Устройство обнаружения и определения местоположения источника акустического сигнала
Устройство обнаружения и определения местоположения источника отраженного акустического сигнала предназначено для обнаружения подводных и надводных объектов по отраженным от них акустическим сигналам. Заявленное устройство имеет большую дальность обнаружения и позволяет в цифровой форме обработать выборки отраженного акустического процесса большой длительности, а также определить местоположение источника отраженного акустического сигнала в реальном масштабе времени. Устройство содержит дискретную антенную решетку (ДАР) с элементами антенны, размещенными по случайному закону в объеме антенного устройства, а также последовательно соединенные между собой N электроакустические преобразователи, N каналы передачи информации, N аналого-цифровые преобразователи и N линии задержек, причем все выходы линий задержек соединены с N входами первого модуля корреляционного формирователя (МКФ), входящего в состав корреляционного формирователя характеристики направленности (КФХН), который образован последовательно соединенными между собой М модулями корреляционного формирователя, с возможностью дискретной обработки выборок принятого процесса. Каждый МКФ соединен каналом управления и каналом согласования с блоком согласования и управления буферизацией, с возможностью получения на его выходе обработанного сигнала для отображения и анализа информации и последующей передачи этого сигнала на вход устройства отображения и анализа информации. Каждый МКФ включает блок буферизации информации, N выходов которого параллельно соединены с входами сумматора напряжения и входами N квадраторов, а выходы блока квадраторов соединены с соответствующими входами сумматора мощности. Выход сумматора мощности и выход сумматора напряжения через корреляционный вычислитель соединены с входом интегратора. 1 н.з. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Полезная модель относится к гидроакустике, а именно к устройствам для обнаружения цели с использованием отражения акустических волн и может быть применено для определения местоположения подводных и надводных объектов.
Известно устройство для определения направления на источник акустических сигналов, наиболее близкое по технической сущности заявляемой полезной модели и выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит случайную антенную решетку, каналы передачи информации, формирователь характеристики направленности, состоящий из линий задержки и сумматора напряжения, а также интегратора. В известном устройстве формирователь характеристики направленности снабжен блоком квадраторов, входы которого соединены с выходами линий задержки, сумматором мощности, на входы которого поступают выходные значения блока квадраторов, корреляционным вычислителем, входы которого соединены с выходами сумматора напряжений и сумматора мощности. (Патент 23107 Российская федерация, МПК 7 G01S 3/00. Устройство для определения направления на источник акустических сигналов / Долгих В.Н., Бородин А.Е; заявитель и патентообладатель В.Н.Долгих. - №2001130612; заявл. 16.11.2001; опубл. 20.05.2002, Бюл. №14.)
Известное устройство определяет направление на источник акустических сигналов, обеспечивает снижение математического ожидания поля добавочных максимумов и дополнительно обеспечивает сужение главного максимума характеристики направленности.
Однако известное устройство может быть применено в системах обнаружения только шумящих подводных и надводных объектов. Реализация
прототипа позволяет определить направление на объект, но этого недостаточно для определения местоположения объекта, так как для этого необходимо определение не только направления, но и расстояния (дистанции) до объекта.
Недостатки, присущие прототипу устранены предлагаемой полезной моделью: «Устройство обнаружения и определения местоположения источника отраженного акустического сигнала», технической задачей которой является создание нового устройства для определения местоположения источника отраженного акустического сигнала, путем его обнаружения и определения направления и расстояния до подводного или надводного объекта.
