RU2694269C1

RU2694269C1 - Method for processing sonar information

Info

Publication number: RU2694269C1
Application number: RU2018122880A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Тимошенков; Станислав Алексеевич Смирнов
Original assignee: Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2019-07-11

Abstract

FIELD: hydroacoustics.

SUBSTANCE: invention relates to hydroacoustics and can be used in designing and developing active sonar systems for various purposes. Method for processing sonar information comprises emitting a signal, receiving a reflected echo signal with a fan of static directional characteristics, with formation of spatial channels, digital multichannel processing, display of an array of successive temporal realizations in a luminance mode over the propagation time in all spatial channels, for each detected echo, a spatial channel with a maximum echo signal amplitude is determined, determining distance D from time position of maximum amplitude, determining angular position Q₁ spatial characteristic, in which an echo signal is detected relative to the sonar motion direction, distance R₁ is determined to point of intersection with direction of movement of sonar R₁=D₁/cosQ₁, emitting second probing signal, measuring distance D₂ and angular position Q₂ by spatial characteristic, to which second probing signal is received, distance R is determined₂ to intersection point R₂=D₂/cosQ₂, own speed V_own is measured and distance d, traveled during time between first and second transmissions q=V(T₂-T₁), where T₂ and T₁ radiation times of the second and first probing signals, and a decision is made that reflection from the wire or cable is detected if R₂=R₁-V(T₂-T₁), and the meeting time T_meet=T₂+R₂\V_own.

EFFECT: method is proposed for processing of sonar information.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при проектировании и разработке систем активной гидролокации различного назначения.The invention relates to the field of underwater acoustics and can be used in the design and development of active sonar systems for various purposes.

Известна навигационная гидроакустическая станция освещения ближней обстановки (НГАС ОБО) по патенту РФ №2225991. Станция реализует следующую последовательность операций: излучение сигнала, прием эхосигнала, предварительную обработку, измерение параметров эхосигнала, определение классификационных признаков, измерение скорости звука, прослушивание сигнала шумоизлучения, классификацию целей по измеренным классификационным признакам и отображение на индикаторе.Known navigation sonar station lighting near the situation (NGAS OBO) for the patent of Russian Federation №2225991. The station implements the following sequence of operations: signal emission, echo reception, preliminary processing, measurement of echo parameters, determination of classification signs, measurement of the speed of sound, listening to a noise signal, classification of targets by measured classification indicators and display on the indicator.

Недостатком этого технического решения является то, что измерение параметров и принятие решения производится оператором по виду отображаемых отметок на яркостном индикаторе и для их интерпретации необходимо большое время.The disadvantage of this technical solution is that the measurement of parameters and decision-making is carried out by the operator according to the type of displayed marks on the luminance indicator and their interpretation requires a long time.

Известен способ обработки гидролокационной информации по патенту РФ №2529441, содержащий излучение сигнала, прием отраженного эхосигнала, формирование веера статических характеристик направленности, цифровая многоканальная обработка, отображение на индикаторе в яркостном виде всего массива обработки, определение порога, пороговое обнаружение эхосигнала, определение эхосигналов превысивших порог по всей шкале дистанции, формирования строба по каждому обнаружению, автоматическое определение классификационных признаков по каждому обнаружению, формирование банка классификации по каждой обнаруженной цели, и отображение на индикаторе табло результатов классификации.There is a method of processing sonar information on the patent of the Russian Federation No. 2529441, containing signal emission, reception of the reflected echo signal, forming a fan of static directivity characteristics, digital multichannel processing, displaying on the indicator in the brightness form of the entire processing array, determining the threshold, threshold echo detection, determining echoes exceeding the threshold across the whole distance scale, strobe formation for each detection, automatic determination of classification signs for each detection Aruzheniya, forming a classification bank for each detected target, and displaying the classification results on the indicator.

