Способ гидроакустического пеленгования и устройство для его осуществления

Способ гидроакустического пеленгования и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к области технической гидроакустики, а именно к способам шумо- и эхопеленгования. Предлагаемый способ основан на использовании разности фаз звуковых колебаний, поступающих на антенну. После преобразования акустических колебаний в электрические осуществляют преобразование Хартли-колебаний по каждому из N приемных каналов. Далее осуществляют их суммирование по всем каналам на каждой из частот хартлиевской области отдельно в области отрицательных частот и отдельно в области положительных частот. Отклонение пеленга на цель формируют, используя просуммированные сигналы отдельно по отрицательным и отдельно по положительным частотам, а фильтрацию осуществляют путем свертки преобразований Хартли. Технический результат - повышение точности пеленгования и сокращение вычислительных операций при сохранении разрешающей способности, 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области технической гидроакустики, а более конкретно к способам гидроакустического шумо- и эхопеленгования.

В гидроакустике пеленгованием называют определение направления прихода прямых волн, излученных какими-либо источниками или волн, отраженных подводными препятствиями. Источниками прямых волн может являться подводное шумоизлучение кораблей и судов. Источниками эхосигналов, то есть отраженных акустических волн, являются подводные лодки и другие подводные объекты. Совершенствование способов гидроакустического пеленгования представляет актуальную задачу.

Известен максимальный способ пеленгования (А.М.Тюрин, А.П.Сташкевич, Э.С.Таранов. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1966, с.178), при котором направление на источник звука определяется по максимуму напряжения, развиваемого на выходе приемной гидроакустической системы. Изменение наблюдаемого сигнала при малых изменениях угла можно представить в виде пеленгационной чувствительности для направления (В.А.Зарайский, А.М.Тюрин. Теория гидролокации. - Л: ВМОЛУА, 1975, с.391)

где А - коэффициент пропорциональности, обычно значение выходного напряжения;

R() - характеристика направленности приемной системы.

В максимуме R() частная производная

и это существенно ограничивает точность определения направления по максимальному методу.

Существенно более точными и наиболее применяемыми являются минимальные принципы в пеленговании. Минимальное пеленгование имеет преимущество нулевого способа, оно не зависит от амплитуды падающих волн и их флюктуаций; кроме того, точность пеленгования при этом способе много больше, чем точность при максимальном способе, при котором касательная характеристики направленности пеленгатора перпендикулярна направлению пеленга, что приводит при малых отклонениях пеленга практически к очень малому различию амплитуд (Ф.Ланге. Корреляционная электроника. - Л.: Судпромгиз, 1963, с.374). Минимальные принципы используются в фазовом, фазово-амплитудном, равносигнальном, корреляционном (Гванелла, 1956 г.) способах, при которых пеленгационная характеристика (см. фиг.1) имеет нуль при =0.

В качестве способа-прототипа выбран фазовый способ пеленгования (А.М.Тюрин, А.П.Сташкевич, Э.С.Таранов. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1966, с.184), при котором для фиксации отклонения пеленга используется разность фаз звуковых колебаний, приходящих к приемникам линейной базы (фиг.2).

При этом способе формируются разностная и суммарная характеристики направленности

где R¹/₂ () - характеристика направленности половины приемной антенны,

где K - волновое число,

- длина звуковой волны в среде.

Далее вводят в канал суммы сдвиг фаз на /2 и подают сигналы на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки: вертикальной и горизонтальной. По углу на экране электронно-лучевой трубки

судят об угле . Другие способы пеленгования: фазово-амплитудный, равносигнальный и корреляционный, в своей основе имеют также разностную характеристику направленности в пространстве. Они отличаются от фазового способа вторичной обработкой сигнала. В способе-прототипе характеристики направленности (разностная и суммарная) обычно формируются в частотной области путем быстрого преобразования Фурье (БПФ) по каждому приемному каналу (от каждого приемника дискретной решетки) и суммирования (подробнее см. книгу под ред. Э.Оппенгаймера. Применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1980, с.444).

