RU2690223C1 - Method of determining coordinates of a marine noisy target - Google Patents

Abstract

FIELD: hydroacoustics.SUBSTANCE: invention relates to hydroacoustics, namely to methods and devices for detecting marine targets by their noise emission, and more specifically to methods of determining coordinates of targets using interference maxima in autocorrelation function of target noise. Technical result is achieved by combining into a single array of all interference maxima found in autocorrelation functions, calculated on a series of successive time intervals, at which the coordinates of the target can be considered constant.EFFECT: high accuracy of determining coordinates of a noisy target.1 cl, 4 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам обнаружения морских целей по их шумоизлучению.The invention relates to the field of hydroacoustics, and in particular to methods and devices for detecting marine targets for their noise emission.

Одной из актуальных практических задач гидроакустики является определение координат цели по данным шумопеленгаторной станции (далее - ШПС). Для решения этой задачи предложено большое число способов [1].One of the actual practical problems of hydroacoustics is to determine the coordinates of the target according to the data of the direction finding station (hereinafter referred to as PSS). To solve this problem, a large number of methods have been proposed [1].

Группа способов базируется на использовании измеренной автокорреляционной функции (АКФ) широкополосного акустического сигнала для определения координат (дистанции и глубины) его источника [1-6]. Информация о координатах источника сигнала (цели) в измеренной АКФ заключена в расположении на оси абсцисс (времени) узкополосных интерференционных максимумов (далее - ИМ), обусловленных интерференцией коррелированных сигналов источника, пришедших на вход приемной гидроакустической антенны ШПС по различным лучам. Каждой паре лучей в АКФ (при достаточном отношении сигнал/помеха (далее - ОСП) [7, 8]) соответствует один ИМ с шириной, равной обратной величине эффективной полосы частот сигнала на входе антенны, и положением на оси абсцисс, равным абсолютной величине разности времен распространения сигнала по интерферирующим лучам. На фиг. 1 в качестве иллюстрации приведена АКФ сигнала источника, пришедшего на антенну по четырем лучам.The group of methods is based on using the measured autocorrelation function (ACF) of a broadband acoustic signal to determine the coordinates (distance and depth) of its source [1-6]. Information about the coordinates of the signal source (target) in the measured ACF lies in the location on the abscissa axis (time) of narrow-band interference maxima (hereinafter referred to as MI), due to the interference of correlated source signals that arrived at the input of the PSS sonar antenna on different beams. Each pair of rays in the ACF (with a sufficient signal-to-noise ratio (hereinafter - OSB) [7, 8]) corresponds to one MI with a width equal to the inverse of the effective frequency band of the signal at the antenna input, and the position on the x-axis equal to the absolute value of the difference the propagation times of the signal through the interfering beams. FIG. 1 as an illustration shows the ACF signal of the source, which came to the antenna in four rays.

Экспериментальная апробация способов данной группы привела к выводу, что точность определения координат цели тем выше, чем больше ИМ обнаружено в измеренной АКФ сигнала. Обусловлено это тем, что при малом количестве ИМ (менее 5-6), обнаруженных в измеренной АКФ, велика вероятность получения многозначного решения задачи [8, 9]. На практике, в силу флюктуаций коэффициента когерентности интерферирующих лучей, имеющих место особенно в гидроакустических условиях, характеризующихся многократным их отражением от границ волновода, количество ИМ, обнаруживаемых в АКФ, как правило, невелико. Причем набор ИМ, обнаруживаемых в измеренной АКФ на последовательных интервалах времени измерения АКФ, не является постоянным.Experimental testing of the methods of this group led to the conclusion that the accuracy of determining the coordinates of the target is the higher, the more IM detected in the measured ACF signal. This is due to the fact that with a small amount of MI (less than 5-6) detected in the measured ACF, the probability of obtaining a multi-valued solution to the problem is high [8, 9]. In practice, due to the fluctuations of the coherence coefficient of interfering rays, which take place especially in hydroacoustic conditions, characterized by their multiple reflection from the waveguide boundaries, the number of MI detected in the ACF is usually small. Moreover, the set of THEM, detected in the measured ACF on consecutive time intervals of measurement of the ACF, is not constant.

