Способ обработки шумового сигнала объекта, обнаруженного гидроакустическими пространственно-разнесенными системами

Авторы патента:

G01S3/80 - с использованием инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых колебаний

Владельцы патента RU 2787686:

Акционерное общество "Концерн "Океанприбор" (RU)

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для обработки шумового сигнала объекта в целях его последующей классификации в том случае, когда сигнал объекта обнаружен разными гидроакустическими системами, находящимися на общем носителе, антенны которых разнесены в пространстве. Сущность: способ основан на приеме акустического сигнала объекта раздельно, но одновременно двумя гидроакустическими системами, находящимися на общем носителе, и анализе взаимно-корреляционной функции сигналов этих систем для принятия решения о наблюдении одного объекта в двух системах. При реализации способа на основании анализа взаимно-корреляционной функции определяют задержку по времени между моментами прихода сигналов, сдвигают один сигнал по времени относительно другого и определяют суммарный сигнал объекта. Это позволяет при дальнейшей классификации, основанной на особенностях спектрального состава сигнала, использовать более широкую частотную полосу, чем частотная полоса каждой из двух систем отдельно. Технический результат: повышение эффективности классификации объекта за счет получения сигнала объекта, обладающего совокупными частотными свойствами сигналов, обнаруженных в двух системах. 1 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для обработки шумового сигнала объекта в целях его последующей классификации в том случае, когда сигнал объекта обнаружен разными гидроакустическими системами, находящимися на общем носителе, антенны которых разнесены в пространстве.

Задача интеграции гидроакустических систем всегда ставилась разработчиками аппаратуры [Андреев М.Я., Охрименко С.Н., Клюшин В.В., Рубанов И.Л., Яковлев В.А. Интегрированная система подводного наблюдения для надводного корабля // Морской сборник. 2006. №8. С. 50-51]. Системы, работающие в разных диапазонах частот, имеющие различные приемные антенны и (или) способы обработки информации, оптимизированы под обнаружение различных частей единого гидроакустического сигнала. Следовательно, объединение информации нескольких систем позволит получить наиболее полную информацию о шумящем в море объекте.

Известны способы интеграции гидроакустических систем: способ [Алексеев Н.С., Волкова А.А., Каришнев Н.С. Патент РФ №2572792 от 15.12.2015 «Способ интеграции систем обнаружения шумящих в море объектов», МПК G01S 3/80] и способ, описанный в работе [Андреев М.Я., Охрименко С.Н., Клюшин В.В., Рубанов И.Л., Яковлев В.А. Интегрированная система подводного наблюдения для надводного корабля // Морской сборник. 2006. №8. С. 50-51]. Указанные способы позволяют объединить гидроакустическую информацию двух систем на уровне пространственного распределения отношений сигнала к помехе, вычисленных в совокупной частотной полосе. При этом теряется информация о спектральном составе сигналов, что ограничивает возможности классификации после интеграции. Кроме того, способы неприменимы для систем, антенны которых разнесены в пространстве.

Известны способы классификации шумящих объектов [Тимошенков В.Г., Дядченко Т.З. Патент РФ №2262121 от 10.10.2005 «Способ классификации шумящих объектов», МПК G01S 3/80] или [Афанасьев А.Н., Знаменская Т.К. Патент РФ №2546851 от 10.04.2015 «Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта», МПК G01S 3/80], в которых при классификации по спектральной информации используется совокупная информация двух антенн. Однако, в этих случаях антенны нельзя отнести к различным гидроакустическим системам, поскольку они полностью идентичны, работают в одинаковом диапазоне частот, и используют одинаковые способы обработки информации.

Наиболее близким аналогом по выполняемым процедурам к предлагаемому изобретению является способ [Волкова А.А., Никулин М.Н. Способ отождествления объектов, обнаруженных пространственно-разнесенными системами. Патент РФ №2730103 от 17.08.2020. МПК G01S3/80], который принят за прототип.