В присутствии шумов-помех случайная погрешность, определяющая точность пеленгования, численно равна угловому отклонению от направления истинного пеленга цели, вызывающему приращение выходного напряжения, равное среднеквадратическому значению напряжения шумов _ш (см., например, А.Г.Николаев, С.В.Перцев. Радиотеплолокация (пассивная радиолокация). - М.: Сов. радио, 1964, с.139)

Для способа-прототипа в предположении, что А=1

Устройство, реализующее способ-прототип (фиг.3), содержит параллельно-последовательно соединенные приемную антенну, разделенную на две половины, первый и второй блоки предварительной обработки, первый и второй блоки аналого-цифрового преобразования (АЦП), первый и второй блоки быстрого преобразования Фурье (БПФ), первый и второй блоки задержек и взвешивания, первый и второй формирователи характеристик направленности (ХН), вычитатель, сумматор, фазовращатель и индикатор. Блок-схема пеленгатора-прототипа приведена в книге В.Н.Тюлина. Теория акустического пеленгования. - Л.: ВМАКВ им. А.Н.Крылова, 1954, с.20 (схемы аналогичных пеленгаторов, используемые в настоящее время, приведены только в технической документации, недоступной для экспертов).

Недостатками способа-прототипа и реализующего его устройства являются малая точность пеленгования, определяемая формулой (8), а также большой объем вычислительных работ при формировании направленности в частотной области. Кроме того, фазовый способ чрезвычайно чувствителен к аппаратурным ошибкам двухканальной схемы пеленгаторов (см., например, "Исследование точности и помехоустойчивости фазовых радиопеленгаторов" под ред. В.Б.Пестрякова. - Л.: Судпромгиз, 1959, с.6-20, 74-92).

Целью изобретения является повышение точности пеленгования и сокращение объема вычислительных работ при формировании направленности в частотной области.

Предлагаемый способ, как и способ-прототип, содержит прием акустических колебаний в воде в N точках приема, расположенных на расстояниях d друг от друга на прямой длиной =d(N-1), преобразование акустических колебаний в электрические колебания, суммирование, фильтрацию и индикацию.

Поставленная цель реализуется за счет введения операций: осуществляют преобразование Хартли электрических колебаний по каждому приемному каналу, суммирование производят по всем каналам по каждой из частот хартлиевской области отдельно в области отрицательных частот и отдельно в области положительных частот, формируют отклонение пеленга на пеленгуемую цель, используя просуммированные значения в частотной области, а фильтрацию осуществляют путем свертки преобразований Хартли.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит последовательно-параллельно соединенные приемную антенну из N электроакустических преобразователей, блок предварительной обработки, аналого-цифровой преобразователь, процессор быстрого преобразования Хартли (БПХ), блок свертки преобразований Хартли, сумматор в области отрицательных частот и автосопроводитель цели (АСЦ), первый выход которого соединен с первым входом индикатора, второй выход которого соединен с блоком свертки преобразований Хартли, сумматор в области положительных частот, выход которого соединен со вторым входом индикатора, индикатор, также содержит блок управления, синхровыходы которого соединены с синхровходами блоков АЦП, БПХ, блока свертки, сумматоров и индикатора.

Новыми операциями в предлагаемом способе являются воздействие на материальный объект - электрические колебания на входах N приемных каналов - путем преобразования Хартли временных электрических колебаний в частотную область, суммирования по всем каналам по каждой из частот хартлиевской области отдельно в области отрицательных частот и отдельно в области положительных частот. Принципиально то, что выполняя хартлиевские операции только с вещественными числами удается сформировать, используя область отрицательных частот, пространственную избирательность с нулем на всех частотах при =0 (или при =_о при наличии компенсации), то есть сформировать пеленгационную характеристику.

Новым в устройстве являются введенные последовательно-параллельно соединенные процессор быстрого преобразования Хартли (БПХ), блок свертки преобразований Хартли, блоки суммирования по всем каналам по отрицательным и положительным частотам.

Заявителю и авторам не известны из технической литературы и патентной документации подобные технические решения, отличающие способ и устройство от прототипа. Кроме того, в заявленном объекте проявляются новые полезные свойства - повышение точности пеленгования без увеличения размера приемной антенны.

На фиг.1 приведено пояснение к способу-аналогу - изображена пеленгационная характеристика.

На фиг.2 приведено пояснение к операциям способа-прототипа. Здесь: 1 - первая половина гидроакустической антенны, 2 - вторая половина гидроакустической антенны, обеспечивающие прием сигнала и преобразование акустических колебаний в электрические колебания каждая в N/2 точках, расположенных на расстояниях d друг от друга, 3 - формирователь характеристик направленности первой половины антенны 1, 4 - формирователь характеристик направленности второй половины антенны 2, 5 - сумматор, 6 - вычитатель, 7 - фазовращатель на /2, 8 - индикатор.