В качестве прототипа выбран описанный в работе [2] способ определения координат морской шумящей цели, включающий (фиг. 2):As a prototype, the method for determining the coordinates of a roaring noise target, described in [2], was selected, including (Fig. 2):

- обнаружение широкополосного сигнала на выходе гидроакустической антенны ШПС (далее - антенна ШПС);- detection of a broadband signal at the output of a hydroacoustic antenna of the PSS (hereinafter referred to as the PSS antenna);

- измерение АКФ обнаруженного сигнала;- measurement of the ACF of the detected signal;

- обнаружение ИМ в измеренной АКФ и измерение их абсцисс (относительных запаздываний);- detection of MI in the measured ACF and measurement of their abscissas (relative delays);

- определение области возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина»;- determination of the area of possible location of the target in the distance-depth space;

- для каждой точки этой области:- for each point of this area:

с учетом текущих гидроакустических условий вычисление лучевой структуры сигнала на входе антенны ШПС;

taking into account the current hydroacoustic conditions, the calculation of the beam structure of the signal at the input of the PSS antenna;

для каждой возможной пары лучей вычисленной лучевой структуры вычисление абсциссы и ОСП ИМ (далее - расчетный ИМ), который должен быть образован в АКФ сигналами этой пары лучей;

for each possible pair of rays of the computed ray structure, the calculation of the abscissa and the OSB of MI (hereinafter referred to as the calculated MI), which must be formed in the ACF by signals of this pair of rays;

формирование массива расчетных ИМ, для которых вычисленные значения ОСП превышают заданное пороговое значение для их обнаружения в АКФ;

forming an array of calculated MIs for which the calculated SIR values exceed a specified threshold value for their detection in the ACF;

определение в сформированном массиве расчетных ИМ количества ИМ, абсциссы которых с учетом точности их измерения равны абсциссам ИМ, обнаруженных в измеренной АКФ;

determining in the formed array of calculated MI the number of MI, whose abscissas, taking into account the accuracy of their measurement, are equal to the abscissas of MI found in the measured ACF;

- принятие в качестве координат цели координаты той точки в области возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», которой соответствует наибольшее количество расчетных ИМ, абсциссы которых равны абсциссам ИМ, обнаруженных в измеренной АКФ.- taking as the coordinates of the target coordinates of the point in the region of the possible location of the target in the space "distance - depth", which corresponds to the greatest number of calculated MI whose abscissas are equal to the abscissas MI detected in the measured ACF.

Решаемая техническая проблема - повышение эксплуатационных характеристик шумопеленгаторной станции.The technical problem to be solved is an increase in the operational characteristics of the noise-finding station.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, - повышение точности определения координат морской шумящей цели.The technical result provided by the invention is to improve the accuracy of determining the coordinates of the sea noisy target.

Указанный технический результат достигается путем применения следующего технического решения.This technical result is achieved by applying the following technical solution.

Как было отмечено выше, точность определения координат рассматриваемым способом тем выше, чем большее количество ИМ обнаружено в измеренной АКФ. Однако, на практике в каждой отдельной измеренной АКФ, как правило, обнаруживается малое число ИМ и их набор на последовательных интервалах измерения АКФ, как правило, не повторяется, что приводит к снижению точности оценки координат на каждом отдельном измерении. Для повышения точности определения координат предлагается увеличить количество измеренных ИМ, путем объединения в единый массив всех ИМ, обнаруженных не в каждой измеренной АКФ в отдельности, а в совокупности АКФ, измеренных на временном интервале (далее - интервале анализа), длительность которого выбирается равной интервалу времени, на котором координаты цели можно считать постоянными (единицы минут), и далее - искать соответствие расчетных ИМ со всем массивом ИМ, обнаруженных в АКФ, измеренных на интервале анализа. На фиг. 3 приведена блок - схема обработки сигналов в соответствии с предлагаемым способом. Согласно фиг. 3, обработка ведется на первоначальном этапе двумя параллельными ветвями.As noted above, the accuracy of determining the coordinates in this way is the higher, the greater the number of IMs detected in the measured ACF. However, in practice, in each individual measured ACF, as a rule, a small number of MIs is detected, and their set on consecutive ACF measurement intervals, as a rule, is not repeated, which leads to a decrease in the accuracy of estimating the coordinates on each individual measurement. To improve the accuracy of determining the coordinates, it is proposed to increase the number of measured MIs by combining into a single array of all MIs found not in each measured ACF separately, but in the aggregate ACFs measured in the time interval (hereinafter the analysis interval), the duration of which is chosen equal to the time interval where the coordinates of the target can be considered constant (units of minutes), and then look for the correspondence of the calculated MI with the entire MI array detected in the ACF, measured on the analysis interval. FIG. 3 shows a block diagram of signal processing in accordance with the proposed method. According to FIG. 3, the processing is carried out at the initial stage by two parallel branches.

