RU2787951C1 - Method for detecting an underwater broadband noise source - Google Patents
Method for detecting an underwater broadband noise source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787951C1 RU2787951C1 RU2022102801A RU2022102801A RU2787951C1 RU 2787951 C1 RU2787951 C1 RU 2787951C1 RU 2022102801 A RU2022102801 A RU 2022102801A RU 2022102801 A RU2022102801 A RU 2022102801A RU 2787951 C1 RU2787951 C1 RU 2787951C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- noise
- source
- frequency
- time
- interference
- Prior art date
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 44
- 230000003595 spectral Effects 0.000 claims abstract description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 230000036039 immunity Effects 0.000 abstract description 6
- 230000004807 localization Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005326 angular distribution function Methods 0.000 abstract description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract description 2
- 230000003534 oscillatory Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001131 transforming Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 238000007476 Maximum Likelihood Methods 0.000 description 1
- 230000000739 chaotic Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 101700045377 mvp1 Proteins 0.000 description 1
- 238000004805 robotic Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидроакустики и может использоваться в системах шумопеленгования и контроля подводной обстановки.The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used in systems for noise direction finding and control of the underwater situation.
Известен способ обнаружения шумящих объектов в мелком и глубоком море (патент РФ №2653189, МПК G01S 3/80, G01S 15/04, опубликован 07.05.2018), включающий прием шумового сигнала векторно-скалярным приемником (ВСП), содержащим приемник звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости, частотно-временную обработку в заданном фиксированном частотном диапазоне 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, трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности и трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности в локальной системе координат, связанной с комбинированным приемником, для суммарного процесса сигнал плюс помеха и для помехи отдельно, формирование в каждом частотном канале усредненных за время T1 значений трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, формирование в каждом частотном канале усредненных за время Т2=10 T1 комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления, нормирование всех 21 информативных параметров, вычисленных для суммарного процесса сигнал плюс помеха, на соответствующие значения информативных параметров, вычисленные для помехи, вычисление максимального отношения сигнал/помеха (с/и) для одного из 21 информативных параметров и принятие решения об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения сигнал/помеха максимального отношения сигнал/помеха, вычисленного в одном из 21 информативных параметров.A known method for detecting noisy objects in shallow and deep seas (RF patent No. 2653189, IPC G01S 3/80, G01S 15/04, published on 05/07/2018), including the reception of a noise signal by a vector scalar receiver (VSP) containing a sound pressure receiver and three-component receiver of the vibrational velocity vector, frequency-time processing in a given fixed frequency range of the received signal, calculation in each frequency channel formed as a result of frequency-time processing of the received noise signals, complex sound pressure amplitudes, three components of the vibrational velocity vector, three components of the real component intensity vector and three components of the imaginary component of the intensity vector in the local coordinate system associated with the combined receiver, for the total process signal plus interference and for interference separately, the formation in each frequency channel averaged over time T 1 values of the three components of the real component of the vector int intensity, three components of the imaginary component of the intensity vector and the square of sound pressure, the formation in each frequency channel averaged over time T 2 =10 T 1 complex amplitudes of the zero and first harmonics of the secondary spectrum for three components of the real component of the intensity vector, three components of the imaginary component of the intensity vector and squared sound pressure, normalizing all 21 informative parameters calculated for the total signal plus noise process to the corresponding values of informative parameters calculated for the noise, calculating the maximum signal-to-noise ratio (s/n) for one of the 21 informative parameters, and making a decision on detection by comparing with the threshold value of the signal-to-noise ratio of the maximum signal-to-noise ratio calculated in one of the 21 informative parameters.
Отличительными существенными признаками этого способа являются следующие операции:The distinguishing essential features of this method are the following operations:
- использование в качестве приемной системы комбинированный приемник, содержащий, кроме приемника звукового давления, трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости;- the use of a combined receiver as a receiving system, containing, in addition to the sound pressure receiver, a three-component receiver of the vibrational velocity vector;
- формирование методами частотно-временной обработки сигналов набора частотных каналов в заданном фиксированном частотном диапазоне в векторных каналах комбинированного приемника;- formation by methods of time-frequency signal processing of a set of frequency channels in a given fixed frequency range in the vector channels of the combined receiver;
- вычисление в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятых шумовых сигналов, текущих значений комплексных амплитуд трех компонент вектора колебательной скорости, текущих значений амплитуд трех компонент вещественной составляющих вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности для суммарного процесса сигнал плюс помеха;- calculation in each frequency channel formed as a result of time-frequency processing of the received noise signals, the current values of the complex amplitudes of the three components of the vibrational velocity vector, the current values of the amplitudes of the three components of the real components of the intensity vector, the three components of the imaginary component of the intensity vector for the total signal plus noise process ;
- усреднение за заранее определенный временной интервал T1 значений трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха;- averaging over a predetermined time interval T 1 the values of the three components of the real component of the intensity vector, the three components of the imaginary component of the intensity vector and the square of the sound pressure for the total process signal plus noise;
- выделение из текущих значений суммарного случайного процесса сигнал плюс помеха текущих значений помехи;- selection of the current values of the noise from the current values of the total random process signal plus noise;
