Код документа: RU2623831C1
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в пассивной гидролокации в зоне излучения источника с круговым (сферическим, цилиндрическим) волновым фронтом, а также в атмосферной акустике и пассивной радиолокации.
Известен способ определения угла прихода плоской волны движущегося источника двухканальной приемной системой [1, с. 139]. Этот способ имеет целью устранение известного недостатка статического накопления за заданное время Тн в схеме измерения направления на движущийся источник и/или с подвижном носителя приемной системы, который приводит к ошибкам определения координат, зависящим от скорости относительного перемещения источника и приемников. Для этого используются измерительные устройства, содержащие дискриминаторы измеряемого параметра и динамические сглаживающие устройства. В данном способе используют приемную систему из двух антенн или антенну со сформированными на ней двумя каналами с фазовыми центрами, разнесенными на расстояние dф (например, две половины антенны). Оба канала компенсируют (фазируют) независимо, но в одном назначенном опорном направлении αоп.
Для определения искомого неизвестного направления αs по сигналам обоих каналов измеряют величину отклонения опорного направления αоп от искомого неизвестного αs, а потом корректируют опорное направление на величину измеренного отклонения. Для этого используют взаимный спектр плотности мощности (ВСПМ) сигналов, принятых антеннами, и определяют выходную величину «канала измерения» с1 пропорциональную угловому отклонению δα=αs-αоп, и выходную величину «канала нормирования» с2. Далее определяют «малоосредненную» оценку δα угла отклонения δα=αs-αоп в соответствии с выражением:
Недостатком данного способа является то, что, во-первых, в нем используют информацию только двух приемных каналов, в то время как пассивное определение координат по кривизне волнового фронта в круговом поле возможно лишь при М≥3, во-вторых, он может быть использован только для определения одной координаты: угла прихода сигнала с плоским волновым фронтом, в то время как пассивная локация в принципе работает в зоне со сферическим или цилиндрическим фронтом и ее целью является определение и направления, и дальности, в общем случае также и угла места.
Для определения координат источника излучения, в том числе дальности, при приеме сигнала с круговым (сферическим, цилиндрическим) волновым фронтом этот метод не может быть использован.
Наиболее близким по совокупности общих признаков к предлагаемому способу является «Способ пассивного определения координат источников излучения» [3], содержащий прием сигналов с круговым волновым фронтом приемной системой (ПС) из М антенн (М≥3), расположенных в пространстве известным образом, синхронную дискретизацию, цифровое преобразование, циклическое дискретное преобразование Фурье (ДПФ) выборок сигналов антенн объемом NПФ в массивы спектральных частотных отсчетов Xm(ƒk) в полосе приема ƒн≤ƒk≤ƒв, индикатор с координатной сеткой размером P×Q, с интервалом между ее узлами δα и δD соответственно. В каждом pq-м узле координатной сетки определяют разности времен прихода сигнала τmn(αp,Dq) от точки в пространстве с координатами этого узла αр, Dq к центрам каждой mn-й пары антенн и весовые коэффициенты wαmn(αp,Dq) и wDmn(αp,Dq), равные производным ∂τmn(αp,Dq)/∂α и ∂τmn(αp,Dq)/∂D соответственно. По сигналам с выходов всех mn-х пар антенн определяют взаимно корреляционные функции Сmn(τ), используя сначала определение взаимных спектров плотности мощности (ВСПМ) и обратное преобразование Фурье, и в координатной сетке индикатора в каждом pq-м узле выводят суммарные по индексу mn значения попарных взаимно корреляционных функций Сmn(τmn(αр, Dq)) всех mn-х пар антенн с весовыми коэффициентами wαmn(αp,Dq) и wDmn(αp,Dq) соответственно, накопленные за заданное время Тн так, как если бы источник и ПС были неподвижны, и определяют координаты максимума сигнальной отметки на индикаторе α и D по ее положению на координатных шкалах индикатора.