В способе-прототипе выполняются следующие операции:

принимают шумовые сигналы раздельно, но одновременно двумя системами, находящимися на общем носителе,

выбирают частотный диапазон, общий для обеих систем,

фильтруют принятые сигналы в обеих системах полосовым фильтром с полосой пропускания, равной выбранному частотному диапазону,

вычисляют взаимно-корреляционную функцию между отфильтрованными сигналами обеих систем,

находят максимальное значение взаимно-корреляционной функции,

принимают решение о наблюдении одного объекта в двух системах при выполнении условия: максимальное значение взаимно-корреляционной функции более порога.

Способ позволяет отожествлять информацию систем, антенны которых разнесены в пространстве, но не обладает признаками полной интеграции. После принятия решения о наблюдении одного объекта в двух системах, дальнейшая обработка сигналов осуществляется отдельно в каждой системе, что не дает возможности использовать для классификации совокупную информацию двух систем, и, следовательно, не обеспечивает увеличение эффективности классификации.

Задачей заявляемого способа является обеспечение совместной обработки двух сигналов, если они принадлежат одному объекту, обнаруженному в пространственно-разнесенных системах, находящихся на общем носителе, в целях последующей классификации объекта по совокупной информации.

Для решения поставленной задачи в способ обработки шумового сигнала объекта, обнаруженного гидроакустическими пространственно-разнесенными системами, в котором

принимают шумовой сигнал S_A(t) гидроакустической системой А в диапазоне частот [ƒ_A1,ƒ_A2],

принимают одновременно шумовой сигнал S_B(t) гидроакустической системой В в диапазоне частот [ƒ_B1, f_B2],

выбирают частотный диапазон, общий для обеих систем,

фильтруют принятые сигналы в обеих системах первым полосовым фильтром с полосой пропускания, равной выбранному частотному диапазону,

вычисляют взаимно-корреляционную функцию W(t) между отфильтрованными

сигналами обеих систем,

находят максимальное значение взаимно-корреляционной функции, принимают решение о наблюдении одного объекта в двух системах при выполнении условия: максимальное значение взаимно-корреляционной функции более порога,

введены новые признаки, а именно:

выбирают гидроакустические системы А и В таким образом, чтобы границы их частотных диапазонов удовлетворяли условию f_A1<f_B1<f_A2<f_B2,

выбирают общий частотный диапазон первого фильтра в виде [ƒ_B1,ƒ_A2],

определяют задержку по времени τ между моментами прихода сигналов S_A(t) и S_B(t) как аргумент максимального значения взаимно-корреляционной функции τ=arg max{W(t)},

осуществляют сдвиг по времени одного из принятых сигналов на задержку τ относительно другого, выбранного опорным,

фильтруют сдвинутый во времени сигнал вторым полосовым фильтром с полосой пропускания, уникальной для этого сигнала,

определяют совокупный сигнал объекта S(t) в полной полосе частот [ƒ_A1,ƒ_B2] как S(t)=S_A(t)+S_B(t),

осуществляют частотную обработку совокупного сигнала S(t), и классификацию объекта.

Техническим результатом изобретения является получение сигнала объекта, обладающего совокупными частотными свойствами сигналов, обнаруженных в двух системах, что повышает эффективность классификации объекта.

Покажем возможность достижения указанного технического результата предложенным способом.

Для увеличения эффективности классификации, основанной на особенностях спектрального состава сигнала, необходимо, по возможности, расширять анализируемую частотную полосу сигнала [Деев В.В. и др. Анализ информации оператором-гидроакустиком. Л.: Судостроение. 1990]. В рамках одной фиксированной системы сделать это не представляется возможным в связи с физическими ограничениями размеров гидроакустической антенны. Однако, увеличение анализируемой частотной полосы сигнала можно обеспечить, если использовать потенциальные возможности двух систем. Тогда, сложение сигналов двух систем, работающих в разных диапазонах частот, позволит получить сигнал, обладающий совокупными частотными свойствами, что, в свою очередь увеличит эффективность классификации. Именно это и заложено в основу предлагаемого способа, когда совокупная полная полоса частот [ƒ_A1,ƒ_B2] превышает отдельные полосы частот [ƒ_A1,ƒ_A2] системы A и [ƒ_B1,ƒ_B2] системы В, если изначально границы диапазонов удовлетворяют условию ƒ_A1<ƒ_B1<ƒ_A2<ƒ_B2.

