CC BY
63
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Казаков М.Н. Email: [email protected]
Казаков Михаил Наумович - инженер, пенсионер, г. Санкт-Петербург
Аннотация: сопоставляются два тракта автоматического обнаружения сигналов, излучаемых активными гидролокационными станциями. Один из трактов строился на аналоговых электро-элементах по схеме ШОУ (широкая-ограничитель-узкая), достоинством которой является обнаружение сигналов по отношению сигнал/помеха. После внедрения вычислительной машины (ВМ) обнаружение сигналов стало производиться одной из программ ВМ, работающей по алгоритму аналоговой схемы. Преимущество цифровой схемы перед аналоговой схемой в том, что она позволяет поднимать порог обнаружения для борьбы с акустическими импульсными помехами. Показано, что чрезмерное увеличение порога может приводить к значительной зависимости чувствительности тракта от частоты сигналов и к пропускам сигналов в отдельных частотных зонах.
Ключевые слова: гидролокационная станция, обнаружение сигналов, отношение сигнал/помеха, быстрое преобразование Фурье, импульсные акустические помехи.
AUTOMATIC DETECTION OF HYDROACOUSTIC SIGNALS
Kazakov M.N.
Kazakov Mikhail Naumovich - Engineer, Pensioner, ST. PETERSBURG
Abstract: two paths of automatic detection of signals emitted by active sonar stations are compared. One of the paths was built on analog electric elements according to the scheme WLN (wide-limiter-narrow), the advantage of which is the detection of signals with respect to the signal-to-noise ratio. After the introduction of a computer, the detection of signals began to be performed by one of the computer programs using the analog circuit algorithm. The advantage of the digital circuit over the computer analog circuit is that it allows you to raise the detection threshold to combat acoustic impulse noise. It is shown that an excessive increase in the threshold can lead to a significant dependence of the sensitivity of the path on the frequency of the signals and to signal passes in individual frequency zones.
Keywords: sonar station, signal detection, signal-to-noise ratio, fast Fourier transform, pulsed acoustic noise.
УДК 623.983
Существуют два типа пассивных гидролокационных станций (трактов гидроакустических комплексов). Станции первого типа обнаруживают цели по сигналам, которыми являются шумы, излучаемые целями, как правило, непреднамеренно. Это станции шумопеленгования [1]. Станции второго типа -станции обнаружения гидроакустических сигналов (станции ОГС) [2], [3], [4], [8], которые обнаруживают цели по сигналам, излучаемым активными гидролокационными станциями. Станции второго типа называются также станциями перехвата (перехвата излучений) [5]. В станциях, как первого, так и второго типа, используются многоэлементные гидроакустические антенны, в которых в качестве приёмных элементов применяются приёмники давления. Обнаружение сигналов на
фоне помех производится по их мощности (квадрату давления). Такое построение станций является оптимальным [6], [7]. В данной статье рассматривается реализация этого способа обнаружения в станциях ОГС.
В период использования в гидроакустических стациях аналоговых и дискретных электро-элементов (до начала внедрения вычислительных машин) тракт автоматического обнаружения станции ОГС строился по схеме ШОУ. Тракт содержал последовательно соединённые узлы: широкополосный входной фильтр, ограничитель, гребёнку узкополосных фильтров [4]. В таком тракте в отсутствие сигнала при выравненном входном спектре помех энергия помех равномерно распределяется по гребёнке узкополосных фильтров. При действии сигнала его энергия сосредотачивается в одном из фильтров гребёнки, напряжение в нём возрастает. Благодаря наличию ограничителя величина напряжения зависит не от абсолютного уровня сигнала, а от отношения сигнал/помеха на входе схемы. Это основное свойство схемы ШОУ, автоматически обеспечивающее соответствие значения порогового сигнала уровню действующих помех (обеспечивается постоянство их отношения). При превышении напряжения на выходе узкополосного фильтра установленного порога, то есть при достижении отношения сигнал/помеха порогового значения, принимается решение о наличии сигнала. Максимальное отношение сигнал/помеха q (по мощности) в узкополосном фильтре определяется числом фильтров в гребёнке п и равно q = п.