На фиг.3 приведена блок-схема устройства, реализующего способ-прототип. Здесь: 9, 10 - первый и второй блоки предварительной обработки соответственно, 11 и 12 - первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП) соответственно, 13 и 14 - первый и второй блоки быстрого преобразования Фурье (БПФ) соответственно, 15 и 16 - первый и второй блок задержек и взвешивания соответственно.

На фиг.4 приведена блок-схема предлагаемого устройства, реализующего заявляемый способ. Здесь: 17 - приемная антенна из электроакустических преобразователей, 18 - блок предварительной обработки, 19 - блок аналого-цифровой обработки (АЦП), 20 - процессор преобразования Хартли, 21 - блок свертки преобразований Хартли, 22 - сумматор в области положительных частот, 23 - сумматор в области отрицательных частот, 24 - блок управления.

На фиг.5 приведена блок-схема блока управления предлагаемого устройства. Здесь: 25 - генератор тактовых сигналов, 26, 27, 28, 29 - линии задержек (ЛЗ).

На фиг.6 приведена блок-схема спецпроцессора быстрого преобразования Хартли (БПХ) 20. Здесь: 20 - входной буфер, 31 - оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), 32 - блок типовых операций БПХ, 33 - программно-программируемое устройство (ППЗУ), 34 - блок синхронизации и управления, 35 - выходной буфер.

Пример. Осуществлялось пеленгование подводной цели с помощью приемной гидроакустической антенны из NM приемных преобразователей. Причем М приемных преобразователей объединялись электрически; образовался прием сигналов на N вертикальных столбов приема сигналов в горизонтальной плоскости - плоскости приема акустических сигналов. Акустические колебания в этих N вертикальных столбах преобразовывались в электрические колебания с помощью цилиндрических электроакустических преобразователей. После этого электрические колебания преобразовывались в частотную область путем преобразования Хартли. Далее было выполнено суммирование отдельно по отрицательным и отдельно по положительным частотам для всех N приемных каналов. Эти суммарные частотные зависимости были подвергнуты фильтрации, например, эккартовского типа и поданы на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. По отклонению от вертикальной прямой судили о направлении на пеленгуемую цель. Так как конкретные данные отнесены к охраняемым параметрам, числовые значения в настоящем примере не приводятся.

Предлагаемое устройство - гидроакустический пеленгатор - содержит последовательно-параллельно соединенные приемную антенну из электроакустических преобразователей 17, блок предварительной обработки 18, АЦП 19, процессор быстрого преобразования Хартли (БПХ) 20, блок свертки преобразований Хартли 21, сумматор в области положительных частот 22, сумматор в области отрицательных частот и автосопроводитель цели 23, индикатор 8, также содержит блок управления 24, синхровыходы которого соединены с синхровходами блока АЦП 19, процессора БПХ20, блока свертки 21, первого и второго сумматоров 22 и 23 и индикатора 8.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Акустические колебания принимаются приемной антенной 17 и с помощью электроакустических приемников преобразовываются в электрические колебания. В блоке 18 осуществляется предварительное усиление и фильтрация частот ниже и выше рабочего диапазона, то есть ограничение частотного диапазона от нижней рабочей частоты f_н до верхней рабочей частоты f_в.

В АЦП 19 по каждому приемному каналу осуществляется квантование и дискретизация. Причем дискретная переменная времени принимает целочисленные значения от 0 до n-1.

В блоке 20 осуществляется дискретное преобразование Хартли вида

где дискретная переменная интерпретируется как частота.

Частотный интервал между соседними элементами последовательности H() равен n^-1 [Гц]. По мере увеличения возрастает соответственно частота, но только до значения При дальнейшем росте величины соответствующая ей частота становится равной и обращается в нуль при =n. Программа быстрого преобразования Хартли (БПХ) FHTBAS приведена, например, в книге Р.Брейсуэлл. Преобразование Хартли. - М.: Мир, 1990 г., с.132. Построение блока 20 приведено на фиг.6.