Реализация указанной технической задачи предлагаемой полезной моделью позволяет достигнуть следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:
- применение аналого-цифровых преобразователей для преобразования выходных сигнальных процессов электроакустических преобразователей антенной решетки позволило производить дальнейшую обработку принятого сигнала в цифровой форме, применяя современные технологии;
- последовательно соединенные между собой модули корреляционного формирователя позволяют производить обработку выборок отраженного акустического процесса большой длительности, что в свою очередь увеличивает возможность обнаружения источников отраженного акустического сигнала на большой дистанции. Количество модулей корреляционного формирователя определено соотношением длительности принятой выборки отраженного акустического сигнала с временем полной обработки дискретной части выборки в каждом из модулей корреляционного формирователя;
- соединение каждого модуля корреляционного формирователя каналом управления и каналом согласования с блоком согласования и управления буферизацией позволяет получить на выходе модуля непрерывный
обработанный сигнал для отображения и анализа информации о факте обнаружения и определения местоположения источника отраженного акустического сигнала в практически реальном масштабе времени, а также уменьшить количество модулей корреляционного формирователя, необходимых для полной обработки, принятой выборки отраженного акустического процесса;
- блок буферизации информации в составе каждого модуля корреляционного формирователя дает возможность производить полную обработку выборки отраженного акустического процесса параллельно, что существенным образом сокращает время обработки всей выборки;
- антенная решетка, выполненная в виде дискретной решетки, с элементами антенны, размещенными по случайному закону в пространстве, позволяет ее расположить на носителях как стационарно, так и в виде опускаемых или сбрасываемых гидроакустических устройств, увеличивая тем самым универсальность устройства в целом;
- применение дискретной антенной решетки и корреляционного формирователя характеристики направленности позволяет определить направление на источник и расстояние до источника отраженных акустических сигналов (местоположения источника) при снижении математического ожидания поля добавочных максимумов и обеспечении сужения главного максимума характеристики направленности, увеличивая точность определения местоположения цели.
Для достижения указанного технического результата предложено «Устройство обнаружения и определения местоположения источника отраженного акустического сигнала», содержащее дискретную антенную решетку, в которой N электроакустические преобразователи последовательно соединены с N каналами передачи информации и N линиями задержек, а также корреляционный формирователь характеристики направленности, включающий сумматор напряжения, корреляционный вычислитель, интегратор, блок квадраторов и сумматор мощности. Выходы блока
квадраторов соединены с соответствующими входами сумматора мощности, а выход сумматора мощности и выход сумматора напряжения соединены с соответствующими входами корреляционного вычислителя, выход которого соединен с входом интегратора.
Отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что дискретная антенная решетка включает N аналого-цифровых преобразователей, входы которых соединены с соответствующими выходами каналов передачи информации, а выходы АЦП - с соответствующими выходами линий задержек, причем все выходы линий задержек соединены с N входами первого модуля корреляционного формирователя, входящего в состав корреляционного формирователя характеристики направленности, образованного последовательно соединенными между собой М модулями корреляционного формирователя, каждый из которых соединен с каналом управления и каналом согласования с блоком согласования и управления буферизацией, с возможностью получения на его выходе обработанного сигнала для отображения и анализа информации. Каждый модуль корреляционного формирователя включает блок буферизации информации, N выходов которого параллельно соединены с входами сумматора напряжения и входами N квадраторов.
Дополнительным отличием является то, что все линии задержек выполнены в виде цифровых сдвигающих устройств. Корреляционный формирователь характеристики направленности включает последовательно соединенные М модулей корреляционного формирователя, с возможностью дискретной обработки выборок принятого сигнала большой длительности, для увеличения дальности действия, т.е. обнаружения источника отраженного сигнала на большом удалении обнаружителя. Причем количество М модулей корреляционного формирователя определено соотношением длительности принятой выборки отраженного акустического сигнала с временем полной обработки дискретной выборки в каждом из М модулей корреляционного формирователя.
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимо для получения возможности обработки выборок большой длительности, что в результате увеличивает возможную дистанцию обнаружения источника отраженного сигнала, т.е. дальность действия устройства.