В период аналого-дискретной аппаратуры узкополосные фильтры были физическими блоками, число которых не могло быть большим. При п =20 q=20. Фактически из-за непрямоугольности узкополосных фильтров q не превышало 10. При действии стационарных гауссовых помех такого отношения сигнал/помеха q=10 достаточно для обнаружения сигнала с необходимыми значениями вероятностей ложных тревог и пропусков сигналов.
Однако реальные помехи кораблей-носителей аппаратуры имеют нестационарный характер. Уровень нестационарностей (выбросов) может существенно превышать значения, соответствующие гауссовым помехам [3], [4]. Схема ШОУ существенно ослабляет нестационарности помех, длительность которых мала, а спектр сравним с шириной полосы частот входного фильтра. Нестационарности, спектр которых близок к спектру сигнала, могут быть подавлены соответствующим повышением порога обнаружения. Однако схема ШОУ такой возможности не обеспечивает. Установка в качестве порогового значения отношения сигнал/помеха, большего, чем названное выше значение приводит к появлению частотных зон, в которых сигнал не обнаруживается.
Внедрение вычислительной техники позволило существенно увеличить число узкополосных фильтров. Кроме того, цифровая схема ШОУ в определенных пределах линейна. Это создало возможность изменения (повышения) порога обнаружения. Оценим диапазон регулировки.
Алгоритм функционирования цифровая схема ШОУ аналогичен алгоритму аналоговой схемы. В ней роль узкополосных фильтров играют спектральные составляющие, вычисляемые с использование быстрого преобразования Фурье (БПФ). В цифровой схеме ШОУ в каждом цикле БПФ выделяется спектральные составляющие наибольшего уровня. Эти составляющие образуют сигнальную группу. В сигнальную группу включаются также две спектральные составляющие, примыкающие к наибольшим спектральным составляющим (по одной с каждой стороны). Суммарная мощность спектральных составляющих сигнальной группы сравнивается порогом. Порог формируется путем умножения средней мощности спектральных составляющих, в которых доля сигнала мала (несигнальных составляющих), на коэффициент (пороговый коэффициент). Если порог превышен, принимается решение о наличии сигнала.
Условие обнаружения сигнала имеет следующий вид:
(Уп Л2+игсЛ2)*р = ис.пор.л2, (1)
где:
Упл2 - мощность помех на выходе узкополосного фильтра,
Угсл2- средняя мощность гармоник сигнала в несигнальных фильтрах,
0 -пороговый коэффициент,
Ус порл2 - мощность порогового сигнала,
Угсл2 = а*Ус.пор.л2/Мнс , (2)
где:
а *Успорл2 - мощность порогового сигнала, рассеянная в несигнальных фильтрах,
Мнс - число несигнальных фильтров.
Используя формулы (1) и (2), находим пороговое отношение сигнал/помеха на выходе узкополосного фильтра:
Ус.пор.л2/Упл2 = 1/ (1/0 - а/КнС) (3)
В системе Mathcad произведен расчет возможных значений коэффициента рассеяния а.
Для расчёта были приняты следующие исходные данные:
- число точек БПФ 256;
- частота квантования втрое больше верхней частоты диапазона;
- число спектральных составляющих в рабочем диапазоне 80; - «подаётся» тональный сигнал единичной амплитуды.
Результаты расчёта:
- при подаче сигналов на центральных частотах фильтров величина максимальной спектральной составляющей равна 128, боковые спектральные составляющие пренебрежимо малы. Рассеяния мощности сигнала не происходит, мощность сигнала 128Л2= 16384. Вторым слагаемым в скобках формулы (3) можно пренебречь,а=0, q=Q;
- при подаче сигналов, частоты которых совпадает с частотами пересечения частотных характеристик фильтров, наблюдается наибольшее рассеяние мощности сигнала. Суммарная мощность спектральных составляющих рабочем диапазоне 16330,мощность сигнальной группы 14760. Число сигнальных составляющих -4,несигнальных - 76, рассеянная мощность 16330 - 14760 = 1570, а = 1580/14760 = 0.106.