В блоке 21 осуществляется цифровая фильтрация посредством свертки преобразований Хартли вида

Выбирая H₂() для обеспечения требуемой фильтрации, находят необходимое преобразование. Большей частью подбирают H₂() четной. В этом случае

что существенно упрощает вычисления. В ряде случаев блок 21 строят и по алгоритму

где ДПХ - дискретное преобразование Хартли.

Сумматор в области отрицательных частот 22 формирует

где R₊() - характеристика направленности аддитивной антенны из N элементов, а сумматор в области положительных частот 23 формирует

где

- текущий угол,

d - расстояние между точками приема,

c - скорость звука в среде.

В сумматорах 22 и 23 также осуществляют суммирование по частоте (нуль в пеленгационной характеристике сохраняется на всех частотах [o, n]), то есть

и аналогично

Напряжения и Н подаются, как и в устройстве-прототипе, на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки индикатора 8.

Блок управления 24 обеспечивает синхронизацию работы пеленгатора.

Таким образом, устройство-пеленгатор полностью решает поставленную задачу.

Следует сделать специальную оговорку по терминологии. Преобразование Хартли для непрерывного времени записывается в виде

Ввиду бесконечного существования времени t по теореме о зеркальном изображении для функции V(-t) соответствует преобразование Хартли H(-f), то есть по отрицательным частотам. Такая же ситуация наблюдается при преобразовании Фурье. Соответственно этому сдвиг, то есть преобразование вида

существует как по положительным, так и по отрицательным частотам. Аналогично энергетический спектр G(t) через преобразование Хартли записывается в виде

то есть также через положительные и отрицательные частоты.

При конечной выборке времени нумерация частот идет по от 0 до n/2 и по n- от n/2 до 0, то есть по и по n-. В такой записи, например, энергетический спектр

Учитывая физический смысл частот, ниже сохранены термины: "в области положительных частот" для [0, n/2] и "в области отрицательных частот" для [n-, 0].

Практическое исполнение блоков пеленгатора известно из практики гидроакустики.

Приемная антенна 17 обычно строится из цилиндрических электроакустических преобразователей, описанных, например, в книге Г.М.Свердлин. Прикладная акустика. - Л.: Судостроение, 1990, с.272.

Блок предварительной обработки 28 содержит предусилители и фильтры, ограничивающие рабочий диапазон частот. Смотрите, например, Ю.С.Кобяков, Н.Н.Кудрявцев, В.И.Тимошенко. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986, с.200-206.

Аналого-цифровые преобразователи построены по обычному принципу (смотрите, например, А.А.Брагин и др. Нормирование динамических характеристик быстродействующих АЦП. Измерительная техника, 1981, №6, с 16-18; А.А.Брагин, А.Л.Сименюк. Основы метрологического обеспечения аналого-цифровых преобразователей электрических сигналов. М: Издательство стандартов, 1989).

Процессор быстрого преобразования Хартли (БПХ) строятся на принципах, описанных, например, в книге под ред. С.Гука, Х.Уайтхауса, Т.Кайлата. Сверхбольшие интегральные схемы и современная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989, с.131-171. Блок-схема спецпроцессора БПХ приведена на рис.6. Входной буфер 30 используется для приема входных данных и записи их в ОЗУ 31 с последующей передачей в блок типовых операций 32. В этот же блок из ППЗУ 33 передаются коэффициенты преобразования Хартли. Работу устройств процессора регулирует блок синхронизации и управления 34, обеспечивающий синхронизацию всех операций и управление циркуляции данных в процессоре БПХ 20. Блок типовых операций 32 выполняет базовые операции БПХ (сложение и умножение). Результаты вычислений из блока типовых операций 32 через ОЗУ 31 передаются в выходной буфер 35 и далее в устройство.

Блоки свертки 21, сумматоры 22 и 23 строятся на микропроцессорной технике, описанной, например, в книге Б.А.Кабаков. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. М.: Радио и связь, 1988. Их управление описано в этой же книге на с.43-52. В блоке свертки 21 выполняется перемножение по алгоритму (II), сумматоры 22 и 23 выполняют суммирование по алгоритму (28) и (32).

Блок управления 24 строится по традиционной схеме.

Таким образом, построение блоков устройства не требует дополнительного изобретательского творчества.

Приведем подтверждение достижения эффекта в соответствии с целью изобретения.