Недостатком данного способа является то, что в нем используется статическое накопление, жестко привязанное к координатной сетке индикатора, и при движущемся источнике и/или носителе приемной системы и большом времени накопления Tн возникают значительные динамические ошибки определения координат из-за инерционности накопителя, зависящие от скорости относительного перемещения источника и приемников.
Задачей изобретения является пассивное определение координат М антенной приемной системой в зоне Френеля движущегося источника излучения без инерционных ошибок определения координат, зависящих от скорости относительного перемещения источника и приемников.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения координат движущегося источника излучения без ошибок, зависящих от скорости относительного перемещения источника и приемников при произвольном количестве антенн (М≥3) и при произвольном, известном их размещении в пространстве, причем при увеличении количества антенн М>3 преимущества предлагаемого способа увеличиваются.
Для обеспечения указанного технического результата в способ пассивного определения координат источников излучения, содержащий прием сигналов М антеннами, М≥3, расположенными в пространстве известным образом, синхронную дискретизацию, цифровое преобразование, циклическое дискретное преобразование (ДПФ) выборок сигналов антенн объемом NПФ в массивы спектральных частотных отсчетов Xm(ƒk) в полосе приема ƒн≤ƒk≤ƒв (преобразование Фурье), индикацию результатов обзора на координатной сетке «направление-дальность» с определением максимума сигнальной отметки α0, D0 по ее положению на координатных шкалах индикатора обзора, введены следующие новые признаки.
Для определения текущих координат αs(t), Ds(t) движущегося источника с реализацией необходимого заданного времени осреднения оценок Tн без потери точности из-за инерционности устройства статического осреднения используют временные последовательности предварительных малоосредненных оценок координат αi*, Di*, (i=1, 2, …, I), заданного объема I(Тн), при получении которых на каждом i-м шаге используют малое статическое осреднение - один или несколько циклов ДПФ: j=1, 2, …, J, за время которых изменением измеряемых координат можно пренебречь, а требуемое время осреднения Тн достигается путем дальнейшего динамического сглаживания полученных последовательностей.
Для определения αi*, Di* на каждом i-м шаге последовательности назначают опорную точку (ОТ) с координатами предполагаемого местоположения источника αопi, Dопi и по принятым антеннами сигналам определяют оценки отклонения δαi, δDi координат ОТ от искомых текущих координат αs(ti), Ds(ti) источника соответственно, для чего фазируют каждую m-ю антенну в направлении αmопi от ее центра на ОТ, определяя это направление по формулам тригонометрии с использованием координат ОТ αопi, Dопi и известных координат центров антенн. Формируют mn-е пары антенн, с m, n=1, …, М, при m
Для получения отклонения δαi направления на назначенную ОТ αопi от искомого текущего направления αs(ti), на каждом j-м цикле ДПФ определяют комплексные взаимные спектры плотности мощности (ВСПМ) сигналов всех Мп пар антенн и суммируют по частоте ƒk мнимые части ВСПМ каждой mn-й пары антенн в полосе приема [ƒн, ƒв] с умножением каждого слагаемого на коэффициент частотной характеристики hk, на частоту ƒk и на коэффициент еkmni компенсации разности времен распространения сигнала от ОТ к центрам антенн каждой mn-й пары - τmni(αопi, Dопi), определяя эту разность по формулам тригонометрии с использованием координат ОТ i-го шага, координат центров антенн и скорости распространения сигнала с:
ekmni(τmni(αопi,Dопi))=exp(-j2πƒk(tmопi-tnопi)), где tmопi, tnопi - время распространения сигнала от ОТ к центрам m-й и n-й антенн соответственно.
В результате получают для каждой mn-й пары суммарные величины c1mnjj j-го цикла ДПФ на i-м шаге.
Затем суммируют по частоте ƒk вещественные части ВСПМ с умножением каждого слагаемого на hk, на коэффициент компенсации ekmni и на квадрат частоты ƒk2, получая для каждой пары суммарную величину c2mnij.