- вычисление в каждом частотном канале текущих значений комплексных амплитуд трех компонент вектора колебательной скорости, текущих значения амплитуд трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности для помехи;- calculation in each frequency channel of the current values of the complex amplitudes of the three components of the oscillatory velocity vector, the current values of the amplitudes of the three components of the real component of the intensity vector, the three components of the imaginary component of the intensity vector for noise;
- усреднение за заранее определенный временной интервал T1 значений трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи;- averaging over a predetermined time interval T 1 the values of the three components of the real component of the intensity vector, the three components of the imaginary component of the intensity vector and the square of the sound pressure for interference;
- вычисление в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал Т2=10T1 текущих значений комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха;- calculation in each frequency channel for a predetermined time interval T 2 =10T 1 of the current values of the complex amplitudes of the zero and first harmonics of the secondary spectrum for three components of the real component of the intensity vector, three components of the imaginary component of the intensity vector and the square of the sound pressure for the total process signal plus noise ;
- вычисление в каждом частотном канале за заранее определенный временной интервал Т2=10T1 текущих значений комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи;- calculation in each frequency channel for a predetermined time interval T 2 =10T 1 current values of the complex amplitudes of the zero and first harmonics of the secondary spectrum for three components of the real component of the intensity vector, three components of the imaginary component of the intensity vector and the squared sound pressure for noise;
- нормирование квадрата звукового давления и компоненты комплексного вектора интенсивности, усредненные за время T1, вычисленные для суммарного процесса сигнал плюс помеха, на соответствующие значения квадрата звукового давления и компоненты комплексного вектора интенсивности, усредненные за время T1, вычисленные для помехи;- normalization of the squared sound pressure and the components of the complex intensity vector, averaged over the time T 1 , calculated for the total signal plus noise process, to the corresponding values of the squared sound pressure and the components of the complex intensity vector, averaged over the time T 1 , calculated for the noise;
- нормирование вычисленных за время Т2=10Т1 текущих значений комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для суммарного процесса сигнал плюс помеха на соответствующие текущие значения комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для трех компонент вещественной составляющей вектора интенсивности, трех компонент мнимой составляющей вектора интенсивности и квадрата звукового давления для помехи;- normalization of the calculated current values of the complex amplitudes of the zero and first harmonics of the secondary spectrum for three components of the real component of the intensity vector, three components of the imaginary component of the intensity vector and the square of the sound pressure for the total process signal plus noise for the corresponding current values of the complex amplitudes zero and first harmonics of the secondary spectrum for three components of the real component of the intensity vector, three components of the imaginary component of the intensity vector and the square of the sound pressure for noise;
- вычисление максимального отношения с/п из набора 21 информативных параметров, 7 информативных параметров для усредненных за время T1 нормированных на помеху значений комплексного вектора интенсивности и квадрата звукового давления, и 14 информативных параметров для усредненных за время Т2=10T1, нормированных на помеху значений комплексных амплитуд нулевой и первой гармоник вторичного спектра для комплексного вектора интенсивности и квадрата звукового давления;- calculation of the maximum s/n ratio from a set of 21 informative parameters, 7 informative parameters for averaged over time T 1 normalized to noise values of the complex intensity vector and squared sound pressure, and 14 informative parameters for averaged over time T 2 =10T 1 normalized to interference values of the complex amplitudes of the zero and first harmonics of the secondary spectrum for the complex intensity vector and the square of the sound pressure;
- в качестве модельной статистики поля помехи в скалярном канале и в каналах вектора колебательной скорости принимается гауссова статистика;- Gaussian statistics is taken as the model statistics of the interference field in the scalar channel and in the channels of the vibrational velocity vector;
- в качестве модельной статистики поля помехи в каналах вектора интенсивности принимается статистика Лапласа;- as the model statistics of the interference field in the channels of the intensity vector, the Laplace statistics is taken;
- вычисление на основе принятых статистик аналитической зависимости вероятности правильного обнаружения от порогового отношения с/п по методу максимального правдоподобия при заданной вероятности ложной тревоги;- calculation on the basis of the accepted statistics of the analytical dependence of the probability of correct detection on the threshold ratio of s/n according to the maximum likelihood method for a given false alarm probability;
- принятие решение об обнаружении путем сравнения с пороговым значением отношения с/п максимального отношения с/п, вычисленного из набора 21 информативных параметров.- making a decision about the detection by comparing with the threshold value of the ratio of s/n of the maximum ratio of s/n, calculated from a set of 21 informative parameters.
Для этого способа обнаружения источника шумового сигнала характерна низкая помехоустойчивость и высокая чувствительность к ложным срабатываниям из-за отсутствия достоверных данных о характеристиках помехи, на основе которых формируются пороговые уровни в устройстве обнаружения. Недостатком также является применение пороговых энергетических механизмов обнаружения, основанных на вычислении величины не всей энергии сигнала, принимаемого от источника, а лишь отдельных наиболее сильных ее спектральных составляющих.This method of detecting a noise signal source is characterized by low noise immunity and high sensitivity to false alarms due to the lack of reliable data on the characteristics of the noise, on the basis of which threshold levels are formed in the detection device. The disadvantage is also the use of threshold energy detection mechanisms based on the calculation of the magnitude of not the entire energy of the signal received from the source, but only some of its strongest spectral components.