Другим дополнительным отличием от прототипа является то, что в каждом из М модулей корреляционного формирователя выход интегратора в соответствующем канале согласования соединен с соответствующим входом блока согласования и управления буферизацией (БСУБ), а вход блока буферизации информации (ББИ) в соответствующем канале управления соединен с соответствующим выходом БСУБ. В результате такого взаимного расположения этих конструктивных элементов в устройстве реализована возможность получения на выходе блока согласования и управления буферизацией обработанного сигнала для отображения и анализа информации и последующей передачи этого сигнала на вход устройства анализа и отображения информации.
Именно наличие в заявленной полезной модели отличительных и дополнительных отличительных от прототипа признаков позволяет определить не только направления на источник отраженного акустического сигнала, но и определить расстояние до него (дистанцию), т.е. определить местоположение источника отраженного акустического сигнала, повысить дальность обнаружения объекта и снизить математическое ожидание поля добавочных максимумов, обеспечивая обработку выборки отраженного сигнала в практически реальном масштабе времени и сужение главного максимума характеристики направленности.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено «Устройство обнаружения и определения местоположения источника отраженного акустического сигнала». Функциональная схема; на фиг.1а изображен «Модуль корреляционного формирователя (укрупнено)». Функциональная схема.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства обнаружения и определения местоположения источника отраженного акустического сигнала, включающая:
1. Дискретная антенная решетка (ДАР), выполненная в виде дискретной антенной решетки, с элементами антенны, размещенными по случайному закону в пространстве - случайная антенная решетка (CAP), состоящую из:
1.1 Электроакустический преобразователь (ЭАП), количество ЭАП - N, элементы CAP;
1.2 Канал передачи информации (КЛИ), количество КПИ - N;
1.3 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), количество АЦП - N;
1.4 Линия задержки (ЛЗ), количество Л3-N;
2. Корреляционный формирователь характеристики направленности КФХН);
2.1 Модуль корреляционного формирователя (МКФ), количество МКФ - М;
2.2 Блок согласования и управления буферизацией (БСУБ).
В функциональной схеме N электроакустические преобразователи 1.1.N (фиг.1) соединены электрическими линиями связи с соответствующими N-каналами передачи информации 1.2.N (фиг.1) и с входами соответствующих N аналого-цифровых преобразователей 1.3.N (фиг.1), которые выполняют оцифровку сигнала. Выходы всех N АЦП электрическими линиями связи соединены с соответствующими входами N линий задержки 1.4.N (фиг.1), которые выполнены в виде цифровых сдвигающих устройств. Все выходы N линий задержки соединены с N входами первого модуля корреляционного формирователя 2.1.1 (фиг.1), для обработки части информации, ограниченной емкостью памяти блока буферизации 2.1.M.1 (фиг.1). Остальная часть информации поступает на соответствующие N входы второго МКФ 2.1.2 (фиг.1), для обработки следующей части информации, которая ограничена емкостью памяти соответствующего этому МКФ, блоком буферизации. Оставшаяся информация поступает на следующий МКФ 2.1.М-1 (фиг.1) и так
далее, до окончания информационной выборки или окончания обработки первым МКФ, выделенной ему части информации и завершения дискретной обработки принятого сигнала большой длительности и увеличения дальности действия устройства. Таковы причина и следствие последовательного соединения всех М МКФ 2.1.1-2.1.М (фиг.1) в составе корреляционного формирователя характеристики направленности 2 (фиг.1). Каждый модуль корреляционного формирователя 2.1.1-2.1.М (фиг.1) соединен соответствующим каналом управления и каналом согласования с соответствующими входами блока согласования и управления буферизацией 2.2 (фиг.1), который выполняет согласование выходной информации от всех М МКФ, преобразуя ее в непрерывный поток обработанной информации, поступающий к устройству отображения и анализа информации.
На фиг.1а представлена функциональная схема модуля корреляционного формирователя (укрупнено), содержащая:
2.1.М. Модуль корреляционного формирователя;
2.1.М.1. Блок буферизации информации (БФИ);
2.1.М.2. Квадратор, количество квадраторов - N, равное количеству выходов ДАР);
2.1.М.3. Сумматор мощности (СМ);
2.1.М.4. Сумматор напряжения (СН);
2.1.М.5. Корреляционный вычислитель (KB);
2.1.М.6. Интегратор.
