Искажение гидролокационного поля морских подводных объектов с целью его маскировки под реверберационную помеху Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 6======================================

УДК 528.854:681.883.6

В. С. Давыдов

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

I Искажение гидролокационного поля морских подводных объектов с целью его маскировки под реверберационную помеху

Представлены рекомендации по маскировке гидролокационного поля морских подводных объектов под реверберационную помеху, разработанные на основе исследований по многоальтернативной классификации морских подводных объектов и распознаванию их гидролокационных сигналов на фоне реверберационных помех. Приведены примеры реализации разработанных правил оценки эффективности создаваемых искажений в модельных и натурных условиях.

Маскировка, реверберация, распознавание, классификация, гидролокационные сигналы

Скрытность маневрирования морских подводных объектов (МПО) в различных районах Мирового океана является одной их основных характеристик, определяющих их использование. В настоящее время в результате реализации комплекса мероприятий шумность МПО существенно снижена. Вследствие этого, по данным иностранной печати, почти все носители гидроакустических комплексов (надводные корабли, вертолеты, МПО и др.) при обнаружении и классификации МПО перешли на активный режим. Поэтому актуальность проблемы повышения скрытности гидролокационных полей МПО в настоящее время возрастает.

За последние годы получены большие достижения в разработке гидроакустических покрытий. Однако звукопоглощение покрытий значительно меньше шумозаглушения, поэтому дальность обнаружения МПО по гидролокационному полю не снижается, а увеличивается в основном за счет совершенствования методов обработки сигналов.

В современных условиях обнаружения на экране индикатора гидроакустических комплексов имеется, как правило, несколько сигналов. Возникает необходимость знать, какие из них соответствуют помехам, а какие - целям и какую цель надо выбрать для решения поставленной задачи. Принятие решения об обнаружении искомой цели подразумевает следующие этапы:

• энергетический контакт (обнаружение сигнала, превышающего помеху);

• классификация цели на основе принятого сигнала;

• определение координат цели.

Повышения скрытности МПО можно добиться не только снижением уровня гидролокационного поля, но и его маскировкой под поля ложных целей или под реверберационные помехи, а также за счет исключения локализации МПО и возможности определять его координаты. Для решения этой проблемы необходимо знать, каким образом классифицируются МПО.

Основные результаты ранее выполненных исследований. Задачи распознавания МПО - тел сложной формы были поставлены применительно к использованию зондирующих импульсов с высоким разрешением по дальности (коротких зондирующих импульсов или сложных сигналов с последующим сжатием их в согласованном фильтре). Огибающая эхо-

€0Давыдов В. С., 2011

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 6

сигнала или огибающая взаимнокорелляционной функции (ОВКФ) эхосигнала от МПО с копией сложного зондирующего импульса представляют собой многобликовую структуру, где отдельные максимумы формируются при отражении от разных элементов корпуса МПО.

В результате проведенных исследований многоальтернативной классификации разных проектов МПО и распознавания МПО на фоне реверберационных помех разработаны [1]-[5]:

• алгоритмы выделения признаков и многомерных признаковых пространств в огибающей гидролокационного сигнала (ГС) или ОВКФ ГС с копией сложного зондирующего импульса;

• правило построения эталонов многомерных признаковых пространств ГС от тел сложной геометрической формы в виде условных плотностей вероятностей с учетом доказанного свойства взаимной и совместной независимости одномерных значений многомерных величин этих признаков, имеющих произвольные функции распределения;

• оптимальное решающее правило многоальтернативного распознавания образов (тел сложной формы) на основе многомерных признаковых пространств с переменной размерностью;

• правила идентификации тел сложной формы при одном известном эталоне признаковых пространств с переменной размерностью;

• новый принцип формирования и обработки ГС для оценки гидролокационной информации и эффективности ее искажения в условиях многолучевого распространения сигналов в морской среде, а также при повышенных шумовых и реверберационных помехах;

• методы распознавания и идентификации тел сложной формы по ГС с использованием измерительных средств с высоким разрешением по дальности расположения отдельных отражающих элементов;

• метод излучения эталонных сигналов для идентификации тел сложной формы на дальностях, близких к дальностям их обнаружения, в условиях многолучевого распространения эхосигналов в морской среде;

• метод переизлучения отраженных сигналов и метод междуцикловой корреляционной обработки сигналов для распознавания неподвижных и малоподвижных (со скоростью менее 3 узлов) тел сложной формы в присутствии случайных реверберационных помех.