Первая ветвь включает в себя последовательно выполняемые операции обнаружения широкополосного сигнала цели на выходе приемного тракта ШПС (блок 1.1); измерения набора автокорреляционных функций (АКФ) обнаруженного широкополосного сигнала цели на интервалах времени, составляющих интервал анализа (блок 1.2); обнаружения в каждой измеренной АКФ из набора узкополосных интерференционных максимумов (ИМ) и измерения их абсцисс (блок 1.3); объединения абсцисс ИМ, обнаруженных во всех измеренных АКФ интервала анализа, в единый массив (блок 1.4). Выполнение перечисленных операций обеспечивает формирование массива всех ИМ, измеренных на интервале анализа и готовых к сопоставлению с расчетными данными, формируемыми блоками второй ветви.The first branch includes sequentially performed detection operations of the broadband target signal at the output of the PSS receiving path (block 1.1); measurements of the set of autocorrelation functions (ACF) of the detected broadband target signal at time intervals that make up the analysis interval (block 1.2); detecting in each measured ACF from the set of narrow-band interference maxima (MI) and measuring their abscissas (block 1.3); combining abscissas IM, found in all measured ACF analysis interval, into a single array (block 1.4). Performing these operations ensures the formation of an array of all IM, measured on the analysis interval and ready for comparison with the calculated data generated by the blocks of the second branch.

Вторая ветвь включает в себя операции определения области возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина» (блок 2.1); вычисления для каждой точки этой области с учетом текущих гидроакустических условий лучевой структуры сигнала на входе антенны ШПС, (блок 2.2); вычисления для каждой точки этой области и для каждой пары лучей вычисленной лучевой структуры значений абсциссы и ОСП ИМ, порождаемых этой парой лучей (расчетных ИМ) (блок 2.3) и операцию формирования для каждой точки области массива расчетных ИМ, для которых вычисленные ОСП превышают заданное пороговое значение для их обнаружения в АКФ (блок 2.4). Операции второй ветви могут быть выполнены однократно для текущего состояния гидрологических условий, определяющего лучевую структуру сигналов. Выполнение операций второй ветви обеспечивает формирование массива расчетных данных, готовых к сопоставлению с результатами измерений, сформированными первой ветвью.The second branch includes the operations of determining the area of the possible location of the target in the distance-depth space (block 2.1); calculations for each point of this area taking into account the current hydroacoustic conditions of the radial structure of the signal at the input of the PSS antenna (block 2.2); computations for each point of this region and for each pair of rays of the computed ray structure of the abscissa and the NEF of the MI generated by this pair of rays (the calculated MI) (block 2.3) and the formation operation for each point of the region of the array of the calculated MI for which the calculated NOR exceeds the specified threshold value for their detection in the ACF (block 2.4). The operations of the second branch can be performed once for the current state of the hydrological conditions that determine the radial structure of the signals. Performing operations of the second branch ensures the formation of an array of calculated data, ready for comparison with the measurement results generated by the first branch.