Затем определяют оценку δαij j-го цикла на i-м шаге, для чего суммируют по индексу mn величины c1mnij с весовыми коэффициентами wαmni, равными производной по α разности времен распространения
Для определения малоосредненной оценки отклонения δDij на j-м цикле ДПФ i-го шага, используя Мп нечетных попарных взаимно корреляционных функций (НВКФ) сигналов антенн
В начале формирования последовательностей малоосредненных оценок α*i и D*i получение динамически сглаженных оценок по I шагам начинают со второго шага, i=2 и далее, полагая на каждом последующем шаге I=i вплоть до i=I(Tн), после чего объем последовательности фиксируется I=I(Tн) - установившийся режим, добавляя в последовательности на каждом шаге новые значения и забывая самые старые, а процедура сглаживания выполняется на каждом i-м шаге по последовательности предыдущих I(Тн) шагов малоосредненных оценок.
Для динамического сглаживания используют известные методы, например метод наименьших квадратов определения параметров последовательности фиксированного размера I, с определением производных и прогнозом по времени, либо рекуррентными методами.
Введение новых признаков позволяет повысить точность определения координат движущегося источника излучения пассивной приемной системой путем уменьшения ошибок, связанных с «инерционностью» статического осреднения, зависящих от скорости относительного перемещения источника и приемников.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1-6, где обозначено:
Фиг. 1 Геометрическая схема системы «источник-антенны» для ПС из 3-х антенн; Фиг. 2 Пример блок-схемы устройства, реализующего предлагаемый способ; Фиг. 3 Схема блока определения отклонения по направлению опорной точки от искомой текущей координаты и малоосредненной оценки направления; Фиг. 4 Схема блока определения отклонения по дальности опорной точки от искомой текущей координаты и малоосредненной оценки дальности; Фиг. 5 Типичные графики: a - фрагмент величины c1i(α-αоп), пропорциональной отклонению по направлению δαij в пределах линейного участка, отмеченного пунктирными линиями, б - фрагмент рабочего участка величины z(D-Dоп) в функции отклонения от Dоп; Фиг. 6 Индикаторная картина обзора известного устройства [3] в координатах направление-дальность с сигнальной отметкой (a), ее максимумом (α0, D0), трассой динамического сглаживания двух координат движущегося источника по предлагаемому способу (б), и графиками величин, пропорциональных текущему отклонению от ОТ по направлению с1(α) (в - под картиной) и по дальности z(D) (г - справа от картины).
Принцип действия предлагаемого изобретения можно пояснить на примере двухкоординатной задачи с тремя линейно расположенными антеннами А1, А2, А3, как показано на схеме Фиг. 1, где приведено изображение геометрии системы «источники-приемники» при локации источника в поле наблюдения «направление (α) - дальность (D)», когда источники и приемники находятся в одной плоскости на одной линии. За начало координат принята точка расположения центра центральной антенны А2. Антенны расположены на оси x с известными координатами l1, l2=0, l3, тогда L1, L2, L3 - траектории сигнала от источника S к антеннам А1, А2, А3 соответственно. Тогда попарные разности времен распространения сигнала τmn к каждой m-й антенне и каждой другой n-й антенне (здесь m, n=1, 2, 3) из точки поля наблюдения с координатами αS, DS равны: τ12(αS, DS)=(L1-L2)/c, τ13(αS, DS)=(L1-L3)/с, τ23(αS, DS)=(L2-L3)/с, где с - скорость распространения сигнала. В более общем случае - произвольного расположения антенн в пространстве, координаты их центров представлены вектором:
Предложенный способ может быть реализован с помощью устройства, представленного на фиг. 2-4. Устройство (фиг. 2) содержит известные элементы и блоки по предлагаемому способу: приемную систему 1 из М антенн 1.1÷1.М, блок фазирования 2 (известными методами предварительной обработки и формирования направленности антенн), блоки определения малоосредненных оценок координат 3 и 4 (по предлагаемому способу, пп. 2 и 3 Формулы), блок динамического сглаживания 5 (программируемый процессор), вычислитель 6 (программируемый процессор) и блок управления 7 (программируемый контроллер).