Недостатком данного технического решения является отсутствие автоматического обнаружения объектов и измерения параметров эхосигнала по визуальному отображению временных реализаций эхосигналаThe disadvantage of this technical solution is the lack of automatic detection of objects and measurement of parameters of the echo signal by the visual display of temporary implementations of the echo signal

Известен гидролокационный способ обнаружения подводных объектов в контролируемой акватории по патенту РФ №2242021, содержащий облучение водного пространства, прием эхосигналов, фильтрацию и отображение на экране двухкоординатного индикатора, который формирует трассы, образованные яркостными отметками и по наклону трасс производит классификацию объектов.Known sonar method for detecting underwater objects in a controlled area by RF patent No. 2222021, containing irradiation of water space, receiving echo signals, filtering and displaying on the screen a two-coordinate indicator that forms traces formed by brightness marks and by slope of traces produces a classification of objects.

По количеству общих признаков этот способ является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения и может быть выбран в качестве прототипа.By the number of common features, this method is the closest analogue of the present invention and can be selected as a prototype.

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет обнаруживать и классифицировать подводные кабели небольшого диаметра.The disadvantage of this method is that it does not allow to detect and classify submarine cables of small diameter.

Как правило, оператору предоставляется отображение от всех целей в виде ярких точек, разной интенсивности по всем пространственным каналам и по всей шкале дальности на индикаторе обнаружения, и оператор должен выбрать цель по виду яркостной отметки. Пороговое обнаружение эхосигнала цели и классификация по некоторым классификационным признакам для известных целей не обеспечивают требуемой достоверности классификации в условиях априорной неопределенности. Визуальная информация по изменению амплитуды по времени и по пространству структуры эхосигнала, которая может быть использована оператором для классификации эхосигнала от кабеля малого диаметра, не всегда может быть достоверно обработана.As a rule, the operator is provided with a display from all targets in the form of bright dots, of varying intensity across all spatial channels and throughout the range scale on the detection indicator, and the operator must choose a target based on the type of brightness mark. Threshold echo detection of the target and classification according to some classification criteria for known purposes do not provide the required accuracy of the classification under conditions of a priori uncertainty. Visual information on the change in amplitude by time and space of the echo structure, which can be used by the operator to classify the echo signal from a small-diameter cable, cannot always be reliably processed.

Задачей изобретения является повышение достоверности автоматического обнаружения и классификации эхосигналов от кабелей в неизвестных условиях.The objective of the invention is to increase the reliability of automatic detection and classification of echo signals from cables in unknown conditions.

Технический результат заключается в обеспечении автоматического обнаружения кабеля и определения его пространственного положения относительно направления движения гидролокатора.The technical result is to provide automatic detection of the cable and determine its spatial position relative to the direction of movement of the sonar.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что в способ обработки гидролокационной информации, содержащий излучение сигнала, прием отраженного эхосигнала сформированным веером статических характеристик направленности, с образованием пространственных каналов, цифровую многоканальную обработку, отображение массива последовательных временных реализаций в яркостном виде за все время распространения по всем пространственным каналам, введены новые операции, а именно по каждому обнаруженному эхосигналу, определяют пространственный канал с максимальной амплитудой эхосигнала, определяют дистанцию Д₁ по временному положению максимальной амплитуды, определяют угловое положение Q₁ пространственной характеристики, в которой обнаружен эхосигнал относительно направления движения гидролокатора, определяют дистанцию R₁ до точки пересечения с направлением движения гидролокатора R₁=Д₁/cosQ₁, излучают второй зондирующий сигнал, измеряют дистанцию Д₂ и угловое положение Q₂ по пространственной характеристике, на которую принят второй зондирующий сигнал, определяют дистанцию R₂ до точки пересечения с направлением движения гидролокатора по второму зондирующему сигналу R₂=Д₂/cosQ₂, измеряют собственную скорость V_соб и расстояние д, проходимое за время между первой и второй посылками д=V/(Т₂-Т₁), где Т₂ и T₁ времена излучения второго и первого зондирующих сигналов, и принимают решение, что обнаружено отражение от кабеля, если R₂=R₁-V(T₂-Т₁), а время встречи T_встр до точки пересечения проекции траектории гидролокатора с отражающим кабелем определяется выражением Т_встр=Т₂+R₂\V_соб.The achievement of the technical result is ensured by the fact that in the method of processing sonar information containing signal radiation, receiving a reflected echo signal generated by a fan of static directional characteristics, with the formation of spatial channels, digital multi-channel processing, displaying an array of consecutive time realizations in the brightness channels, introduced new operations, namely for each detected echo signal, determine the space The channel with the maximum amplitude of the echo signal, determine the distance D ₁ by the temporary position of the maximum amplitude, determine the angular position Q _{1 of the} spatial characteristic in which the echo signal is detected relative to the direction of motion of the sonar, determine the distance R ₁ to the point of intersection with the direction of motion of the sonar R ₁ = D ₁ / cosQ ₁ , emit the second probe signal, measure the distance D ₂ and the angular position Q ₂ according to the spatial characteristic, to which the second probe signal is received, determine t distance R ₂ to the point of intersection with the direction of movement of the sonar on the second probing signal R ₂ = D ₂ / cosQ ₂ , measure its own speed V _comp and the distance e, the passage between the first and second parcels d = V / (T ₂ -T _1), wherein T ₂ and T ₁ time of the first radiation and the second probing signals, and decide that the detected reflection from the cable, if R ₂ = R ₁ -V (T ₂ -T ₁₎ and the meeting time T _shaken until point crossing the projection path with a reflective sonar cable is given by T = _Br ₂ + R T ₂ \ V _GSS.