Для дальнейшей обработки преобразованного сигнала все выходы линий задержки электрическими линиями связи соединены с N входами первого модуля корреляционного формирователя, а именно с N входами БФИ 2.1.M.1 (фиг.1a), который запоминает первую часть от общей выборки принятого сигнала, ограниченную оперативной памятью блока. Для обработки остальной дискретной части выборки БФИ 2.1.M.1 (фиг.1a) соединен последовательными электрическими линиями связи с N входами следующих МКФ 2.1.М (фиг.1а). Другие N выходов БФИ 2.1.M.1 (фиг.1a)
электрическими линиями связи параллельно соединены с входами сумматора напряжений 2.1.М.4 (фиг.1а) и соответствующими N входами квадраторов 2.1.M.2.N (фиг.1а), выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора мощности 2.1.М.3 (фиг.1а). В каждом из М модулей корреляционного формирователя вход блока буферизации информации БФИ 2.1.M.1 (фиг.1а), соединен с соответствующим выходом блока согласования и управления буферизацией 2.2 (фиг.1), образуя соответствующий канал управления. Входы корреляционного вычислителя 2.1.М.5 (фиг.1а) параллельно соединены с соответствующими выходами сумматора мощности 2.1.М.3 (фиг.1а) и сумматора напряжения 2.1.М.4 (фиг.1а), а выход корреляционного вычислителя соединен с входом интегратора 2.1.М.6 (фиг.1а). Выход интегратора 2.1.М.6 (фиг.1а) соединен с соответствующим входом блока согласования и управления буферизацией в соответствующем канале согласования.
Устройство работает следующим образом.
Электроакустические преобразователи 1.1.N (фиг.1) устанавливают в объеме обтекателя акустической антенны носителя или в объеме опускаемой конструкции антенны известным способом, как принято в науке и технике до даты приоритета. Остальные блоки и модули устройства устанавливают непосредственно на борту носителя. ЭАП 1.1.N (фиг.1), входящие состав ДАР 1 (фиг.1), принимают отраженные от источника (цели) акустические сигналы и по соответствующим каналам передачи информации 1.2.N (фиг.1), выполняющих предварительное усиление и фильтрацию сигнала, передают их на входы соответствующих аналого-цифровых преобразователей 1.3.N (фиг.1), в которых происходит оцифровка сигнала. С выходов АЦП 1.3.N (фиг.1) оцифрованные сигналы поступают на соответствующие входы линий задержки 1.4.N (фиг.1), в которых установлены значения временных сдвигов обеспечивающих настройку устройства на необходимое пространственное направление. Пройдя линии задержки, принятые сигналы поступают на входы первого модуля корреляционного формирователя 2.1.1 (фиг.1). В МКФ
происходит дискретная обработка части информации, ограниченная емкостью памяти блока буферизации информации 2.1.M.1 (фиг.1а). Остальная часть информации поступает на соответствующие входы следующего МКФ 2.1.М (фиг.1), где обрабатывается следующая часть информации, ограниченная емкостью памяти следующего блока буферизации, а остальная информация поступает на следующий МКФ и так далее, до окончания информационной выборки или окончания обработки первым МКФ, выделенной ему дискретной части информации. Вычисленное и усредненное мгновенное значение коэффициента пространственной корреляции отраженного акустического сигнала, приходящего с заданного направления, поступает с выхода модулей корреляционных формирователей 2.1.1-2.1.М (фиг.1) на соответствующие входы блока согласования и управления буферизацией 2.2 (фиг.1). В БСУБ 2.2 фиг.1) происходит согласование выходной информации с выходов всех МКФ 2.1.1-2.1.М (фиг.1) и преобразование ее в непрерывный поток обработанной информации, поступающий к устройству отображения и анализа информации. С соответствующих выходов блока согласования и управления буферизацией сигналы управления поступают на соответствующие входы МКФ 2.1.1-2.1.М (фиг.1), для осуществления управления работой МКФ, т.е. распределения поступающей информации между МКФ для сокращения времени ее обработки.