Переизлучение зондирующих импульсов с целью маскировки гидролокационного поля МПО. На основе выполненных исследований можно разрабатывать мероприятия, направленные на повышение скрытности МПО, в следующих направлениях:

• уклонение от попадания в зону ответственности средств обнаружения;

• создание заградительных помех;

• снижение уровня гидролокационного поля МПО с целью его незаметности;

• создание в ложном направлении сигналов, подобных ГС МПО;

• искажение классификационных признаков МПО с целью его неузнаваемости;

• искажение информации о координатах МПО.

Рассмотрим последние два направления, состоящие в повышении скрытности МПО путем маскировки его гидролокационного поля под поля ложных целей и под ревербера-ционные помехи.

Искажение классификационной информации МПО может выполняться пассивными и активными средствами. В качестве пассивных средств применимы гидроакустические покрытия и дополнительные отражатели. Установка этих изделий на корпусе МПО в соответствии с предварительными расчетами может обеспечить искажение его гидролокационного поля под поля ложных целей, но при этом цель классифицируется как МПО. Эффективность гидроакустических покрытий снижается с понижением частоты облучения и с увеличением глубины погружения МПО.

Более эффективным является активный метод искажения классификационной информации путем переизлучения зондирующих импульсов в направлении облучения МПО. Метод переизлучения был проверен в модельных и натурных условиях. На рис. 1 представлены полученные в бассейне эхосигналы от крупномасштабной модели МПО при ее облучении сложными зондирующими импульсами. Неискаженные эхосигналы показаны сплошными, искаженные за счет переизлучения зондирующих импульсов сигналы -пунктирными линиями. Проведенные исследования показали, что уровни эхосигналов не возрастали при переизлучении зондирующих импульсов со сдвигом фазы относительно отраженных импульсов на Дф = 90...270° (рис. 1, а). Кроме того, при приближении сдвига фаз к 180° можно обеспечить снижение уровней отражений от отдельных элементов МПО (рис. 1, б). Разработки таких компенсаторов в широкой полосе частот известны для вибрационного поля МПО и применительно к помехам, создаваемым гидроакустическим и радиолокационным станциям (см., например, [6]).

Аналогичные результаты получены в натурном эксперименте в Атлантическом океане. На рис. 2 представлены неискаженный эхосигнал (рис. 2, а) и эхосигнал от той же цели при искажении его за счет переизлучения (рис. 2, б).

Метод переизлучения зондирующих импульсов позволяет не только обеспечить искажение гидролокационного поля МПО, но и сформировать его похожим на ревербераци-

0 200 400 t, мкс 0 40 80 t, мкс

б б Рис. 1 Рис. 2

^ \

№

Ч ш т ■

Рис. 3

Рис. 4

онную помеху. Для повышения скрытности МПО в условиях реверберационных помех требуется переизлучать изменяющиеся сигналы от одного цикла облучения к другому так, чтобы временные интервалы } между отдельными импульсами в формируемом суммарном сигнале изменялись.

Для большей эффективности маскировки эхосигналов МПО под реверберационную помеху целесообразно использовать буксируемые гидроакустические антенны и переизлучение зондирующих импульсов не только в направлении облучения МПО (рис. 3), но и в направлении дна и поверхности моря (рис. 4). При этом создается неопределенность нахождения маскируемой цели за счет увеличения объема имитируемых реверберационных помех. Известно, что уровень реверберационных помех, формируемых от взволнованной поверхности моря при углах скольжения а, близких к 90°, может на 40.. .50 дБ превышать уровень реверберационных помех, формируемых при малых углах скольжения а < 30° [7], поэтому зондирующие импульсы возможно переизлучать в направлении поверхности моря со значительно большим уровнем, чем в направлении облучения цели, обеспечивая их прием облучающим судном с разных направлений и дезориентируя тем самым поисковое судно.