Поясним физическую сущность изобретения. Объекты, которые могут быть обнаружены гидролокатором, имеют различные физические характеристики. Как правило, подводные кабели располагаются на дне, что обеспечивает их безопасность. Эхосигналы от этих объектов будут отличаться по своим амплитудным, пространственным и временным характеристикам от прочих объектов. Поскольку кабели имеют малый диаметр, их эквивалентный радиус мал, а отражательная способность обеспечивается отражением зондирующего сигнала от кривизны цилиндрической поверхности кабеля, направленной по нормали относительно направления падения зондирующего сигнала. Для обнаружения эхосигнала от такого кабеля следует использовать многоканальный прием эхосигнала статическим веером характеристик направленности, что обеспечивает пространственную селекцию обнаруженных объектов по всем пространственным каналам. Если характеристики направленности достаточно узкие, то эхосигнал от объекта, может находиться только в одном пространственном канале, поскольку только в одном узком направлении будет формироваться индикатриса рассеяния по нормали от кривизны цилиндрического кабеля малого диаметра. По другим направлениям эхосигнал будет рассеиваться, и уровень эхосигнала в соседних пространственных каналах будет мал. Эта физическая особенность отражения от тонкого отражателя, имеющего четко выраженную точку отражения по нормали, обеспечивает обнаружение когерентного эхосигнала только в одном пространственном канале. (Е.А. Штагер, Е.В. Чаевский «Рассеяние волн на телах сложной формы» М. Сов. Радио, 1974 г.) Однако, в окружающей акватории всегда имеются случайные отражатели, ориентированные по нормали относительно других характеристик направленности. Для того, что бы отсеять эти случайные отражатели от детерминированного протяженного цилиндрического отражателя, которым является кабель, заключенный в отражающую оболочку, можно воспользоваться последовательностью эхосигналов подвижного гидролокатора. Гидролокатор движется прямолинейно с постоянной скоростью, поэтому два последовательных эхосигнала будут связаны линейной зависимостью. Измеряется время излучения Т₁ и время приема эхосигнала Т_1эхо, определяется дистанция по первому эхосигналу Д₁, определяется угол пространственной характеристики относительно направления движения Q₁ и определяется дистанция R₁ до точки пересечения направления движения и направления расположения отражающего кабеля R₁=Д₁\cosQ₁. По второй посылке так же измеряется время излучения Т₂ и время приема эхосигнала Т_2эхо, определяется дистанция по первому эхосигналу Д₂, определяется угол пространственной характеристики относительно направления движения Q₂ и определяется дистанция R₂ до точки пересечения направления движения и направления расположения отражающего кабеля R₂=Д₂\cosQ₂. Измеряется собственная скорость движения V_соб и определяется расстояние проходимое гидролокатором за время между излучением зондирующих сигналов д=(Т₂-T1)Vсоб. Поскольку гидролокатор движется линейно и равномерно, то должно соблюдаться равенство (R₁-R₂)=(Т₂-T1)Vсоб, а время до точки пересечения проекции траектории движения гидролокатора с отражающим кабелем определяется по формуле Т_встр=Т₂+R₂\Vсоб.Explain the physical nature of the invention. Objects that can be detected by a sonar have different physical characteristics. As a rule, submarine cables are located at the bottom, which ensures their safety. The echoes from these objects will differ in their amplitude, spatial and temporal characteristics from other objects. Since the cables have a small diameter, their equivalent radius is small, and the reflectivity is ensured by the reflection of the probing signal from the curvature of the cylindrical surface of the cable, directed normal to the direction of incidence of the probing signal. To detect the echo signal from such a cable, one should use a multichannel echo signal reception with a static fan of the directional characteristics, which ensures the spatial selection of the detected objects across all spatial channels. If the directivity characteristics are rather narrow, then the echo signal from the object can be only in one spatial channel, since only in one narrow direction the scattering indicatrix will be formed along the normal from the curvature of the cylindrical cable of small diameter. In other directions, the echo signal will be scattered, and the echo level in the adjacent spatial channels will be small. This physical feature of reflection from a thin reflector having a clearly defined reflection point along the normal provides detection of a coherent echo signal in only one spatial channel. (E.A. Stager, E.V. Chaevsky “Scattering of waves on bodies of complex shape” M. Sov. Radio, 1974) However, in the surrounding water area there are always random reflectors oriented along the normal with respect to other directivity characteristics. In order to weed out these random reflectors from a deterministic extended cylindrical reflector, which is a cable enclosed in a reflective sheath, you can use a series of echoes of a movable sonar. The sonar moves straight at a constant speed, so two consecutive echoes will be connected by a linear relationship. The emission time T ₁ and the echo reception time T _1eho are measured, the distance is determined by the first echo D ₁ , the angle of the spatial characteristic relative to the direction of movement Q ₁ is determined, and the distance R ₁ to the point of intersection of the direction of movement and the direction of the reflecting cable R ₁ = D ₁ \ cosQ ₁ . According to the second assumption also measured during the radiation T ₂ and time of receipt of the echo signal T _2eho determined distance by the first echoes D _2, defined angle spatial characteristics relative to the direction of movement Q ₂ and is defined by the distance R ₂ to the intersection point of the direction of movement and the direction of arrangement of the reflecting cable R ₂ = D ₂ \ cosQ ₂ . Measured own speed of movement V _comp and determine the distance traveled by the sonar for the time between the radiation of the probing signals d = (T ₂ -T1) V comp. As the sonar moves linearly and uniformly, the equation must be satisfied (R ₁ -R ₂₎ = _(T2 -T1) Vsob, and the time until the projection point trajectory intersection with a reflective sonar cable is determined by the formula T = _Br ₂ + R T ₂ \ Vsob.

