Способ обработки и отображения сигналов в гидроакустической станции с гибкой протяжённой буксируемой антенной

Авторы патента:

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

Владельцы патента RU 2789101:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Использование: изобретение относится к способам освещения подводной обстановки, а конкретно к способам отображение информации в пассивных низкочастотных гидроакустических станциях (ГАС) с гибкими протяженными буксируемыми антеннами (ГПБА). Сущность: в способе осуществляется синхронный набор дискретных реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов ГПБА; путем двумерного быстрого преобразования Фурье вычисляются узкополосные комплексные спектры сигналов, соответствующих разным курсовым углам (вееру курсовых углов); путем суммирования квадратов действительных и мнимых частей узкополосных комплексных спектров вычисляются энергетические спектры сигналов, соответствующих разным курсовым углам; несколько последовательных реализаций энергетических спектров, соответствующих одноименным курсовым углам, накапливаются; в каждом накопленном энергетическом спектре методом двустороннего контраста выделяются ДС с определением их курсового угла, частоты и уровня; на индикаторе в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)" на ДС, выделенные на предыдущих циклах накопления, со сдвигом на один пиксель по частоте накладываются ДС, выделенные на текущем цикле накопления, с учетом их курсовых углов, частот и уровней. Технический результат: повышение дальности обнаружения целей по ДС в спектре их шумоизлучения. 3 ил.

Изобретение относится к способам освещения подводной обстановки, а конкретно к способам отображение информации в пассивных низкочастотных гидроакустических станциях (ГАС) с гибкими протяженными буксируемыми антеннами (ГПБА).

Ввиду снижения шумностей подводных лодок (ПЛ) в звуковом диапазоне частот основными источниками их обнаружения стали инфразвуковой (ниже 20 Гц) и низкий звуковой (ниже 500 Гц) диапазоны частот, в которых сосредоточены трудно устранимые узкополосные сигналы, обусловленные вращением гребного винта и их гармониками, а также работой других корабельных механизмов.

Одним из средств обнаружения ПЛ по излучаемым ими низкочастотным узкополосным (дискретным) составляющим (ДС) спектра их шумоизлучения являются пассивные низкочастотные ГАС с ГПБА, устанавливаемые на ПЛ [1-4].

Обнаружение целей в ГАС с ГПБА осуществляется оператором по индикатору, на котором в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)" отображается результат спектрального анализа на одном цикле накопления сигналов на выходе всех сформированных пространственных каналов (фиг. 1). Оператор среди множества помеховых отметок, обусловленных флюктуациями шумов моря и собственной помехи, должен обнаружить отметки, обусловленные ДС спектра цели.

В качестве прототипа рассмотрим способ, описанный в работе [1, п. 2.1.2]. Способ-прототип на каждом цикле обработки и отображения включает:

1) синхронный набор цифровых реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов ГПБА.

При этом:

- частота дискретизации

где - верхняя частота рабочего диапазона частот;

- длина реализации ,

где - заданная разрешающая способность узкополосного спектрального анализа, согласованная с предполагаемой шириной ДС;

2) путем быстрого преобразования Фурье временных последовательностей сигналов и последующего фазового суммирования полученных спектральных отсчетов отдельных гидрофонов вычисление узкополосных комплексных спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам (вееру курсовых углов);

3) путем суммирования квадратов действительных и мнимых частей узкополосных комплексных спектров вычисление энергетических спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам;

4) суммирование (накопление) энергетических спектров, соответствующих одноименным курсовым углам, вычисленных на нескольких циклах набора реализаций;

5) отображение накопленных энергетических спектров на индикаторе в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)".

Заметим, что на каждом новом цикле отображения накопленные энергетические спектры замещают спектры, вычисленные на предыдущем цикле накопления.

Недостатком способа-прототипа является то, что оператор уверенно может обнаружить ДС, принадлежащую цели только в том случае, когда уровень обнаруживаемой ДС существенно (на 15 дБ и более) превосходит уровень флюктуационных выбросов фонового шума. ДС с небольшим превышением над фоновой частью спектра обнаружить затруднительно (фиг. 1), особенно, когда порог отображения на индикаторе установлен достаточно высоким, чтобы отсекать большую часть помеховых выбросов (фиг. 2).