Таким образом, возможные значения коэффициента рассеяния находятся в пределах а = 0-0.106.
Рис. 1. Зависимость порогового отношения сигнал/помеха от порогового коэффициента Q для
двух крайних значений a
На рис. 1 показана зависимость порогового отношения сигнал/помеха от порогового коэффициента Q для двух крайних значений а. Сплошная линия
соответствует a = 0 (частота сигнала на максимуме частотной характеристики одного из фильтров), пунктирная кривая соответствует a = 0.106 (частота сигнала на одном из пересечений частотных характеристик фильтров), их значеия могут существенно отрличаться. Так, при Q=600 это отличие составляет 8 дб.
При приближении Q к значению Qмах=N/a=76/0.106 =717 пороговое отношение сигнал/помеха q устремляется в бесконечность (3) и обнаружение прекращается.
Как видно из рис. 1, для того, чтобы пороговые отношения в зависимости от частоты сигнала отличались меньше, чем на 3 дб, пороговый коэффициент должен быть не более Q=300. Если считать, что минимальное значение q=10 (как в аналоговой схеме ШОУ), диапазон регулировки порога составит 15 дб.
Таким образом, использование цифровой схемы ШОУ позволяет путем увеличения порогового коэффициента Q повышать порог обнаружения, уменьшая тем самым число ложных тревог. Однако, повышение порога обнаружения приводит к сокращению зоны обзора. Поэтому прежде, чем повышать порог обнаружения следует, по возможности, снизить уровень помех (в особенности импульсных помех), создаваемых кораблём - носителем станции. Один из способов выявления источников корабельных помех с целью их дальнейшего устранения изложен в [9].
Если после проведенных мероприятии по снижению уровня помех, повышения порога обнаружения на 15 дб оказывается недостаточным, следует переходить на плуавтоматическое обнаружение, привлекая оператора станции к решению задачи обнаружения сигналов.
Список литературы /References
1. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики, 1978. Судостроение. Л. С. 14.
2. Свидетельство на полезную модель № 20388, приоритет от 11.03.2001. Авторы Каришнев Н.С., Островский Д.Б., Смарышев М.Д., Казаков М.Н. и др.
3. Казаков М.Н., Стрелков И.М. Аппаратура обнаружения гидроакустических сигналов.// 50 лет ЦНИИ «Морфизприбор». Санкт-Петербург. 1999. С.146-151.
4. Стрелков И.М. Аппаратура обнаружения гидроакустических сигналов (ОГС).// Из истории отечественной гидроакустики. Санкт-Петербург. 1998.С. 233-237.
5. Гидроакустический комплекс МГК-400ЭМ (экспортный, модернизированный). Решаемые задачи. Основные характеристики. Перехват. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.oceanpribor.ru/docs/mgk-400em.pdf/ (дата обращения: 12.02.2019).
6. Казаков М.Н. Оценка целесообразности использования приёмников колебательной скорости в многоканальных гидроакустических системах.// Наука, техника и образование, 2018. № 5 (46). С. 19-22.
7. Казаков М.Н. Оценка оптимальности использования приёмников звукового давления в многоканальных гидроакустических системах.// Наука, техника и образование, 2018. № 10 (51). С. 11-14.
8. Гидроакустический комплекс МГ-335ЭМ-03. Основные характеристики. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.oceanpribor.ru/text/67.htm/ (дата обращения: 15.02.2019).
9. Казаков М.Н. Патент на изобретение № 2624999 «Способ измерения составляющих суммарной помехи работе пассивной гидроакустической станции». RU 2 624 999 C1, 2016.