Известен также способ обнаружения подводного источника широкополосного шума (патент РФ №2699923, МПК G01S 3/80, опубликован 11.09.2019 г. ), включающий прием широкополосного шума источника комбинированным приемником, содержащим приемник звукового давления и трехкомпонентный приемник вектора колебательной скорости частиц среды, согласно которому выполняется частотно-временная обработка принятого сигнала в наблюдаемом диапазоне частот; вычисляются в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятого шумового сигнала, текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и компонент вектора колебательной скорости; для текущего временного фрагмента принятого сигнала заданной длительности вычисляются в каждом частотном канале средние величины компонент вектора плотности потока энергии; принимается решение об обнаружении источника широкополосного шума по уровню превышения величиной секторной интенсивности потока энергии доминирующего углового сектора пороговой величины, по временной устойчивости уровня превышения, а также соответствию временной изменчивости ориентации доминирующего углового сектора предполагаемой динамике движения источника, а по ориентации доминирующего сектора - о направлении на источник.There is also a method for detecting an underwater source of broadband noise (RF patent No. 2699923, IPC G01S 3/80, published on September 11, 2019), including the reception of broadband source noise by a combined receiver containing a sound pressure receiver and a three-component receiver of the vibrational velocity vector of particles of the medium, according to which performs time-frequency processing of the received signal in the observed frequency range; calculated in each frequency channel, formed as a result of the frequency-time processing of the received noise signal, the current values of the complex amplitudes of the sound pressure and the components of the vibrational velocity vector; for the current time fragment of the received signal of a given duration, the average values of the components of the energy flux density vector are calculated in each frequency channel; a decision is made to detect a source of broadband noise according to the level of excess of the sectoral intensity of the energy flux of the dominant angular sector of the threshold value, according to the temporal stability of the excess level, as well as the correspondence of the temporal variability of the orientation of the dominant angular sector to the expected dynamics of the source movement, and according to the orientation of the dominant sector - about the direction to a source.
При этом отличительными существенными признаками данного способа являются следующие операции: для принятого сигнала методами частотно-временной обработки формируется набор частотных каналов, охватывающий весь наблюдаемый частотный диапазон; для текущего временного фрагмента принятого сигнала заданной длительности:At the same time, the distinctive essential features of this method are the following operations: for the received signal, a set of frequency channels is formed by the methods of time-frequency processing, covering the entire observed frequency range; for the current time fragment of the received signal of a given duration:
- вычисляется в каждом частотном канале средние величины трех компонент вектора плотности потока энергии;- the average values of the three components of the energy flux density vector are calculated in each frequency channel;
- вычисляются в каждом частотном канале горизонтальный угол прихода потока энергии;- the horizontal angle of arrival of the energy flow is calculated in each frequency channel;
- вычисляется в каждом частотном канале энергетическая характеристика среднего потока акустической энергии (величина интенсивности потока);- the energy characteristic of the average flow of acoustic energy is calculated in each frequency channel (the magnitude of the flow intensity);
- устанавливают равные горизонтальные угловые сектора, охватывающие весь горизонт наблюдения 0-360 град;- set equal horizontal angular sectors covering the entire observation horizon 0-360 degrees;
- вычисляется для каждого выделенного углового сектора величина секторной интенсивности потока энергии;- the value of the sector intensity of the energy flow is calculated for each selected angular sector;
- вычисляется величина средней секторной интенсивности потока энергии и определяют ее пороговой величиной для секторов;- the value of the average sector intensity of the energy flow is calculated and its threshold value for the sectors is determined;
- выделяется из установленных угловых секторов секторы, в которых величина секторной интенсивности потока энергии превышает пороговую энергию;- sectors are allocated from the established angular sectors in which the value of the sector intensity of the energy flow exceeds the threshold energy;
- формируется «мгновенное» угловое распределение величины секторной интенсивности потока энергии выделенных угловых секторов;- an "instantaneous" angular distribution of the magnitude of the sectoral intensity of the energy flow of the selected angular sectors is formed;
- выполняется описанный выше цикл обработки текущего временного фрагмента принятого сигнала и для последующих временных фрагментов той же длительности, но сдвинутых относительно предыдущего на фиксированный интервал времени;- the above-described processing cycle of the current time fragment of the received signal is performed for subsequent time fragments of the same duration, but shifted relative to the previous one by a fixed time interval;
- формируется из параметров «мгновенных» угловых распределений величины секторной интенсивности потока энергии выделенных угловых секторов, вычисленных в циклах обработки временных фрагментов принятого сигнала, сонограмма время-угол прихода потока энергии шумового сигнала в горизонтальной плоскости;- is formed from the parameters of the "instantaneous" angular distributions of the magnitude of the sectoral intensity of the energy flow of the selected angular sectors, calculated in the processing cycles of time fragments of the received signal, sonogram time-angle of arrival of the energy flow of the noise signal in the horizontal plane;
- определяется из сонограммы время-угол прихода потока энергии доминирующий угловой сектор с максимальной величиной секторной интенсивности потока энергии и проводится оценка временной устойчивости величины последней;- the dominant angular sector with the maximum value of the sectoral intensity of the energy flow is determined from the sonogram, the time-angle of arrival of the energy flow, and an assessment of the temporal stability of the value of the latter is carried out;
- анализируются данные текущей сонограммы время-угол прихода потока энергии, и принимается решение об обнаружении источника широкополосного шума.- the data of the current sonogram time-angle of arrival of the energy flow are analyzed, and a decision is made to detect the source of broadband noise.