Блок 1 включает М антенн, а также элементы предварительной обработки, управляемые из блока 7: синхронную дискретизацию с частотой F∂, цифровое преобразование, циклическое дискретное преобразование Фурье (ДПФ) выборок объема NДПФ сигналов с выходов антенн.
Блок 2 включает модуль 2.1 фазирования антенн в направлениях от центра антенны на опорную точку (ОТ) αmопi, m=1÷М, и модуль 2.2 формирования mn-х пар антенн и определения комплексных взаимных спектров плотности мощности (ВСПМ) их сигналов.
Пример реализации блока 3 оценки отклонения ОТ от искомого направления и малоосредненной оценки координаты
В блоке 4 определяется отклонение по дальности опорной точки от искомой дальности и формируется малоосредненная оценка координаты
В блоке 5 выполняется динамическое сглаживание малоосредненных оценок координат
В качестве примера реализации динамического сглаживания приведем простой вариант определения двух параметров последовательности измерений объема I: сглаженного значения на момент последнего измерения, производной и прогноза на следующий шаг последовательности. Данными для сглаживания является последовательность Y=[Y1, Y2, … YI] объема I. Сглаженное значение и производная на i-м шаге, обозначим их θi и
Прогноз значения Y на следующий (i+1)-й шаг:
В блоке 6 (программируемый процессор) с управлением из блока 7 вычисляются необходимые текущие данные: направления фазирования антенн αmопi, разности времен распространения сигнала от ОТ к центрам каждой пары антенн τmni, коэффициентов компенсации еkmni и весовых коэффициентов wαmni и wDmni. В качестве иллюстрации приведем расчет τmn и wα, wD на простом примере. Если lm и ln - координаты центров m-й и n-й антенн относительно начала координат, расположенного в центре базы и в центре антенны А2, как на фиг. 1, то для траверзного расположения источника α=0 разность времен распространения τmn от источника до этих приемников и производные по направлению ∂τmn/∂α=wαmn и дальности ∂τmn/∂D=wDmn, имеют простой вид:
τmn=1/c⋅(Lm-Ln), где
где с - скорость распространения сигнала в среде.
В общем случае - трехкоординатной задачи: «азимут, угол места, дальность» [α, θ, D], действия выполняются аналогично описанным ниже для любой пары координат при фиксированном значении третьей координаты: [α, θ, D=const], [α, D, θ=const], [θ, D, α=const]. Выбор фиксированного значения третьей координаты определяется конкретным применением: либо оно известно по условиям задачи, либо задается рядом значений с переключением с одного на другое, либо задача решается параллельно для нескольких заданных значений, например, для веера характеристик направленности в вертикальной или горизонтальной плоскости, последовательности значений одной из координат и пр.
Блок 7 (программируемый контроллер) - блок управления синхронным АЦП, циклами ДПФ, формированием последовательностей малоосредненных оценок и динамическим сглаживанием.
С помощью рассмотренного устройства предложенный способ осуществляется следующим образом. В начальный момент i=1 последовательного определения текущих координат источника назначают опорную точку (ОТ) - место предполагаемого расположения источника, используя данные обзора (см., например, [3]) или других средств наблюдения. Все антенны (блок 1) фазируют в направлении на эту точку в блоке 2, где также формируют их выходы в Мп=(М2-М)/2 пар с неповторяющимися индексами mn и на каждом j-м цикле ДПФ определяют их ВСПМ.