Сопоставление выполняется последовательно расположенными блоками 3 и 4, выполняющими операции определения в массивах расчетных ИМ, сформированных для каждой точки пространства, количества ИМ, абсциссы которых с учетом точности их измерения равны абсциссам ИМ в объединенном массиве ИМ, обнаруженных во всем наборе АКФ, измеренных на интервале анализа (блок 3) и, наконец, операцию определения координат цели путем выбора координат той точки возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», которой соответствует наибольшее количество расчетных ИМ, абсциссы которых равны абсциссам ИМ в объединенном массиве ИМ, обнаруженных во всем наборе измеренных КФ (блок 4).Comparison is performed by successively located blocks 3 and 4, performing determination operations in arrays of calculated MI, formed for each point of space, the number of MI, whose abscissas, taking into account the accuracy of their measurement, are equal to the abscissas of MI in the combined array of MI, detected in the entire set of ACFs measured in the interval analysis (block 3) and, finally, the operation of determining the coordinates of the target by choosing the coordinates of the point of possible location of the target in the distance-depth space, which corresponds to the greatest amount calculated MI abscissa abscissae are equal to the combined MI MI array detected in the entire set of measured CF (block 4).

Эффективность данного технического решения подтверждена экспериментально. В качестве примера в табл. 1 приведены значения абсцисс ИМ, обнаруженных в АКФ, последовательно измеренных на интервале в 1 минуту в условиях зональной структуры гидроакустического поля (фиг. 4). Источник широкополосного шума находился в первой дальней зоне акустической освещенности на дистанции от приемной антенны ШПС 52 км на глубине 198 м. Приемная плоская квадратная антенна 3×3 м располагалась на глубине 48 м. Прием осуществлялся в полосе частот 1-3 кГц. ОСП на выходе сформированного пространственного канала превышало 20 дБ. АКФ шума источника (цели) измерялась на интервале в 1 сек с периодичностью 10 сек. Поиск координат цели осуществлялся: по глубине - в диапазоне 5-300 м; по дистанции - в интервале ±30% от истинной дистанцииThe effectiveness of this technical solution was confirmed experimentally. As an example, in the table. 1 shows the abscissa values of IM, found in the ACF, consistently measured over an interval of 1 minute under the conditions of the zonal structure of the hydroacoustic field (Fig. 4). The broadband noise source was located in the first far-field acoustic illumination at a distance of 52 km at the depth of the MPS antenna at a depth of 198 m. The 3 × 3 m flat panel receiving antenna was located at a depth of 48 m. The reception was carried out in the 1-3 kHz frequency band. The OSB at the output of the formed spatial channel exceeded 20 dB. The ACF of the source (target) noise was measured at an interval of 1 sec with a periodicity of 10 sec. The search for target coordinates was carried out: in depth - in the range of 5-300 m; by distance - in the range of ± 30% of the true distance

Из рассмотрения табл. 1 следует, что наборы ИМ в АКФ, измеренных на последовательных интервалах времени, различаются. В последней строке табл. 1 приведены ИМ, обнаруженные хотя бы в одной из АКФ. Поскольку точность измерения абсциссы ИМ составляет 1/3 кГц = 0,33 мс, то из всех ИМ, абсциссы которых отличались менее, чем на 0,33 мс, выбирался только один ИМ.From consideration of tab. 1 it follows that the sets of MI in the ACF, measured at successive time intervals, are different. The last line of table. 1 shows IM, found in at least one of the ACF. Since the measurement accuracy of the abscissa of IM is 1/3 kHz = 0.33 ms, from all the IMs whose abscissas differed by less than 0.33 ms, only one of them was chosen.

В табл. 2 приведены результаты определения координат цели способом-прототипом с использованием ИМ каждой отдельной АКФ и с использованием предусмотренных заявляемым способом объединенных ИМ всех шести АКФ.In tab. 2 shows the results of determining the coordinates of the target by the method of the prototype using the MI of each individual ACF and using the combined MI of all six ACFs provided for by the claimed method.

Следует заметить, что результат определения координат цели с использованием ИМ одной отдельно взятой АКФ во всех шести случаях был многозначным. В случае же использования всей совокупности ИМ, обнаруженных во всех шести АКФ, результат оказался однозначным, что определило высокую точность определения координат цели.It should be noted that the result of determining the coordinates of the target using the MI of one single ACF in all six cases was multivalued. In the case of the use of the entire set of IM, found in all six ACFs, the result turned out to be unambiguous, which determined the high accuracy of determining the coordinates of the target.