Для данного способа характерна малая помехоустойчивость и небольшая дальность обнаружения подводного источника широкополосного шума вследствие энергетического сложения интенсивности потока энергии, а также невозможность реализации способа, когда сонограмма время-угол прихода потока энергии зашумлена. Данный способ является наиболее близким к заявленному изобретению и принят за прототип.This method is characterized by low noise immunity and a short detection range of an underwater source of broadband noise due to the energy summation of the intensity of the energy flow, as well as the impossibility of implementing the method when the sonogram time-angle of arrival of the energy flow is noisy. This method is closest to the claimed invention and is taken as a prototype.
Задачей заявленного способа является повышение помехоустойчивости приемной системы и дальности обнаружения подводного малошумного источника звука на основе голографической обработки шумоизлучения источника.The objective of the claimed method is to increase the noise immunity of the receiving system and the detection range of an underwater low-noise sound source based on holographic processing of the noise source.
Технический результат заключается в повышение помехоустойчивости приемной системы и увеличении дальности обнаружения подводного малошумного источника звука.The technical result consists in increasing the noise immunity of the receiving system and increasing the detection range of an underwater low-noise sound source.
Для решения поставленной задачи в заявленный способ обнаружения подводного малошумного источника звука, включающий прием шумового сигнала ВСП, введены операции для голографической обработки принятого шумового сигнала в наблюдаемом диапазоне частот для заданного временного интервала и по всем каналам ВСП, на основе которой принимается решение об обнаружении источника. Возможность применения голографической обработки основана на том, что в океанической среде волноводная дисперсия и многомодовое распространение звука приводят к формированию устойчивой интерференционной картины (интерферограммы) шумового поля источника. Под интерферограммой понимается спектральная плотность энергетического параметра звукового поля, например, квадрата давления или компонент вектора интенсивности, в переменных частота-время. Конфигурация локализованных полос интерферограммы определяется параметрами волновода, скоростью и траекторией шумового источника. Голографическая обработка шумового поля источника реализует квазикогерентное накопление спектральной интенсивности вдоль локализованных полос, к которой далее применяется двумерное преобразование Фурье. На выходе интегрального преобразования (голограммы) спектральная плотность звукового поля концентрируется в малой области в форме фокальных пятен, обусловленных интерференцией мод различных номеров. На голограмме записывается амплитудно-фазовое распределение интерферограммы за время наблюдения в рассматриваемом диапазоне частот и содержится информация об удаленности и радиальной скорости (проекции скорости по направлению к приемной системе) источника. Накопление помехи вдоль полос интерферограммы некогерентно и помеха распределена по всей области голограммы. В качестве способа обнаружения шумового источника принимается условие, при котором максимум функции углового распределения спектральной плотности голограммы (функции обнаружения) в два раза и более превышает помеховые пики. Угловое распределение спектральной плотности определяется как сумма спектральных плотностей вдоль прямых, проходящих через начало координат в первом и четвертом квадрантах голограммы. Физические принципы заявленного способа обнаружения подводного малошумного источника звука изложены, например, в работах: Кузнецов Г.Н., Кузькин В.М., Пересёлков С.А. Спектрограмма и локализация источника звука в мелком море // Акуст. журн. 2017. Т. 63. №4. С. 406-418; Казначеев И.В., Кузнецов Г.Н., Кузькин В.М., Пересёлков С.А. Интерферометрический метод обнаружения движущегося источника звука векторно-скалярным приемником // Акуст. журн. 2018. Т. 64. №1. С. 33-45; Казначеева Е.С., Кузькин В.М., Матвиенко Ю.В., Пересёлков С.А., Хворостов Ю.А. Оценка дальности обнаружения малогабаритного подводного аппарата по его шумовому полю // Подводные исследования и робототехника. 2021. №4 (38). С. 88-93.To solve this problem, the claimed method for detecting an underwater low-noise sound source, including receiving an ESP noise signal, includes operations for holographic processing of the received noise signal in the observed frequency range for a given time interval and for all ESP channels, on the basis of which a decision is made to detect the source. The possibility of using holographic processing is based on the fact that in the oceanic environment, waveguide dispersion and multimode sound propagation lead to the formation of a stable interference pattern (interferogram) of the source noise field. An interferogram is understood as the spectral density of the energy parameter of the sound field, for example, the square of the pressure or the components of the intensity vector, in frequency-time variables. The configuration of localized interferogram fringes is determined by the parameters of the waveguide, the speed and trajectory of the noise source. The holographic processing of the noise field of the source implements the quasi-coherent accumulation of the spectral intensity along the localized bands, to which the two-dimensional Fourier transform is then applied. At the output of the integral transformation (hologram), the spectral density of the sound field is concentrated in a small region in the form of focal spots due to the interference of modes of different numbers. The hologram records the amplitude-phase distribution of the interferogram during the observation time in the considered frequency range and contains information about the distance and radial velocity (velocity projection towards the receiving system) of the source. The accumulation of noise along the interferogram fringes is incoherent and the noise is distributed over the entire region of the hologram. As a method for detecting a noise source, a condition is adopted under which the maximum of the angular distribution function of the spectral density of the hologram (detection function) is two times or more greater than the noise peaks. The angular distribution of the spectral density is defined as the sum of the spectral densities along the straight lines passing through the origin in the first and fourth quadrants of the hologram. The physical principles of the claimed method for detecting an underwater low-noise sound source are set forth, for example, in the works: Kuznetsov G.N., Kuzkin V.M., Pereselkov S.A. Spectrogram and localization of a sound source in a shallow sea // Akust. magazine 2017. V. 63. No. 4. pp. 406-418; Kaznacheev I.V., Kuznetsov G.N., Kuzkin V.M., Pereselkov S.A. Interferometric method for detecting a moving sound source with a vector-scalar receiver // Acoust. magazine 2018. V. 64. No. 1. pp. 33-45; Kaznacheeva E.S., Kuzkin V.M., Matvienko Yu.V., Pereselkov S.A., Khvorostov Yu.A. Estimation of the detection range of a small-sized underwater vehicle by its noise field // Underwater research and robotics. 2021. No. 4 (38). pp. 88-93.
Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения подводного источника широкополосного шума, включающем использование в качестве приемной системы ВСП, содержащего канал звукового давления и три канала вектора колебательной скорости; формирование для принятого сигнала методами частотно-временной обработки сигналов набор частотных каналов, охватывающий весь наблюдаемый частотный диапазон; вычисление в каждом частотном канале, сформированном в результате частотно-временной обработки принятых шумовых сигналов, текущих значений комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент колебательной скорости и энергетических параметров звукового поля на их основе; принятие решения об обнаружении и о направлении движения источника; согласно изобретению:The technical result is achieved by the fact that in the method for detecting an underwater source of broadband noise, including the use of a VSP as a receiving system, containing a sound pressure channel and three channels of the vibrational velocity vector; formation of a set of frequency channels for the received signal by methods of time-frequency processing of signals, covering the entire observed frequency range; calculation in each frequency channel, formed as a result of frequency-time processing of the received noise signals, the current values of the complex amplitudes of the sound pressure and the three components of the vibrational velocity and the energy parameters of the sound field based on them; making a decision on the detection and direction of the source movement; according to the invention:
- при приеме сигнала формируется буферный блок данных длительностью Δt, который составлен из J равных интервалов длительностью Δt/J,включающих интервал временного сдвига δt2;- when receiving a signal, a buffer block of data with a duration of Δt is formed, which is composed of J equal intervals with a duration of Δt/J, including a time shift interval δt 2 ;
- в каждом частотном канале шириной Δƒi для каждого временного интервала длительностью δt1=(Δt/J-δt2) выполняется частотно-временная обработка принятого шумового сигнала с шагом по частоте δƒ=1/δt1 и определяются текущие значения комплексных амплитуд звукового давления и трех компонент вектора колебательной скорости, по значениям давления и колебательной скорости частиц среды определяются энергетические параметры звукового поля;- in each frequency channel with a width of Δƒ i for each time interval with a duration of δt 1 =(Δt/J-δt 2 ) the frequency-time processing of the received noise signal is performed with a frequency step δƒ=1/δt 1 and the current values of the complex amplitudes of sound pressure are determined and three components of the vibrational velocity vector, the energy parameters of the sound field are determined from the values of pressure and vibrational velocity of the particles of the medium;
- формируется массив значений энергетических параметров в каждом частотном канале - интерферограммы;- an array of values of energy parameters is formed in each frequency channel - interferograms;
- выполняется двумерное преобразование Фурье сформированного массива интерферограмм по наблюдаемому диапазону частот и в течение времени накопления Δt по созданию голограмм шумового поля, в которых спектральная плотность энергии источника локализована в форме фокальных пятен;- a two-dimensional Fourier transform of the generated array of interferograms is performed over the observed frequency range and during the accumulation time Δt to create noise field holograms, in which the spectral energy density of the source is localized in the form of focal spots;
- в полученных голограммах с равномерным шагом вычисляются угловые распределения спектральной плотности голограмм - функций обнаружения;- in the obtained holograms with a uniform step, the angular distributions of the spectral density of the holograms - detection functions are calculated;
- выполняется нормировка функций обнаружения на максимальное значение пика и выделяются нормированные функции обнаружения, в которых помеховые пики не превышают назначенный порог (уровень порога выбирается в диапазоне 0.4-0.7);- the detection functions are normalized to the maximum peak value and the normalized detection functions are selected, in which the interference peaks do not exceed the assigned threshold (the threshold level is selected in the range 0.4-0.7);
- выполняется описанный выше цикл обработки текущего временного интервала наблюдения принятого сигнала и для последующих временных интервалов той же длительности, но сдвинутых относительно предыдущего на фиксированный интервал времени;- the above-described cycle of processing the current time interval of observation of the received signal is performed and for subsequent time intervals of the same duration, but shifted relative to the previous one by a fixed time interval;
- формируются из текущих нормированных функций обнаружения, вычисленных в циклах обработки временных интервалов наблюдения принятого сигнала, временные зависимости угловых координат пиков нормированных функций обнаружения и на основании устойчивости динамики их изменения во времени принимается решение об обнаружении источника, а по угловому положению определяется направление движения (приближение или удаление от приемной системы).- are formed from the current normalized detection functions calculated in the cycles of processing the time intervals of observation of the received signal, the time dependences of the angular coordinates of the peaks of the normalized detection functions, and based on the stability of the dynamics of their change in time, a decision is made to detect the source, and the direction of movement is determined by the angular position (approximation or away from the receiving system).