Правила оценки эффективности создаваемых искажений. Для оценки эффективности создаваемых искажений разработаны правила идентификации одной определенной цели, если известен один ее эталон. По первому правилу идентификации в процессе обучения для эталонов формируются границы областей существования неискаженных признаков временных положений {т^} и амплитудных значений } существенных максимумов в огибающих эхосигналов или огибающих ВКФ £ (т) (рис. 5). Эталоны строят интегрированием условных плотностей вероятностей признаков {т^} и }, задавая вероятность превышения признаками вычисляемых границ. Так как одномерные значения многомерных признаковых пространств {т^} и

} для жестких тел сложной формы независимы [3], то вычисление этих интегралов упрощается. На рис. 5 показано определение граничных областей неискаженных признаков для трех существенных максимумов в сигнале £(т) (...£^в;

и£1в £2в

А £3в

\ , £2н| 2 \ 1 /

£1н 1 / 1 Л! |\|£3н, / | | А 1 / 1 |\ / . \ 1 Ч|

А/иЛ иМ ! 1 \/ 1 V 1 , 1 N 1 ! ! Ч

1 ■— 1 1 1 1 -1-

т1н Т1 т1в т2н

т2 т2в т3н т3 т3в Рис. 5

т т

• •• ицв>

ц = 1, 2, 3). Для

интервала 43

0

I

0.5-

Рис. 6

х1н••• х1в проиллюстрировано получение Г его границ путем интегрирования плотности распределения параметра т. Вероятность изменения т в пределах 0...Т1н составляет «1 = 0.1, а в пределах 0...Т1в -и1 +и2 = 0.9. По этому правилу подсчиты-

вается доля отличий (в процентах к общему числу сигналов в массиве) искаженных сигналов от неискаженного эталона, фиксируемых при выходе признаков за пределы вероятностных эталонных границ.

Количественная оценка величины совпадения признаков искаженных ГС от идентифицируемой цели с эталоном признаков может быть получена с помощью непараметрического критерия совпадения эмпирических функций распределения. Для этого по второму правилу должны быть построены интегральные законы распределения эталонных значений признаков Гз (т) и измеренных искаженных величин признаков Г (т) для каждого существенного признака (на рис. 6 представлены результаты указанной операции для времен задержки трех (у = 1, з) существенных максимумов эхосигнала), а также определена величина расхождения этих законов. Тогда по методу проверки гипотезы о принадлежности двух выборок одному и тому же закону распределения можно получить вероятностную оценку расхождения Г (т) и Гэ (т). Функции распределения должны строиться для определенных углов облучения целей на основе эталонных ГС сигналов и искаженных сигналов.

В математической статистике известны методы оценки совпадения функций распределения одномерных величин двух выборок [8]. Эти методы могут быть непосредственно применимы для оценки совпадения функций распределения одномерных признаков (например, длительностей гидролокационных сигналов т). Так, в соответствии с [8] расхождение между функциями распределения определяется в виде dmяx = Бир|Гэ (т) - Г (т)|.

т

Задавая уровень значимости, т. е. вероятность ложного отклонения гипотезы ф,

можно определить пороговое значение : dф = (2п) 1 1п (2/ф)

1/2

где п 1 = П11 + П21,

причем п1, П2 - количество сигналов в обучающей выборке и в выборке, используемой для идентификации, соответственно.