Пусть производится прием сигналов в N точках, расположенных эквидистантно на расстояниях d друг от друга на прямой длиной L=d(N-1). После преобразования акустических колебаний в электрические образовались в каждом i-м канале электрические напряжения U(t-i), где

- текущий угол в плоскости, в которой лежит прямая,

_о - угол компенсации.

Эти i напряжений преобразуем по Хартли (Р.Брейсуэлл. Быстрое преобразование Хартли. ТИИЭР, 1984, №8, с.19-28), то есть выполним преобразование вида

где

Обратным преобразованием является

В отличие от преобразования Фурье, отображающего вещественные функции в комплексную область и несимметричного по j (происходит изменение знака при переходе от прямого к обратному преобразованию) преобразование Хартли осуществляет прямое и обратное преобразование только в вещественной области и обладает указанной симметрией.

В соответствии с теоремой о сдвиге для преобразования Хартли (Р.Брейсуэлл. Преобразование Хартли. М.: Мир, 1990, с.30)

где i=1,2,...,N.

В соответствии с операциями предлагаемого способа для пеленгационной характеристики используется только отрицательная область частот, в которой производится суммирование, то есть находят

Первый член этой суммы равен нулю. Поэтому остается N-1 слагаемое. Выполнение суммирования можно осуществить, используя табличную (формулу 420.1 справочника Г.Б.Двайт. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Физматлит, 1983, с.61. При больших N можно принять, что

Видно, что

где

Характеристика направленности линейной эквидистантной решетки из N элементов (М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник. Л.: Судостроение, 1984, с.152, формула 5.31).

Одновременно, используя только положительную область частот, можно найти

После суммирования найдем при больших N

Если сигнал подключить к вертикальным отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки, то на экране трубки появится прямая светящаяся линия (это операции способа-прототипа).

Перемещения электронного пятна вдоль осей O_x и O_y трубки будут, очевидно, пропорциональны и . Обозначая через x и y соответствующее перемещение пятна вдоль координатных осей, уравнение светящейся линии на экране трубки можно записать в виде

Следовательно, угол наклона светящейся линии к вертикальному диаметру электронно-лучевой трубки будет

или, учитывая, что

Следуя работе В.Н.Тюлин. Теория акустического пеленгования. Л.: ВМАКВ им. А.Н.Крылова, 1954, с.23, рассмотрим чувствительность способа. При малых углах имеем

Отсюда расчетная точность пеленгования равна

где _o - минимальный возможный для наблюдения угол отклонения прямой от вертикального положения.

Расчетная точность пеленгования для способа-прототипа из выражения (6) будет

и, следовательно, в 2 раза хуже: при одном и том же угле _o для способа-прототипа возможно различить реальный угол направления на цель, только в 2 раза больший.

В присутствии шумов-помех работе пеленгатора со среднеквадратическим напряжением _ш, принимая коэффициент А, равным единице, из формулы (7) найдем для

или

Аналогичное выражение для способа-прототипа

и, следовательно, случайная погрешность для способа-прототипа в 2 раза больше.

Следует также отметить, что большая крутизна вблизи малых углов существенно улучшает точность автосопровождения цели (по сравнению со способом-прототипом). Более острые углы и , чем разностная и суммарная характеристики направленности способа-прототипа соответствуют меньшей неоднозначности пеленга, чем в способе-прототипе. В предлагаемом способе по формуле (1)

а в способе-прототипе

то есть пеленгационная чувствительность вдвое меньше.

Для реализации предлагаемого способа требуется меньший объем вычислительных операций, чем для способа-прототипа. Действительно, как показано в работе Г.Э.Дж.Болд, из сравнения времени вычислений быстрого преобразования Хартли (БПХ) и быстрого преобразования Фурье (БПФ) (ТИИЭР, 1984, №12, с.184-185) основой быстрого преобразования Хартли (БПХ) является вещественное преобразование, которое требует в два раза меньше машинного времени, чем комплексное преобразование Фурье. Подробный анализ объемов вычислительных операций на БПХ приведен также в книге Р.Брейсуэлл. Преобразование Хартли. М.: Мир, 1990, с.91-120.

Таким образом, эффективность предложенного способа подтверждена. Следует заметить, что для получения такого же повышения точности пеленгования потребовалось бы использовать приемную антенну с размером не L, а 2L. Это является очень существенным фактором, ставшим возможным в результате хартлиевского преобразования в области только вещественных функц