Результаты, приведенные в табл. 2, подтверждают тот факт, что с увеличением количества ИМ, обнаруженных в измеренной АКФ, точность определения координат цели повышается.The results are shown in Table. 2, confirm the fact that with an increase in the number of MI detected in the measured ACF, the accuracy of determining the coordinates of the target increases.

Аналогичные по сущности результаты получены и для других условий, в которых проводились эксперименты.Similar results were obtained for other conditions in which the experiments were conducted.

Таким образом, заявленный технический результат - повышение точности определения координат шумящей цели на основе информации, содержащейся в АКФ ее сигнала, - можно считать достигнутым.Thus, the claimed technical result - improving the accuracy of determining the coordinates of a noisy target based on the information contained in the ACF of its signal - can be considered achieved.

Источники информации:Information sources:

1. Машошин А.И. Синтез оптимального алгоритма пассивного определения дистанции до цели. - Морская радиоэлектроника, 2012, №2 (40), с. 30-34.1. Mashoshin A.I. Synthesis of the optimal algorithm for passive determination of the distance to the target. - Marine electronics, 2012, №2 (40), p. 30-34.

2. Hassab I. С.Contact Localization and Motion Analysis in the Ocean Environment: a Perspective. - IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1983, vol. OE-8, №3, pp. 136-147.2. Hassab I.C.Contact Localization and Motion Analysis in the Ocean Environment: a Perspective. - IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1983, vol. OE-8, No. 3, pp. 136-147.

3. Quazi A.H., Lerro D.T. Passive localization using time-delay estimates with sensor positional errors. - JASA, 1985, vol. 78, №5. pp.1664-1670.3. Quazi A.H., Lerro D.T. Passive localization using time-delay estimates with positional errors. - JASA, 1985, vol. 78, No. 5. pp.1664-1670.

4. Worthmann B.M., Song H.C., Dowling D.R. High frequency source localization in a shallow ocean sound channel using frequency difference matched field processing. -Journal Acoust. Soc. Am., 2015, vol. 138, p. 3549.4. Worthmann B.M., Song H.C., Dowling D.R. Sound channel using frequency difference channel matched field processing. -Journal Acoust. Soc. Am., 2015, vol. 138, p. 3549.

5. Орлов Е.Ф., Фокин B.H., Шаронов Г.А. Исследование параметров интерференционной модуляции широкополосного звука в глубоком океане. - Акустический журнал, 1988, том 34, вып. 5, с. 902-907.5. Orlov EF, Fokin B.H., Sharonov G.A. Investigation of the parameters of the interference modulation of wideband sound in the deep ocean. - Acoustic Journal, 1988, vol. 34, no. 5, s. 902-907.

6. Лазарев В.А., Орлов Е.Ф., Фокин В.Н., Шаронов Г.А. Частотная зависимость параметров интерференционной модуляции широкополосного звука в мелком море. - Акустический журнал, 1989, том 35, вып. 4, с. 685-688.6. Lazarev V.A., Orlov E.F., Fokin V.N., Sharonov G.A. Frequency dependence of the parameters of the interference modulation of wideband sound in a shallow sea. - Acoustic Journal, 1989, vol. 35, no. 4, s. 685-688.

7. Машошин А.И. Помехоустойчивость выделения максимумов в корреляционной функции широкополосного шумового сигнала морского объекта, обусловленных многолучевым распространением сигнала в водной среде. - Акустический журнал, 2001, том 47, №6, с. 823-829.7. Mashoshin A.I. Noise immunity of maximization in the correlation function of a wideband noise signal of a marine object, caused by multipath propagation of the signal in the aquatic environment. - Acoustic Journal, 2001, Vol. 47, No. 6, p. 823-829.

8. Машошин А.И. Исследование условий применимости корреляционной функции широкополосного многолучевого сигнала для оценки координат источника. -Акустический журнал, 2017, том 63, №3, с. 307-313.8. Mashoshin A.I. Investigation of the conditions of applicability of the correlation function of a wideband multipath signal to estimate the coordinates of the source. -Acoustic journal, 2017, volume 63, No. 3, p. 307-313.