Именно такая совокупность существенных признаков заявленного способа позволяет с помощью ВСП осуществлять частотно-временную фильтрацию шумоизлучения источника, квазикогерентно накапливать спектральную плотность интерферограмм и концентрировать ее на голограмме во всем наблюдаемом частотном диапазоне. Фактически предложенная обработка обеспечивает приятие решения об обнаружении фокусировкой энергии источника, накопленной за определенное время по всей наблюдаемой полосе шумоизлучения, что повышает помехоустойчивость, дальность и эффективность работы приемной системы.It is this set of essential features of the claimed method that allows using VSP to carry out time-frequency filtering of the noise emission of the source, quasi-coherently accumulate the spectral density of interferograms and concentrate it on the hologram in the entire observed frequency range. In fact, the proposed processing provides a decision on the detection by focusing of the source energy accumulated over a certain time over the entire observed noise emission band, which increases the noise immunity, range and efficiency of the receiving system.
Новизна заявленного способа обнаружения подводного малошумного источника звука заключается в использовании методов голографической обработки, обеспечивающих принятие решения об обнаружении по пиковому значению энергии сигнала во всем наблюдаемом частотном диапазоне за определенное время наблюдения.The novelty of the claimed method for detecting an underwater low-noise sound source lies in the use of holographic processing methods that provide a decision on detection based on the peak value of the signal energy in the entire observed frequency range for a certain observation time.
Основное преимущество предлагаемого способа перед способом-прототипом состоит в том, что обнаружение подводного малошумного источника звука становится возможным при зашумленной (не наблюдаемой) интерферограмме. Кроме того, способ обнаружения источника не требует знания о характере сигнала, помехи и передаточной функции.The main advantage of the proposed method over the prototype method is that the detection of an underwater low-noise sound source becomes possible with a noisy (not observed) interferogram. In addition, the source detection method does not require knowledge of the nature of the signal, interference and transfer function.
Блок-схема, поясняющая заявленный способ обнаружения подводного источника широкополосного шума приведена на фиг. 1, где обозначены следующие элементы:A block diagram explaining the claimed method for detecting an underwater source of broadband noise is shown in FIG. 1, where the following elements are indicated:
1 - приемная система с ВСП;1 - receiving system with VSP;
2 - блок буферной памяти для накопления текущих данных;2 - buffer memory block for accumulating current data;
3 - блок расчета спектральных характеристик принятого сигнала (быстрое преобразование Фурье);3 - block for calculating the spectral characteristics of the received signal (fast Fourier transform);
4 - блок расчета интерферограмм в каждом частотном канале;4 - block for calculating interferograms in each frequency channel;
5 - блок расчета голограмм на основе двумерного Фурье-преобразования интерферограмм в каждом частотном канале;5 - block for calculating holograms based on a two-dimensional Fourier transform of interferograms in each frequency channel;
6 - блок формирования нормированных функций обнаружения в каждом частотном канале и выделение нормированных функций обнаружения с одиночным пиком, превышающим помеховые пики по назначаемому порогу;6 - block for the formation of normalized detection functions in each frequency channel and the allocation of normalized detection functions with a single peak exceeding the interference peaks by the assigned threshold;
7 - блок принятия решения.7 - decision block.
Заявленный способ обнаружения подводного источника широкополосного шума осуществляется следующей последовательностью действий.The claimed method for detecting an underwater source of broadband noise is carried out by the following sequence of actions.
Приемная система 1.Receiving
Акустический сигнал от широкополосного шумового источника принимается ВСП 1, с выхода которого принятый сигнал звукового давления акустического поля P(t) и трехортогональных компонент вектора колебательной скорости частиц водной среды в локальной системе координат ВСП Vx(t), Vy(t), Vz(t) (две первые компоненты составляют горизонтальную плоскость) поступает в блок 2.An acoustic signal from a broadband noise source is received by the
Блок 2.
В блоке накапливаются текущие данные на интервале времени Δt. The block accumulates current data on the time interval Δt.
Блок 3.