Решаемая техническая проблема - повышение качества обнаружения малошумных целей в ГАС с ГПБА.

Технический результат - повышение дальности обнаружения целей по ДС в спектре их шумоизлучения.

Указанный технический результат достигается тем, что:

- в каждом накопленном энергетическом спектре, соответствующем каждому курсовому углу, методом двустороннего контраста [5] выделяются узкополосные (дискретные) составляющие с определением их частот и уровней;

- на индикаторе в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)" отображаются не энергетические спектры, а выделенные в них ДС, превысившие порог. При этом ДС, выделенные на новом цикле накопления, накладываются при отображении на индикаторе на ДС, выделенные на предыдущих циклах накопления, но со сдвигом последних на 1 пиксель по частоте (вниз или вверх).

В результате (фиг. 3) отметки, обусловленные устойчивыми ДС в спектре целей, начинают перемещаться по частоте и образуют трассы, что повышает достоверность их выявления.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующих действиях, выполняемых на каждом цикле обработки и отображения сигналов:

1) синхронный набор дискретных реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов ГПБА;

3) путем суммирования квадратов действительных и мнимых частей узкополосных комплексных спектров - вычисление энергетических спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам;

4) суммирование (накопление) 4…8 энергетических спектров, соответствующих одноименным курсовым углам, вычисленных на нескольких циклах набора реализаций;

5) выделение на текущем цикле в каждом накопленном энергетическом спектре методом двустороннего контраста ДС с определением их курсовых углов, частот и уровней;

6) сдвиг индикаторной картины в координатах "курсовой угол (по горизонтали) - частота (по вертикали) - амплитуда (яркостью либо цветом)", сформированной на предыдущем цикле обработки и отображения, на один пиксель по частоте вниз;

7) добавление к индикаторной картине, образовавшейся после сдвига по частоте, ДС, выделенных на текущем цикле с учетом их курсового угла, частоты и уровня;

8) отображение сформированной индикаторной картины на электронном индикаторе.

Эффективность заявляемого способа была подтверждена путем его моделирования с использованием программной модели ГАС с ГПБА. Моделирование показало, что дистанция обнаружения малошумных ПЛ по ДС в инфразвуковом диапазоне частот за счет внедрения заявляемого способа возросла в среднем на 35%.

Заявляемый способ может быть реализован в действующих и проектируемых ГАС с ГПБА на программном уровне.

Таким образом, заявленный технический результат - повышение дальности обнаружения целей по ДС в спектре их шумоизлучения - можно считать достигнутым.

Источники информации:

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

2. Деев В.В. и др. Анализ информации оператором-гидроакустиком // Л.: Судостроение. 1989.

3. Патент РФ №2546851.

4. Патент РФ №2603886.

5. Белецкий Ю.С. Методы и алгоритмы контрастного обнаружения сигналов на фоне помех с априори неизвестными характеристиками // М.: Радиотехника, 2011, 429 с.

Способ обработки и отображения сигналов в гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной, на каждом цикле обработки и отображения включающий синхронный набор цифровых реализаций сигналов на выходе всех приемных элементов антенны, вычисление и накопление узкополосных энергетических спектров сигналов, соответствующих разным курсовым углам носителя антенны, формирование индикаторной картины в координатах "курсовой угол по горизонтали - частота по вертикали - амплитуда яркостью либо цветом" и отображение ее на электронном индикаторе, отличающийся тем, что индикаторную картину, сформированную на предыдущем цикле обработки и отображения, сдвигают на один пиксель по частоте, в каждом накопленном на текущем цикле обработки и отображения энергетическом спектре выделяют узкополосные дискретные составляющие и с учетом их курсовых углов, частот и уровней добавляют их к образовавшейся после сдвига по частоте индикаторной картине.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для предупреждения о возможном столкновении с морским объектом, обнаруженным по шумовому полю. Сущность: способ применим для режима шумопеленгования гидроакустического комплекса, осуществляющего прием шумового сигнала объекта гидроакустической антенной, определение отношения сигнала к помехе в совокупности частотных диапазонов, определение направлений на объект и мощностей сигнала в последовательные моменты времени, определение угловой скорости объекта.

