается тем, что решение о классе цели и дистанции до нее принимаются с использованием измеренных значений уровня сигнала и величины изменения пеленга цели, обнаруженной на выходе веера характеристик направленности приемной гидроакустической антенны. 6 ил.

Наверх