При заданном уровне значимости ф можно считать расхождение функций распределения достаточным при d > Приняв d = , по величине расхождения d можно определить уровень значимости:

Ф = 2/ехр (d 22п ). (1)

По величине ф в каждом конкретном примере можно судить о вероятности, с которой принимается или отклоняется гипотеза совпадения эталонной и эмпирической функ-

ций распределения. Чем меньше ф, тем меньше совпадение функций распределения. При малой величине ф (например, при ф< 0.1) можно утверждать, что искаженные ГС не соответствуют настоящему эталону.

При оценке совпадения многомерных функций распределения признаков {тj}, }

необходимо учитывать взаимную и совместную независимость их одномерных значений, доказанную в [2]. Тогда при оценке расхождения многомерных функций распределения можно измерять расхождение для функций распределения каждой одномерной величины отдельно, а затем согласно изложенному выше методу определять максимальную величину расхождения dmax из массива расхождений di, ..., dp, полученных для каждой j-й одномерной величины. Например, для признакового пространства {тj} dmax = sup sup F3 (т j ) - F (т j ).

j Tj

По величине dmax можно определить согласно (1) уровень значимости и получить вероятностную оценку совпадения эталонной и эмпирической многомерных функций распределения.

Одномерные функции распределения для многомерных признаков могут быть вычислены на основе оценок условных плотностей вероятностей, выполняемых раздельно для одномерных величин признаков в соответствии с формулой [3], [5]

Г/

1-1 / о\-1

f ( Т j ) = nj ( n'j14 )

-1 nj Е

k=1

[aTV2n] exp (-2a2)

(T~Tkj)

-14 nj

где пу - число признаков в массиве данных; ат - среднеквадратическое отклонение измерений ту; Т]д - выборочные значения признака ту.

Таким образом, предложенным способом может быть выполнена количественная оценка совпадения законов распределения признаков искаженных ГС от идентифицируемой цели сложной формы с законами распределения эталонных значений признаков известных целей в диапазонах углов их облучения. При этом допустимо использовать только один эталонный закон распределения, но для построения эмпирической функции распределения требуется многократное облучение идентифицируемой цели.

Для оценки создаваемых искажений разработано третье правило идентификации целей на основе многомерных признаковых пространств, по которому для определенного диапазона углов облучения МПО (например, а = 5... 15°) для всех эхосигналов этого диа-

1 м

пазона вычисляется усредненное значение функций правдоподобия Ц : — ^ Ц ээ 0)_|,

м I =1

где М - количество сигналов, измеренных в указанном диапазоне.

Затем для каждого искаженного эхосигнала э и) вычисляется значение функции правдоподобия Ц [ э (I)] и значение апостериорной вероятности по формуле Байеса [3], [8], характеризующей вероятность распознавания цели по искаженному сигналу:

Н 0.75 0.5 0.25

^.....

0 1 2 3 4 5 т, мс

Н 0.75 0.5 0.25

0

,

Н 0.75 0.5 0.25

р = ь [ в 0 у |ь [ ^ (г)]+МI Ь Ь Ь )]|.

Задавая величину порога Рд (например, Рд = 0.5%), определяли число искаженных сигналов в массиве данных, для которых Р < Рд.

Результаты экспериментальных исследований. Проведенные модельные гидролокационные испытания показали, что изменения гидроакустических покрытий (установка и снятие покрытий, дополнительная установка покрытий на участках корпуса МПО) вызывает изменения наиболее информативного признакового пространства - временных положений максимумов {ту} в огибающих эхосигналов.

Гистограмма распределения положений существенных максимумов эхосигнала, полученная в эксперименте на модели, выполненной в масштабе 1:20, при ее облучении с углов 5...20°, при облицовке звукоизолирующим покрытием (рис. 7, б) существенно отличается от гистограммы, полученной в указанных условиях без покрытия модели (рис. 7, а). Переизлучение зондирующих импульсов с фазовыми сдвигами Дф = 90 (рис. 7, в) и 180° (рис. 7, г) внесло дополнительные искажения в это признаковое пространство и увеличило определенный по первому правилу процент отказов от соответствия искаженных сигналов неискаженному эталону по сравнению с применением только гидроакустических покрытий.