В блоке 3 определяют величину отклонения δαi направления на ОТ αопi от искомого текущего направления на источник αs(ti), фиг. 5,а, для чего в блоке 3.1 суммируют по частоте мнимые части ВСПМ с умножением на hk, ƒk ekmni, а в блоке 3.2 суммируют по индексу mn с умножением на весовой коэффициент wαmni, получая величину с1ij, пропорциональную искомому отклонению. В блоке 3.3 суммируют по частоте вещественные части ВСПМ с умножением на hk, ƒk2, ekmni, а в блоке 3.2 суммируют по индексу mn с умножением на весовой коэффициент wαmni, получая нормирующую величину c2ij, в результате чего в блоке 3.5 получают оценку отклонения направления на j-м цикле ДПФ i-го шага δαij, которую осредняют по заданному числу J циклов ДПФ (3.6), получая малоосредненную оценку отклонения δαi (3.6). Корректируя направление на опорную точку на величину δαi (блок 3.7), получают малоосредненную оценку направления i-го шага
Определяют величину отклонения δDi, дальности до ОТ Dопi от искомой текущей дальности до источника
При достижении условия
Полученные на i-м шаге малоосредненные оценки
Фиг. 5 поясняет метод определения отклонения направления на ОТ αоп от искомого неизвестного направления δα: (а) - график величины c1(α-αопi, Dопi) в зависимости от α-αопi с линейным участком (обозначенным пунктирными линиями), в пределах которого δα определяется путем деления c1(αi)/c2(αi), более полно этот график показан на фиг. 6в; (б) - фрагмент графика величины z(D-Dопi, αопi), отстояние нулевого значения которой на шкале D от Dопi соответствует оценке δD отклонения ОТ от искомой точки Ds, более полно этот график показан на фиг. 6,г.
Работоспособность предлагаемого способа подтверждена моделированием и экспериментами [5]. В качестве примера на фиг. 6 показана индикаторная картина по известному устройству [3] в координатах направление - дальность [α=25°-30°, D=500-3000 м] с сигнальной отметкой (1) с координатами α0, D0, трассой динамического сглаживания координат движущегося источника излучения (2) и графиками c1(α, D0), под картиной и z(D, α0), справа от картины во всем секторе направлений и интервале дальностей.
Источники информации
1. Лоскутова Г.В., Полканов К.И. Пространственно-частотные и частотно-волновые методы описания и обработки гидроакустических полей. СПб.: «Наука». 2007.
2. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. М: Сов. радио. 1967.
3. Способ пассивного определения координат источников излучения. Патент №2507531. Россия. ОАО «Концерн «Океанприбор». МПК J01S 3/80. Приоритет 08.11.2012, зарегистрирован 20.02.14 г.
4. Заездный A.M. Основы расчетов по статистической радиотехнике. М.: «Связь». 1969. С. 167.
5. Л.Е. Гампер. О пространственных характеристиках трехмерной разнесенной акустической системы. Натурные испытания. Докл. XI школы-семинара им. акад. Л.М. Бреховских "Акустика океана" и XVII сессия Российского Акустического общества, май 2006 г. М.: ГЕОС, 2006.
Способ пассивного определения координат движущегося источника излучения основан на использовании разности времен прихода сигнала со сферическим или цилиндрическим волновым фронтом от источника излучения к нескольким приемникам. Для определения координат движущегося источника излучения приемной системой из М антенн, М≥3, используют двухэтапное осреднение оценок координат: предварительное, малое - статическое и основное, динамическое. При этом для определения предварительных оценок i-го шага используют опорную точку с предполагаемыми координатами источника, фазируют каждую антенну в ее направлении, формируют Мпар антенн с неповторяющимися индексами mn и по выборкам определяют комплексные взаимные спектры плотности мощности сигналов с выходов каждой пары. Затем на каждом цикле определяют величины отклонения между координатами опорной точки и искомыми текущими координатами источника. Технический результат заключается в повышении точности определения координат движущегося источника излучения без ошибок, зависящих от скорости относительного перемещения источника и приемников при произвольном количестве антенн (М≥3) и при произвольном, известном их размещении в пространстве. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.