Сущность изобретения поясняется фиг 1, на которой представлена блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способ.The invention is illustrated Fig 1, which presents a block diagram of a device that implements the proposed method.

На фиг. 1 гидролокатор 1 с приемным устройством и системой формирования характеристик направленности (СФХН) приемной антенны последовательно соединен со спецпроцессором 2, в состав которого входят последовательно соединенные многоканальный блок 3 обнаружения эхосигнала и измерения времени прихода эхосигналов Т_эхо, блок 4 измерения курсовых углов Q₁, Q₂, индикатор 5 и система 6 управления, выход которой соединен с гидролокатор 1. Также спецпроцессор 2 содержит последовательно соединенные блок 7 измерения времен излучения, блок 8 определения дистанции Д₁, Д₂ и блок 9 определения расстояний R₁, R₂, и времени точки встречи Т_встр. Второй выход гидролокатора 1 через блок 7 измерения времен излучения, через блок 8 определения дистанции Д₁, Д₂, через, блок 9 определения расстояний R₁, R₂, и времени точки Т_встр, соединен со вторым входом блока 5 индикатора. Второй выход блока 4 соединен со вторым входом блока 9, на третий вход которого поступает сигнал с блока 10 измерителя собственной скорости. Второй выход блока 3 соединен со вторым входом блока 8.FIG. 1 sonar 1 with a receiving device and a directivity characteristics forming system (SFHN) receiving antenna is serially connected to a special processor 2, which consists of a series-connected multi-channel echo signal detection unit 3 and echo arrival time echoes T _echo , unit 4 measuring course angles Q ₁ , Q _2, the LED 5 and the control system 6, the output of which is coupled to the sonar 1. also special processor 2 comprises a series-connected unit 7 radiation measurement times determining unit 8 kyanite tion D _1, D _2, and determination unit 9 distances R _1, R _2, and meeting time point T _Br. The second output of the sonar unit 1 through 7 radiation measurement times determining unit 8 through the distance D _1, D _2, through block 9 determines distances R _1, R _2, and the time point T _shaking, connected to a second input of the indicator 5. The second output of block 4 is connected to the second input of block 9, the third input of which receives a signal from block 10 of the intrinsic velocity meter. The second output of block 3 is connected to the second input of block 8.