Для принятого сигнала длительности δt1 (например, δt1=1.5 с) методами частотно-временной обработки сигналов формируется набор частотных каналов Δƒi, охватывающий весь наблюдаемый частотный диапазон Δƒ, с шириной полосы каналов (например, Δƒi=100 Гц) и средними частотами спектра ƒi. С шагом дискретизации δƒ=1/δt1 в каждом частотном канале вычисляются комплексные значения амплитуд звукового давления Р(ƒ, t) и трех компонент вектора колебательной скорости Vx(ƒ, t), Vy(ƒ, t), Vz(ƒ, t), которые приводятся к эквивалентным единицам звукового давления.For a received signal of duration δt 1 (for example, δt 1 =1.5 s), a set of frequency channels Δƒ i is formed by the methods of time-frequency signal processing, covering the entire observed frequency range Δƒ, with a channel bandwidth (for example, Δƒ i =100 Hz) and average spectrum frequencies ƒ i . With a sampling step δƒ=1/δt 1 in each frequency channel, the complex values of the sound pressure amplitudes Р(ƒ, t) and the three components of the vibrational velocity vector V x (ƒ, t), V y (ƒ, t), V z ( ƒ, t), which are converted to equivalent units of sound pressure.
Блок 4.Block 4.
В каждом частотном канале устанавливается текущее время накопления Δt (например, Δt=60 с) шумовых реализаций длительностью δt1 и по каждой шумовой реализации вычисляются интерферограммы (энергетические параметры), например:In each frequency channel, the current accumulation time Δt (for example, Δt=60 s) of noise realizations with a duration of δt 1 is set, and interferograms (energy parameters) are calculated for each noise realization, for example:
где 
Блок 5.
В каждом частотном диапазоне к сформированным за время Δt к интерферограммам 
где I(ƒ, t) - одна из интерферограмм 
Блок 6.Block 6.
В каждом частотном диапазоне для первого и четвертого квадрантов созданных голограмм вычисляется функция обнаруженияIn each frequency range, for the first and fourth quadrants of the created holograms, the detection function is calculated
и нормируется на максимальное значение. Здесь Δτ - линейный размер области локализации спектральной плотности сигнала по оси времени τ; ε - угловой коэффициент линейной зависимости ν=ετ, τ≥0. Если положение максимума функции обнаружения εm>0, то источник приближается к приемной системе; если εm<0 - источник удаляется от приемной системы; если εm=0 - источник неподвижен или радиальная скорость равна нулю (движение источника по окружности). Выделяются вычисленные нормированные функции обнаружения, и устанавливается критерий обнаружения источника, согласно которому доминирующим принимается одиночный пик со значением равным единице, а остальные пики (помеховые) не превышают значение 0.5.and normalized to the maximum value. Here Δτ is the linear size of the region of localization of the spectral density of the signal along the time axis τ; ε - slope of the linear dependence ν=ετ, τ≥0. If the position of the maximum of the detection function ε m >0, then the source approaches the receiving system; if ε m <0 - the source moves away from the receiving system; if ε m =0 - the source is motionless or the radial velocity is equal to zero (source movement in a circle). The calculated normalized detection functions are distinguished, and the source detection criterion is set, according to which a single peak with a value equal to one is accepted as dominant, and the remaining peaks (noise) do not exceed 0.5.
Блок 7.Block 7.
Анализируются нормированные функции обнаружения, проводится оценка их устойчивости для разных диапазонов частот и каналов обработки, принимается решение об обнаружении подводного малошумного источника звука на основании:The normalized detection functions are analyzed, their stability is assessed for different frequency ranges and processing channels, a decision is made to detect an underwater low-noise sound source based on:
- наличия единичного доминирующего пика нормированной функции обнаружения;- the presence of a single dominant peak of the normalized detection function;
- не превышения помеховыми пиками пороговой величины, равной 0.5.- not exceeding the threshold value equal to 0.5 by interference peaks.
Достоверность предлагаемого способа обнаружения подводного малошумного источника звука подтверждается результатами проведенных численных и натурных экспериментов в мелководных акваториях в низкочастотном и высокочастотном диапазонах для различных каналов обработки ВСП. Ниже приведены примеры.The reliability of the proposed method for detecting an underwater low-noise sound source is confirmed by the results of numerical and natural experiments in shallow water areas in the low-frequency and high-frequency ranges for various VSP processing channels. Below are examples.
Пример 1.Example 1
Численный эксперимент.Numerical experiment.
Условия заданы в следующем виде. Горизонтально-однородный волновод, глубина H=60 м, скорость звука с=1480 м/с. Параметры дна: отношение плотности грунта и воды ρ=1.8, комплексный показатель преломления n=0.88(1+i0.013). Неподвижный малошумный источник звука расположен на глубине zs=30 м, глубина приемной системы zq=50 м. Полоса Δƒ=300-350 Гц. В полосе 300-350 Гц средняя мощность: шумоизлучения источника на расстоянии 
Пример 2.Example 2
Натурный эксперимент.natural experiment.