Однако, для корректного сложения двух сигналов необходимо выполнить два условия, которые заложены в процедуры способа. Во-первых, необходимо исключить возможное удвоение мощности сигнала при его сложении в том частотном диапазоне, который является общим для двух систем. Для этого в способ введена процедура полосовой фильтрации одного из сигналов с полосой пропускания, уникальной для этого сигнала. После такой фильтрации мы уменьшаем частотную полосу одного из сигналов, и их полосы становятся не пересекающимися, а стыкующимися. Во-вторых, необходимо компенсировать задержку сигнала по времени, которая возникает при распространении сигнала от объекта к двум антеннам, разнесенным в пространстве. Для этого в способе используется определение аргумента локального выброса взаимно-корреляционной функции, который характеризует разницу во времени распространения одного сигнала по двум путям [Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Советское радио. 1966]. После чего осуществляют сдвиг по времени одного сигнала относительно другого, приводя их к единой системе координат по времени. Таким образом, все новые процедуры способа направлены на корректное сложение двух сигналов, обнаруженных пространственно-разнесенными системами, что в результате позволяет получить сигнал, обладающий совокупными частотными свойствами обеих систем.

Сущность изобретения поясняется фигурой 1, на которой приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг. 1 последовательно соединены блок 1 (Система А), фильтр 2 с общей полосой частот (ПФ1), блок 3 вычисления взаимно-корреляционной функции (ВКФ), блок 4 анализа ВКФ (Анализ ВКФ), блок 5 вычисления задержки между сигналами (Задержка), фильтр 6 с уникальной частотной полосой (ПФ2), Сумматор 7, Классификатор 8. Второй выход блока 1 соединен со вторым входом Сумматора 7. Второй выход фильтра 2 соединен со вторым входом блока 3. Первый выход блока 9 (Система В) соединен со вторым входом фильтра 2, а второй выход блока 9 соединен со вторым входом блока 5.

В интегрированном гидроакустическом комплексе, состоящем из двух систем, антенны которых разнесены в пространстве, предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.

До начала работы выбирают:

- частотный диапазон для первого полосового фильтра;

- систему, для сигнала которой будет осуществляться задержка по времени и вторая полосовая фильтрация;

- частотный диапазон для второго полосового фильтра.

Частотный диапазон для первого полосового фильтра должен быть выбран таким образом, чтобы он был общим для способов обработки информации в обеих системах, то есть [ƒ_B1,ƒ_A2]. Если системы работают в неперекрывающихся диапазонах частот, то способ не может быть реализован.

Систему, для сигнала которой будет осуществляться задержка по времени, необходимо выбрать для того, чтобы правильно осуществить вычисление взаимно-корреляционной функции (ВКФ) в блоке 3. В рассматриваемом примере (рис. 1) блок 5 задержки по времени (Задержка) установлен в линии обработки сигнала системы В, следовательно, при вычислении ВКФ необходимо использовать сигнал системы А в качестве опорного, относительно которого сдвигать сигнал системы В. Тогда, задержка будет вычислена верно именно для случая, когда в дальнейшем, в блоке 5, осуществляется сдвиг по времени сигнала S_B(t) относительно S_A(t). Возможна реализация способа, когда блок задержки по времени был бы установлен в линии обработки сигнала системы А, тогда при вычислении ВКФ в блоке 3 необходимо было бы в качестве опорного использовать сигнал системы В.

Частотный диапазон для второго полосового фильтра должен быть выбран таким образом, чтобы он был уникальным для системы, сигнал которой будет подвержен фильтрации. В рассматриваемом примере (рис. 1) второй полосовой фильтр (ПФ2) установлен в линии обработки сигнала системы В, следовательно, частотный диапазон должен быть выбран как [ƒ_A2,ƒ_B2] для сигнала S_B(t). Тогда, с учетом исходной полосы системы А, для последующего суммирования будут использованы сигналы с частотными полосами, идущими встык друг к другу: [ƒ_A1,ƒ_A2] и [ƒ_A2,ƒ_B2]. Возможна реализация способа, когда второй полосовой фильтр был бы установлен в линии обработки сигнала системы А, тогда частотный диапазон необходимо было бы выбрать как [ƒ_A1,ƒ_B1] для сигнала S_A(t).