Гидролокатор 1 с приемным устройством и системой формирования характеристик направленности являются известными устройствами, которые широко используются на современных судах. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт-Петербург «Наука» 2004 г. стр. 92) В настоящее время практически вся гидроакустическая аппаратура выполняется на спецпроцессорах, которые преобразуют акустический сигнал в цифровой вид и производят в цифровом виде формирование характеристик направленности, многоканальную обработку и обнаружение сигнала, а также корреляционную обработку и процедуры анализа временных реализаций. Эти все вопросы разработки и применения спецпроцессоров достаточно подробно рассмотрены в литературе по цифровой обработке. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника» Санкт-Петербург «Наука»2004 г. стр. 281). Эти же процедуры измерения и обработки могут быть реализованы на современных компьютерах, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. (А.Б. Сергиенко Цифровая обработка сигналов СПб. «БХВ - Петербург» 2011 г).Sonar 1 with a receiver and a system for forming the characteristics of the directivity are known devices that are widely used on modern ships. (Yu.A. Koryakin, S.A. Smirnov, G.V. Yakovlev “Shipborne sonar equipment” St. Petersburg “Nauka”, 2004, p. 92) At present almost all sonar equipment is performed on special processors that convert acoustic the signal is in digital form and produces in digital form the formation of the characteristics of directivity, multichannel processing and signal detection, as well as correlation processing and time-domain analysis procedures. All these issues of development and use of special processors are discussed in sufficient detail in the literature on digital processing. (Yu.A. Koryakin, S.A. Smirnov, G.V. Yakovlev "Shipborne sonar equipment" St. Petersburg "Science" 2004, p. 281). The same measurement and processing procedures can be implemented on modern computers that implement Matlab, Matsard, and others computational programs (A. B. Sergienko. Digital signal processing in St. Petersburg. BHW-Petersburg 2011).

Измерители собственной скорости ЛАГИ являются известными устройствами, которые выпускаются серийно и достаточно подробно описаны в отечественной литературе. Они представляют собой отдельный специальный гидролокатор, рассмотренный в книге А.В. Богородский, Д.Б. Островский «Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства». СПб, 2009 г. Там же рассмотрены вопросы измерения курсового угла обнаруженного объекта относительно направления движения гидролокатора.Self-speed meters LAGI are known devices that are commercially available and are described in sufficient detail in the domestic literature. They represent a separate special sonar, considered in the book A.V. Bogorodsky, D.B. Ostrovsky "Hydroacoustic navigation and search and survey tools." St. Petersburg, 2009 There are also considered the issues of measuring the course angle of the detected object relative to the direction of movement of the sonar.