Результаты оценки эффективности создаваемых искажений с помощью звукоизолирующих покрытий (ЗИП) и переизлучения зондирующих импульсов по третьему правилу

0

,

Н 0.75 0.5 0.25

0

_1_

3

г

Рис. 7

,

Диапазоны углов лоцирования, о Режимы искажений при переизлучении зондирующих импульсов Искажения за счет ЗИП

А и, дБ

-12 -6 0

Аф,

180 140 90 180

Доля искаженных сигналов, для которых вероятность распознавания объекта составила Р < 0.5 %, от общего числа сигналов в массиве, %

5.20 60 85 100 100 95 90 80

20.35 95 90 100 90 95 90 90

35.50 85 90 100 90 80 100 55

50.65 53 85 100 90 75 100 100

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 6

идентификации приведены в таблице. Из нее следует, что достаточно эффективное искажение классификационной информации возникает даже при переизлучении зондирующих импульсов с уровнями AS = -6 и -12 дБ относительно уровней эхосигналов. Однако большее искажение (количество отказов от соответствия искаженных сигналов неискаженному эталону приближается к 100 % при апостериорной вероятности P < 0.5 %) наблюдалось при уровнях переизлучаемых сигналов, соизмеримых с уровнями эхосигналов.

Маскировка МПО, идущего со скоростью менее 3 узлов (скорости рыбных скоплений и других морских организмов), под реверберационную помеху исключает его узнаваемость и, следовательно, возможность обнаружения во всем диапазоне дальностей наблюдения. При скорости МПО более 3 узлов маскировка исключает его локализацию и существенно понижает вероятность поражения.

Метод переизлучения зондирующих импульсов отработан в аппаратуре, создающей в ложном направлении сигналы, подобные ГС МПО. Реализация этого метода не требует больших экономических и производственных затрат и может быть выполнена на любом объекте МПО, находящемся в эксплуатации.

Список литературы

1. Давыдов B. C. Алгоритм выявления существенных максимумов в огибающей сигнала // Модели, алгоритмы, принятие решений: Тез. 2-го Всесоюз. акуст. семинара. М.: АКИН, 1988. С. 65-66.

2. Давыдов B. C. Исследование статистических свойств импульсных последовательностей, обусловленных группой жестко связанных отражателей // Обработка акустической информации в многоканальных системах. Л.: Судостроение, 1988. Вып. 15. С. 41-45.

3. Давыдов В. С. Физико-математические основы многоальтернативного распознавания и идентификации гидролокационных полей тел сложной геометрической формы // Успехи физических наук. 2008. Т. 178, № 11. С. 1215-1219.

4. Давыдов В. С. Распознавание гидролокационных сигналов от морских подводных объектов сложной формы, перемещающихся в скрытных режимах, на фоне реверберационных помех // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 5. С. 34-43.

5. Давыдов В. С. Распознавание в гидролокации. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2005. 352 с.

6. Валеев В. Г., Вахрушев А. С. Эффективность некогерентной компенсации пассивных помех в когерентно-импульсных РЛС // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2010. Вып. 5. С. 55-60.

7. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. 445 с.

8. Левин Б. Р. Теоретические основы радиотехники. В 3 т. М.: Сов. радио, Т. 2. 1975. 392 с. Т. 3. 1976. 286 с. V. C. Davidov

Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"

The distortion of hydrolocation fields of submarine targets for the purpose of their camouflaging under a reverberation disturbance

Recommendations about masking of a hydrolocational field of sea underwater objects under the reverberation noise, developed on the basis of researches on multialternative classification of sea underwater objects and recognition of their hydrolocational signals against reverberation noises are presented. Examples of implementation of the developed rules of a performance evaluation of created distortions in modeling and nature conditions are resulted.

Camouflaging, reverberation, recognition, classification, hydrolocation signals

Статья поступила в редакцию 24 сентября 2010 г.