В динамике работы система А (блок 1) и система В (блок 9) независимо друг от друга принимают сигналы объекта S_A(t) и S_B(t), соответственно. Оба сигнала поступают в первый фильтр 2 (ПФ1), в котором для них реализуются независимые, но одинаковые процедуры полосовой фильтрации в общем частотном диапазоне [ƒ_B1,ƒ_A2]. Процедура полосовой фильтрации является стандартной, и может быть заимствована из [Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов // Пер. с англ. М.: Мир. 1978].

Из блока 2 отфильтрованные в общей полосе сигналы поступают в блок 3 (ВКФ), где вычисляется их взаимно-корреляционная функция согласно [Рабинер Л., Гоулд Б. Теория…] с учетом того, что в данном случае сигнал системы А принят в качестве опорного. Вычисленная взаимно-корреляционная функция W(t) поступает в блок 4 (Анализ ВКФ), в котором осуществляется ее анализ:

- определяют максимальное значение взаимно-корреляционной функции K=max{W(t)} и осуществляют его сравнение с порогом. Если выполняется условие K>Por, где Por - пороговое значение, которое выбирается по правилу обнаружения аномальных выбросов в выборке значений нормально распределенной случайной величины [Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. М.: Мир, 1985], то принимают решение о наблюдении одного объекта в двух системах, и продолжают обработку далее. Иначе - прекращают совместную обработку двух сигналов;

- в блоке 4 определяют аргумент максимального значения взаимно-корреляционной функции τ=arg max {W(t)}, который является задержкой по времени между моментами прихода сигналов S_A(t) и S_B(t). Передают задержку τ в блок 5.

В блок 5 (Задержка) поступает задержка τ из блока 4 и исходный сигнал системы В S_B(t) из блока 9. В блоке 5 осуществляется сдвиг по времени сигнала системы В на задержку τ: S_B(B)=S_B(t+τ). Сигнал после задержки поступает в фильтр 6.

В фильтре 6 (ПФ2) осуществляется процедура полосовой фильтрации для сигнала после задержки в частотном диапазоне [ƒ_A2,ƒ_B2], уникальном сигнала S_B(t). Отфильтрованный сдвинутый сигнал системы В поступает в сумматор 7.

В Сумматор 7 поступают два сигнала: исходный сигнал системы А из блока 1 и сигнал системы В после задержки и фильтрации из блока 6. В Сумматоре 7 осуществляется их суммирование S(t)=S_A(t)+S_B(t). При этом, выполненный до этого сдвиг по времени одного из сигналов позволяет компенсировать разницу времен хода сигнала к антеннам системы А и системы В, а выполненная фильтрация в уникальном диапазоне частот позволяет исключить удвоение мощности сигнала в перекрывающемся диапазоне частот. Совокупный сигнал S(t) поступает в блок 8.

В Классификаторе 8 осуществляется частотная обработка совокупного сигнала и классификация объекта. Для частотной обработки используют известные методы [Рабинер Л., Гоулд Б. Теория…], а для классификации объекта используют известные способы классификации, основанные на особенностях спектрального состава сигнала, например [Знаменская Т.К. Патент РФ №2603886 от 10.12.2016 «Способ классификации гидроакустических сигналов шумоизлучения морского объекта», МПК G01S 3/80]. При этом, использование для классификации именно совокупного сигнала, общий частотный диапазон которого превышает частотные диапазоны сигналов в системах А я В отдельно, позволяет увеличить эффективность классификации [Деев В.В. и др. Анализ информации оператором-гидроакустиком. Л.: Судостроение. 1990].

Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной. Предложен способ обработки сигнала объекта, обнаруженного гидроакустическими пространственно-разнесенными системами, который позволит увеличить эффективность классификации.