Реализация способа с помощью предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. С блока 6 управления поступает команда на излучение сигнала гидролокатором 1. Время излучения сигнала T₁ и Т₂ через спецпроцессор 2 и передается в блок 8 определения дистанции. Отраженные эхосигналы принимаются приемником гидролокатора 1 и системой формирования характеристик направленности и передаются через спецпроцессор 2 в блок 3 многоканальной обработки для определения времени прихода эхосигналов T_1эхо и Т_2эхо. Измеренное время прихода эхосигналов передается в блок определения дистанции 8 для определения дистанций Д₁ и Д₂ и в блок 4 определения курсового угла Q₁ и Q₂ цели относительно направления движения гидролокатора. Измерение дистанции Д₁ и Д₂ и времен излучения Т₁ и Т₂ и обнаружения эхосигналов T_1эхо и Т_2эхо являются известными операциями, которые производятся в любом гидролокаторе и в прототипе по своему прямому назначению. Измеренные курсовые углы передаются в блок определения расстояний R₁ и R₂, а так же определения времени точки встречи Т_встр движущегося гидролокатора с обнаруженным кабелем. На третий вход блока 9 поступает информация о собственной скорости V_соб для идентификации измеренных оценок дистанции. С выхода блока 9 измеренные параметры передаются на индикатор 5 для отображения. При этом на индикаторе отображается результаты измерения, класс обнаруженного объекта и положение точки пересечения проекции траектории движения, и направление расположения обнаруженного кабеля.The implementation of the method using the proposed device is as follows. From the control unit 6, a command is received for signal emission by the sonar 1. The emission time of the signal T ₁ and T _{2 is} through the special processor 2 and is transmitted to the distance determination unit 8. Reflected echo signals are received by the sonar receiver 1 and the directionalization system and transmitted via a special processor 2 to the multi-channel processing unit 3 to determine the arrival time of the echoes T ₁ echo and T _{2 echo} . The measured arrival time of the echo signals is transmitted to the block for determining the distance 8 to determine the distances D ₁ and D ₂ and to block 4 for determining the course angle Q ₁ and Q ₂ targets relative to the direction of movement of the sonar. The measurement of the distance D ₁ and D ₂ and the emission times T ₁ and T ₂ and the detection of echoes T ₁ echo and _Ti ₂ echo are known operations that are performed in any sonar and in the prototype for their intended purpose. The measured angles of course transmitted to the determining unit distances R ₁ and R ₂ as well as determine the time of the meeting point T _shaken with a moving sonar detection cable. The third input of block 9 receives information about its own speed V _comp to identify the measured distance estimates. From the output of block 9, the measured parameters are transmitted to the indicator 5 for display. In this case, the indicator displays the measurement results, the class of the detected object and the position of the intersection point of the projection of the motion path, and the direction of the location of the detected cable.

Таким образом, предлагаемый способ обработки гидролокационной информации позволит предоставлять оператору информацию о наличии обнаруженного кабеля, идентифицировать его по нескольким посылкам и определять расстояние до точки пересечения гидролокатора с кабелем и время до точки встречи.Thus, the proposed method of processing sonar information will provide the operator with information about the presence of the detected cable, identify it by several premises and determine the distance to the point of intersection of the sonar cable and the time to the meeting point.

Claims

The method of processing sonar information containing the signal radiation, receiving the reflected echo signal generated by a fan of static directivity characteristics, with the formation of spatial channels, digital multi-channel processing, displaying an array of consecutive time realizations in the brightness for the entire propagation time through all spatial channels, characterized in that the detected echo signal is determined by the spatial channel with the maximum amplitude of the echo signal; iju A temporary position of maximum amplitude, determine the angular position of Q ₁ of the spatial characteristics, wherein the detected echo signal with respect to the direction of movement sonar determined distance R ₁ to the point of intersection with the direction of movement of the sonar R ₁ = D ₁ / cosQ ₁ emit a second probe signal, measure the distance D ₂ and the angular position of Q ₂ by the spatial characteristic to which the second probe signal is received, determine the distance R ₂ to the point of intersection with the direction of movement of the sonar on the second probing signal R ₂ = D ₂ / cosQ ₂ , measure its own speed V _comp and the distance d traveled between the first and second premises d = V (T ₂ -T ₁ ), where T ₂ and T _{1 are the} times of radiation of the second and the first sounding signal, and decide that the detected reflection from the cable, if R ₂ = R ₁ -V (T ₂ -T ₁₎ and the meeting point T _shaken before crossing the projection path with a reflective sonar cable is given by T = _Br T ₂ + R ₂ \ V _sob .