9. Хилько А.И., Смирнов И.П., Машошин А.И., Шафранюк А.В. Исследование когерентности акустических полей высокочастотных шумовых источников в случайно неоднородной среде. - Акустический журнал, 2018, том 64, №2, с. 217-227.9. Khilko A.I., Smirnov I.P., Mashoshin A.I., Shafranyuk A.V. Investigation of the coherence of acoustic fields of high-frequency noise sources in a randomly inhomogeneous medium. - Acoustic Journal, 2018, Vol. 64, No. 2, p. 217-227.

10. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. - М.: Сов. радио, 1974.10. Kuzmin S.Z. Digital processing of radar information. - M .: Owls. radio, 1974.

11. Кендал М., Стьюарт А. Статистические выводы и связи. - М.: Наука, 1973.11. Kendal M., Stuart A. Statistical findings and communication. - M .: Science, 1973.

12. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1988.12. Wentzel, E.S., Ovcharov, L.A. Probability theory and its engineering applications. M .: Science, 1988.

Claims (1)

Способ определения координат морской шумящей цели, включающий обнаружение на выходе шумопеленгатора широкополосного сигнала цели, измерение его автокорреляционной функции (АКФ), обнаружение в ней узкополосных интерференционных максимумов (ИМ), измерение их абсцисс, перебор точек возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», вычисление для каждой точки с учетом текущих гидроакустических условий лучевой структуры сигнала на входе гидроакустической антенны шумопеленгатора, вычисление для каждой возможной пары лучей вычисленной лучевой структуры абсциссы и отношения сигнал/помеха ИМ (далее - расчетный ИМ), который должен быть порожден в АКФ этой парой лучей, формирование для всех пар лучей массива расчетных ИМ, вычисленные отношения сигнал/помеха которых превышают заданное пороговое значение для их обнаружения в АКФ, определение в сформированном массиве количества ИМ, абсциссы которых с учетом точности их измерения равны абсциссам ИМ, обнаруженных в измеренной АКФ, принятие в качестве координат цели координаты той точки в пространстве «дистанция - глубина» возможного местоположения цели, которой соответствует наибольшее количество ИМ, абсциссы которых равны абсциссам ИМ, обнаруженных в измеренной АКФ сигнала на выходе антенны, отличающийся тем, что измерение АКФ обнаруженного шумового сигнала и обнаружение в ней ИМ осуществляют на каждом из ряда последовательных интервалов времени, затем все ИМ, обнаруженные в АКФ на ряде последовательных интервалов времени, объединяют в единый массив и принимают в качестве координат цели координаты той точки возможного местоположения цели в пространстве «дистанция - глубина», которой соответствует наибольшее количество расчетных ИМ, абсциссы которых с учетом точности их измерения равны абсциссам ИМ в объединенном массиве ИМ, обнаруженных во всем наборе измеренных КФ.The method for determining the coordinates of a noisy sea target, including detection of a broadband target signal at the output of the noise finder, measurement of its autocorrelation function (ACF), detection of narrow-band interference maxima (MI) in it, measurement of their abscissas, enumeration of possible target locations in the distance-depth space , the calculation for each point taking into account the current hydroacoustic conditions of the radial structure of the signal at the input of the sonar antenna of the noise-finder, the calculation for each possible pair of l whose calculated abscissa ray structure and signal / interference ratio MI (hereinafter referred to as calculated MI), which is to be generated in the ACF by this pair of rays, the formation for all pairs of rays of the array of calculated MI, the calculated signal / interference ratio of which exceeds a predetermined threshold value for their detection in the ACF, the definition in the formed array of the number of infarctions whose abscissas, taking into account the accuracy of their measurement, are equal to the abscissas of the infarction detected in the measured acf, taking as coordinates of the target the coordinates of that point in space I is the depth "of the possible location of the target, which corresponds to the greatest number of MIs, the abscissas of which are equal to the abscissas of MI detected in the measured ACF signal at the antenna output, characterized in that the measurement of the ACF of the detected noise signal and the detection in it of MI is performed at each of a series of consecutive intervals time, then all the IMs detected in the ACF at a series of consecutive time intervals are combined into a single array and take as the coordinates of the target the coordinates of that point of the possible location of the target space "distance - depth", which corresponds to the greatest number of calculated MI abscissa which considering the accuracy of their measurement are combined in abscissae MI MI array detected in the entire set of measured KF.

Images