Способ обработки шумового сигнала объекта, обнаруженного гидроакустическими пространственно-разнесенными системами, в котором принимают шумовой сигнал S_A(t) гидроакустической системой А в диапазоне частот [ƒ_A1,ƒ_A2], принимают одновременно шумовой сигнал S_B(t) гидроакустической системой В в диапазоне частот [ƒ_B1,ƒ_B2], выбирают частотный диапазон, общий для обеих систем, фильтруют принятые сигналы в обеих системах первым полосовым фильтром с полосой пропускания, равной выбранному частотному диапазону, вычисляют взаимно-корреляционную функцию W(t) между отфильтрованными сигналами обеих систем, находят максимальное значение взаимно-корреляционной функции, принимают решение о наблюдении одного объекта в двух системах при выполнении условия: максимальное значение взаимно-корреляционной функции более порога, отличающийся тем, что выбирают гидроакустические системы А и В таким образом, чтобы границы их частотных диапазонов удовлетворяли условию ƒ_A1<ƒ_B1<ƒ_A2<ƒ_B2, выбирают общий частотный диапазон первого фильтра в виде [ƒ_B1,ƒ_A2], определяют задержку по времени τ между моментами прихода сигналов S_A(t) и S_B(t) как аргумент максимального значения взаимно-корреляционной функции τ=arg max{W(t)}, осуществляют сдвиг по времени одного из принятых сигналов на задержку τ относительно другого, выбранного опорным, фильтруют сдвинутый во времени сигнал вторым полосовым фильтром с полосой пропускания, уникальной для этого сигнала, определяют совокупный сигнал объекта S(t) в полной полосе частот [ƒ_A1,ƒ_B2] как S(t)=S_A(t)+S_B(t), осуществляют частотную обработку совокупного сигнала S(t) и классификацию объекта.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для исследования структуры первичных гидроакустических полей надводных и подводных морских шумящих объектов (ШО). Сущность: способ заключается в расположении гидроакустического приемного модуля с комбинированным гидроакустическим приемником в заданной области натурного водоема и измерении акустической мощности излучения шумящего объекта, рассчитываемой на компьютере, в проходящей через него и приемный модуль плоскости измерений.

Способ обнаружения движения подводного источника широкополосного шума // 2786599

Использование: изобретение относится к области гидроакустики. Сущность: в способе обнаружения низкоскоростного движения малоразмерных необитаемых подводных объектов на малых дистанциях, в условиях, когда применение активных гидроакустических способов затруднено или невозможно, осуществляют прием и регистрацию акустических волн гидроакустическими приемниками и анализируют спектры интенсивности шума, в частности участки с постоянным углом наклона.

Способ обнаружения движущихся объектов пассивной системой приемников совместно с радиометром // 2786046

Использование: изобретение относится к многопозиционным пассивным системам обнаружения движущихся объектов. Сущность: система состоит из нескольких взаимно ориентированных радио-, оптических или акустических приемников, совмещенных с радиометром и принимающих сигналы отражения или излучения от быстро движущихся объектов.

Способ позиционирования подводных аппаратов при плавании по постоянному маршруту // 2785215

Использование: изобретение относится к способам навигации подводных аппаратов (ПА), а конкретно к гидроакустическим способам определения их местонахождения ПА при плавании по постоянным маршрутам под водой. Сущность: вместо водозаполненной сферической оболочки с микросферами, заполненными воздухом, в качестве отражающего тела, входящего в состав ПДАМ, применяют уголковый отражатель из лёгкого металлического сплава, имеющий меньшую стоимость и обеспечивающий большую дистанцию обнаружения ПДАМ гидролокатором ПА.