Таким образом, заявленная полезная модель «Устройство обнаружения и определения местоположения источника отраженного акустического сигнала» является новым устройством для определения местоположения источника отраженного акустического сигнала, обнаружения и определения направления и расстояния до подводного или надводного объекта Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:
- выполнение обработки принятого сигнала в цифровой форме, применяя современные технологии;
- обработка выборок отраженного акустического сигнала большой длительности, что в свою очередь увеличивает дальность обнаружения источников отраженного акустического сигнала;
- анализ информации о факте наличия и определения местоположения источника отраженного акустического сигнала в практически реальном масштабе времени;
- возможность производить полную обработку выборки отраженного акустического сигнала параллельно, что существенным образом сокращает время обработки всей выборки;
- возможность расположения дискретной антенной решетки на носителях как стационарно, так и в виде опускаемых или сбрасываемых гидроакустических устройств в различных объемах и конфигурациях акустических антенн.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко распространенные компоненты и изделия промышленности, такие как приемники акустических сигналов, аналоговые усилители и фильтры, аналого-цифровые преобразователи, цифровые устройства памяти с произвольным доступом, цифровые процессоры обработки сигналов.
1. Устройство обнаружения и определения местоположения источника отраженного акустического сигнала, содержащее дискретную антенную решетку с последовательно соединенными N электроакустическими преобразователями, N каналами передачи информации и N линиями задержек, а также корреляционный формирователь характеристики направленности, включающий сумматор напряжения, корреляционный вычислитель, интегратор, блок квадраторов и сумматор мощности, причем выходы блока квадраторов соединены с соответствующими входами сумматора мощности, а выход сумматора мощности и выход сумматора напряжения соединены с соответствующими входами корреляционного вычислителя, выход которого соединен с входом интегратора, отличающееся тем, что дискретная антенная решетка включает N аналого-цифровых преобразователей, входы которых соединены с соответствующими выходами каналов передачи информации, а выходы - с соответствующими входами линий задержек, причем все выходы линий задержек соединены с N входами первого модуля корреляционного формирователя, входящего в состав корреляционного формирователя характеристики направленности, образованного последовательно соединенными между собой М модулями корреляционного формирователя, каждый из которых соединен каналом управления и каналом согласования с блоком согласования и управления буферизацией, с возможностью получения на его выходе обработанного сигнала для отображения и анализа информации, причем каждый модуль корреляционного формирователя включает блок буферизации информации, N выходов которого параллельно соединены с входами сумматора напряжения и входами N квадраторов.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все N линии задержек выполнены в виде цифровых сдвигающих устройств.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корреляционный формирователь характеристики направленности включает последовательно соединенные М модулей корреляционного формирователя, с возможностью дискретной обработки выборок принятого сигнала большой длительности для увеличения дальности действия.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в каждом из М модулей корреляционного формирователя выход интегратора, в соответствующем канале согласования, соединен с соответствующим входом блока согласования и управления буферизацией.
5 Устройство по п.1, отличающееся тем, что в каждом из М модулей корреляционного формирователя вход блока буферизации информации, в соответствующем канале управления, соединен с соответствующим выходом блока согласования и управления буферизацией.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что возможность получения на выходе блока согласования и управления буферизацией обработанного сигнала для отображения и анализа информации использована для последующей передачи этого сигнала на вход устройства отображения и анализа информации.
7. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что количество М модулей корреляционного формирователя определено соотношением длительности принятой выборки отраженного акустического сигнала с временем полной обработки дискретной выборки в каждом из М модулей корреляционного формирователя.