Способ определения координат источников излучения пассивным гидролокатором // 2788476

Использование: изобретение относится к области гидроакустики, конкретно - к пассивной гидролокации, а также может быть использовано в атмосферной акустике и пассивной радиолокации. Сущность: в способе пассивного определения координат источников излучения, содержащем прием сигнала широко-апертурной приемной системой из М разнесенных антенн (М≥3) в зоне Френеля, предварительную обработку, задание поля индикации с границами «αmin, αmax; Dmin, Dmax», и с координатной сеткой «направление α - дальность D»:: αр, Dq (р=1, …Р, g=1, …Q), с границами поля наблюдения «αmin<αp<αmax; Dmin≤Dq≤Dmax» и Р×Q-канальную меж-антенную обработку, с координатной сеткой и линейными шкалами α (градус) и D (метр), введены новые признаки: для каждой pq-й ячейки индикаторной таблицы определяют виртуальную точку фокусировки приемной системы Rpq с координатами <αр, rq>, совпадающую по направлению с αр и отличающуюся по дальности: rq≠Dq, но связана с Dq нелинейной зависимостью, приемную систему фокусируют в точку Rpq, формируют индикаторную таблицу, для чего в каждой pq-й ячейке определяют значения взаимной корреляции Cmn(τmnR(pq)) всех пар антенн и считывают значений измеренных ПВКФ Cmn(τ) в точках τ=τmnR(pq), заполняя этими значениями ячейки индикаторной таблицы путем суммирования по индексу mn удвоенных значений Cmn(τmnR(pq)) и выходных значений квадратичного детектирования сигналов с выходов антенн и, полученную таким образом индикаторную таблицу выводят на индикатор с координатной сеткой и шкалами а координаты источников излучения определяют по положению главных максимумов их сигнальных отметок на шкалах координатной сетки.

Способ локализации в пространстве шумящего в море объекта // 2788341

Использование: изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам локализации шумящих в море объектов по их шумоизлучению, и может быть использовано для решения задачи определения глубины погружения шумящего в море объекта. Сущность: в способе предварительно формируют таблицу зависимости задержек от глубины погружения шумящего в море объекта в текущих гидролого-акустических условиях.

Способ определения направления прихода радиосигнала // 2787952

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения направления прихода радиосигналов. Требуемый технический результат, заключающийся в повышении быстродействия и обеспечении равномерной во всем диапазоне пространственных углов точности определения направления прихода радиосигнала, а также в расширении арсенала технических средств, достигается в способе, основанном на регистрации сигналов элементами приемной антенной решетки, отличающийся тем, что используют сигналы N=4 ненаправленных или одинаково направленных элементов антенной решетки, фазовые центры которых лежат в вершинах правильного тетраэдра на расстоянии R от центра тетраэдра, где R - радиус описанной сферы, и формируют измеренный вектор полных фаз на N антенных элементах, трехмерные координаты которых заданы матрицей координат, определяют трехмерный волновой вектор k прихода плоской электромагнитной волны , откуда пеленг θ и угол места β определяют из соотношений: θ=arctg(kx/ky), β=arcsin(kz/|k|).

Способ обнаружения подводного источника широкополосного шума // 2787951

Использование: гидроакустика, в системах шумопеленгования и контроля подводной обстановки, обеспечивающего обнаружение и локализацию подводных аппаратов по шумоизлучению. Сущность: в океанической среде волноводная дисперсия и многомодовое распространение звука приводят к формированию устойчивой интерференционной картине (интерферограмме) шумового поля источника.

Способ обработки шумового сигнала объекта, обнаруженного гидроакустическими пространственно-разнесенными системами // 2787686

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.

Способ исследования структуры первичных гидроакустических полей шумящего объекта // 2787312

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.