Устройство обнаружения подводного источника широкополосного шума // 2784699

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может использоваться в системах шумопеленгования и контроля подводной обстановки. Сущность: способ включает прием широкополосного шума источника комбинированным приемником, содержащим приемник звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости частиц среды, при котором формируют для принятого сигнала набор частотных каналов, охватывающий весь наблюдаемый частотный диапазон; для каждого временного фрагмента принятого сигнала вычисляют в каждом частотном канале горизонтальный угол прихода потока акустической энергии и величину его интенсивности; распределяют потоки энергии частотных каналов по назначенным равным горизонтальным угловым секторам горизонта наблюдения; вычисляют для каждого углового сектора величину секторной интенсивности потока энергии; вычисляют величину средней секторной интенсивности потока энергии и назначают ее пороговой; выделяют из угловых секторов секторы, величина секторной интенсивности потока энергии которых превышает пороговую; по результатам обработки ряда временных фрагментов принятого сигнала формируют сонограмму время-углового прихода потока энергии выделенных секторов, из которой определяют доминирующий угловой сектор с максимальной величиной секторной интенсивности потока энергии и проводят оценку временной устойчивости величины последней; анализируют данные текущей сонограммы и принимают решение об обнаружении источника широкополосного шума по уровню превышения величины секторной интенсивности потока энергии доминирующего углового сектора пороговой величины и временной устойчивости уровня, а также соответствию временной изменчивости ориентации доминирующего углового сектора предполагаемой динамике движения источника, а по ориентации доминирующего сектора о направлении на источник.

Способ определения дистанции до надводного корабля в условиях дальних зон акустической освещённости // 2782619

Изобретение относится к способу определения дистанции до надводного корабля в условиях дальних зон акустической освещённости по данным шумопеленгаторной станции, установленной на подводной лодке. Для этого производят измерение вертикального распределения скорости звука определенным образом, формируют пеленгационный рельеф с помощью гидроакустической антенны, обнаруживают отметку цели, продолжают слежение за ней, определяют дистанцию до цели путем обеспечения определенных вычислений.

Способ обработки сигналов // 2782160

Использование: изобретение относится к области радиоэлектроники и гидроакустики, а именно к способам обработки сигнала при наличии помех. Изобретение заключается в реализации разработки оптимального метода обнаружения гидроакустического сигнала в условиях помех, описываемых нелинейными стохастическими уравнениями.

Способ обнаружения шумящих в море объектов // 2780408

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленгования. Сущность: способ включает прием первичного поля шумоизлучения объектов многоэлементной антенной решеткой со статическим веером характеристик направленности (веером каналов наблюдения), определение корреляции сформированных каналов наблюдения с сигналом одного заранее выбранного приемного элемента многоэлементной антенной решетки (опорного канала), обеспечивающего прием сигналов со всех направлений в заданном секторе обзора, расчет для каждого канала весовых коэффициентов и формирование очищенных каналов режекцией сигнала этого опорного канала, частотно-временную обработку в каждом исходном пространственном канале наблюдения и в каждом очищенном канале, центрирование и нормирование выходных эффектов исходных и очищенных пространственных каналов к распределенной помехе, получение тем самым массивов индикаторных процессов - исходных и очищенных, сравнение массива исходных индикаторных процессов с заранее заданным порогом обнаружения сильного мешающего сигнала локальной помехи и при превышении его хотя бы в одном пространственном канале, то есть при обнаружении сигнала локальной помехи, решение об обнаружении шумящих в море объектов принимают по выходам очищенных индикаторных процессов.

Способ отождествления сигналов, обнаруженных гидроакустическими пространственно-разнесенными системами // 2778168

Способ основан на приеме, обнаружении и измерении направления гидроакустического импульсного сигнала раздельно двумя пространственно-разнесенными системами, находящимися на общем носителе. При реализации способа формируют измеренное значение задержки обнаружения двух импульсных сигналов и прогнозное значение задержки для гипотезы, что сигнал принадлежит одному источнику.

Способ определения местоположения источника излучения с борта самолета // 2777147

Изобретение относится к способу определения местоположения источника излучения с борта самолета. Для определения местоположения размещают на борту летательного аппарата фазовый пеленгатор, устанавливают на законцовках крыльев антенны, первоначально измеряют текущий угол крена самолета, а также угол между направлениями на источник излучения и на правую антенну с вершиной в середине антенной базы, которая параллельна поперечной оси связанной системы координат самолета, запоминают измеренные данные, осуществляют дополнительный крен самолета, повторно измеряют угол крена и угол с вершиной в середине антенной базы между направлениями на источник излучения и на правую антенну, рассчитывают дальность до источника излучения определенным образом.