Условия эксперимента заданы следующими параметрами. Глубина акватории Н=8-10 м. Скорость малошумного источника звука w=1.5 м/с, глубина погружения zs=4 м. Приемная система, состоящая из одиночного ВСП, располагалась на дне. Параметры обработки экспериментальных данных: время наблюдения Δt=60 с, длительность шумовой реализации δt1=1.5 с, временной интервал между ними δt2=0.5 с, число временных интервалов J=30. Частотный диапазон ƒ=0.75-1.75 кГц, ширина полосы Δƒ=1 кГц. Источник приближался к ВСП, в начальный момент времени t=0 эксперимента расстояние между ними r=1.5 км. Результаты обработки на основе предлагаемого способа обнаружения источника звука за время наблюдения Δt=60 с на расстоянии r=1.5 км приведены на фиг. 8-13. На фиг. 8-10 и фиг. 11-13 представлены результаты обработки интерферограмм Ip (ƒ, t) и 
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2787951C1 true RU2787951C1 (en) | 2023-01-13 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808947C1 (en) * | 2023-04-03 | 2023-12-05 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method for processing short-term non-stationary random noise emission process |
| CN117872379A (en) * | 2024-03-11 | 2024-04-12 | 西北工业大学青岛研究院 | Underwater target ranging method, medium and system under shallow sea internal wave condition |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5831936A (en) * | 1995-02-21 | 1998-11-03 | State Of Israel/Ministry Of Defense Armament Development Authority - Rafael | System and method of noise detection |
| CN107132503A (en) * | 2017-03-23 | 2017-09-05 | 哈尔滨工程大学 | Acoustic vector circle battle array broadband coherent source direction estimation method based on vector singular value decomposition |
| RU2653189C1 (en) * | 2017-06-07 | 2018-05-07 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method of detecting noisy objects in shallow and deep sea |
| RU2699923C1 (en) * | 2019-01-23 | 2019-09-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for detection of underwater source of broadband noise |
| RU2715431C1 (en) * | 2019-07-03 | 2020-02-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for detection of underwater source of broadband noise |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5831936A (en) * | 1995-02-21 | 1998-11-03 | State Of Israel/Ministry Of Defense Armament Development Authority - Rafael | System and method of noise detection |
| CN107132503A (en) * | 2017-03-23 | 2017-09-05 | 哈尔滨工程大学 | Acoustic vector circle battle array broadband coherent source direction estimation method based on vector singular value decomposition |
| RU2653189C1 (en) * | 2017-06-07 | 2018-05-07 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method of detecting noisy objects in shallow and deep sea |
| RU2699923C1 (en) * | 2019-01-23 | 2019-09-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for detection of underwater source of broadband noise |
| RU2715431C1 (en) * | 2019-07-03 | 2020-02-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for detection of underwater source of broadband noise |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| В.М. Кузькин и др. "ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ЛИНЕЙНОЙ АНТЕННЫ". ВЕСТНИК ВГУ. СЕРИЯ: ФИЗИКА. МАТЕМАТИКА. 2020. N 2. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808947C1 (en) * | 2023-04-03 | 2023-12-05 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method for processing short-term non-stationary random noise emission process |
| CN117872379A (en) * | 2024-03-11 | 2024-04-12 | 西北工业大学青岛研究院 | Underwater target ranging method, medium and system under shallow sea internal wave condition |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5680825B2 (en) | Sonar system and method with low probability of affecting marine mammals | |
| Carmillet et al. | Detection of phase-or frequency-modulated signals in reverberation noise | |
| CN107272003B (en) | Active positioning method based on reliable acoustic path and target multi-path echo | |
| CN111580048B (en) | Broadband sound source depth estimation method using single-vector hydrophone | |
| Kuz’kin et al. | Interferometric direction finding by a vector-scalar receiver | |
| US8400875B2 (en) | Active sonar system and active sonar method using a pulse sorting transform | |
| Atkins et al. | Transmit-signal design and processing strategies for sonar target phase measurement | |
| Yao et al. | Robust active sonar detection in frequency and time dispersive channels using matching envelope spectrum of multi-pulse LFM signals | |
| CN109061654A (en) | Single ring array active 3-D positioning method under a kind of deep-marine-environment | |
| Colin et al. | False-alarm reduction for low-frequency active sonar with BPSK pulses: experimental results | |
| RU2366973C1 (en) | Method for detection of targets from accidental reverberation disturbances | |
| CN110346802B (en) | Underwater target detection method based on calculation of underwater acoustic channel parameters | |
| RU2787951C1 (en) | Method for detecting an underwater broadband noise source | |
| KR100902560B1 (en) | Apparatus and method for generating warning alarm in a tracking-while-scanning radar | |
| US20110228639A1 (en) | Active Sonar System and Active Sonar Method Using Noise Reduction Techniques and Advanced Signal Processing Techniques | |
| RU2699923C1 (en) | Method for detection of underwater source of broadband noise | |
| Barger | Sonar systems | |
| Kim et al. | Design of generalized sinusoidal frequency modulated pulse train waveform to improve tracking performance of high duty cycle sonar systems | |
| US5777949A (en) | Trajectory matched passive detection system | |
| RU2561010C1 (en) | Method for adaptive processing of noise emission signal | |
| Wang et al. | Track Before Detect for Low Frequency Active Towed Array Sonar | |
| RU2478982C2 (en) | Method for determining acoustic pressure of moving extended source of acoustic field | |
| RU2365938C1 (en) | Method of target isolation from random reverberation interferences | |
| Sharma et al. | Detection of various vehicles using wireless seismic sensor network | |
| Sambataro et al. | Source estimation algorithm in non cooperative bi-static sonar system |