способ пеленгации гидробионтов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ пеленгации гидробионтов, заключающийся в том, что принимают гидроакустические сигналы в двух приемных каналах, усиливают их, определяют направление на гидробионты по результатам сравнения сигналов, отличающийся тем, что после усиления гидроакустических сигналов осуществляют параллельный спектральный анализ по n частотным подканалам с адаптивным изменением уровней сигналов в каждом частотном подканале, сравнивают полученные таким образом сигналы с пороговыми значениями, индицируют сигналы, превышающие порог, причем направление на гидробионты определяют при равенстве показаний индикаторов обоих приемных каналов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что адаптивное изменение уровней сигналов в каждом частотном подканале осуществляют путем измерения среднеквадратичного значения сигналов, усреднения для каждой пары частотных подканалов и выбора минимального уровня в соответствующей паре частотных подканалов, после чего снижают уровни сигналов остальных n-1 подканалов обратно пропорционально усредненным вышеупомянутым среднеквадратичным значениям.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сравнении уровней сигналов, полученных при адаптивном изменении, с пороговыми значениями, производят усреднение во всех частотных подканалах, определяют среднее значение уровня по совокупности 2n сигналов, формируют из него прямое и инверсное значение порогового сигнала.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при индицировании сигналов, превышающих пороговые значения, выделяют временные участки сигналов, суммируют их, ограничивают по спектру, после чего индицируют уровень сигнала в каждом частотном подканале.

5. Устройство для пеленгации гидробионтов, содержащее два пространственно разнесенных приемных канала, два усилителя, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый блок пороговых элементов и регистратор, отличающееся тем, что введены два спектроанализатора, каждый из которых содержит n частотных подканалов, четыре блока измерения среднеквадратичных значений сигналов, блок попарного усреднения среднеквадратичных значений сигналов в одноименных частотных подканалах, блок определения минимального уровня сигналов, блок определения весовых коэффициентов, первый и второй блоки управляемых аттенюаторов, блок определения среднего значения нормированных сигналов, блок установки пороговых значений сигналов, второй блок пороговых элементов, первый и второй блоки сумматоров, первый и второй блоки фильтров, причем выход каждого из усилителей подключен к входу соответствующего первого и второго спектроанализатора, выходы частотных подканалов первого из которых подключены к соответствующим сигнальным входам первого блока измерения среднеквадратичных значений сигналов и первого блока управляемых аттенюаторов, выходы частотных подканалов второго спектроанализатора соединены с соответствующими сигнальными входами второго блока измерения среднеквадратичного значения сигналов и второго блока управляемых аттенюаторов, к управляющим входам первого и второго блоков управляемых аттенюаторов подключены выходы блока определения весовых коэффициентов, вход минимального значения сигнала которого соединен с выходом блока определения минимального уровня сигналов, входы которого и сигнальные входы блока определения весовых коэффициентов подключены к соответствующим выходам АЦП, входы которого соединены с выходами блока попарного усреднения среднеквадратичных значений сигналов в одноименных частотных подканалах, первые и вторые входы которого подключены к соответствующим выходам АЦП, входы которого соединены с выходами блока попарного усреднения среднеквадратичных значений сигналов в одноименных частотных подканалах, первые и вторые входы которого подключены к соответствующим выходам первого и второго блоков измерения среднеквадратичных значений сигналов, выходы первого и второго блоков управляемых аттенюаторов соединены с соответствующими входами третьего блока измерения среднеквадратичных значений сигналов первого блока пороговых элементов и четвертого блока измерения среднеквадратичных значений сигналов, второго блока пороговых элементов, соответственно, выходы третьего и четвертого блоков измерения среднеквадратичных значений сигналов подключены к соответствующим входам блока определения среднего значения нормированных сигналов, выход которого подключен к входу блока установки пороговых значений сигналов, выходы которого соединены с соответствующими входами пороговых значений сигнала первого и второго блоков пороговых элементов, выходы которых подключены к соответствующим входам первого и второго блоков сумматоров, выходы которых через соответствующие первый и второй блоки фильтров подключены к входам регистратора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в рыбопоисковых системах обнаружения и пеленгации скопления рыб и отдельных особей по сигналам их жизнедеятельности.

Известен способ пеленгации гидробионтов, заключающийся в приеме двух отраженных ультразвуковых сигналов различных частот, в дальнейшем преобразовании их в сигналы двоичного кода, делении их, сравнении с множеством пороговых значений и индицировании результатов, реализованный в известном устройстве определителе рыбы (патент США N 4290125).

Известный способ пеленгации относится к активным методам гидролокации в рыбопоисковых системах, основанных на излучении импульсных гидроакустических сигналов и приеме отраженных от рыб сигналов с дальнейшей их обработкой.

Однако активные методы гидролокации малоэффективны при обнаружении косяков рыб малой плотности и отдельных особей малых размеров, а также в зонах со сложным рельефом дна, не доступных для прохождения туда гидроакустических сигналов.

Активные методы гидролокации не позволяют обнаружить многие гидробионты, находящиеся в придонном слое (крабы, креветки и т.п.).

Наиболее близким к предлагаемому является способ пеленгации гидробионтов, заключающийся в двухканальном пространственно разнесенном приеме гидроакустических сигналов с последующей их обработкой в каждом канале и определением направления на гидробионты по результатам сравнения обработанных гидроакустических сигналов (см.источник).

Однако этот известный способ не может обеспечить достаточно точный прием гидроакустических сигналов жизнедеятельности гидробионтов на фоне больших помех, обусловленных волнениями водной поверхности и внешними судовыми звуками.

Целью изобретения является увеличение точности пеленгации и повышение помехозащищенности.

Это достигается тем, что в способе пеленгации гидробионтов, заключающемся в двухканальном приеме гидроакустических сигналов с последующей их обработкой в каждом канале и определением направления на гидробионты по результатам сравнения обработанных гидроакустических сигналов, обработку гидроакустических сигналов осуществляют путем параллельного спектрального анализа по n частотным подканалам с последующим проведением адаптивного изменения уровней сигналов каждом частотном подканале, после чего сравнивают преобразованные сигналы с пороговыми значениями, индицируют сигналы, превышающие порог, причем направление на гидробионты определяют при равенстве показаний индикаторов обоих приемных каналов, кроме того, адаптивное изменение уровней сигналов в каждом частотном подканале осуществляют путем измерения среднеквадратичного значения сигналов, усреднения для каждой пары частотных подканалов и выбора минимального уровня в соответствующей паре частотных подканалов, после чего снижают уровни сигналов остальных n-1 подканалов обратно пропорционально усредненным вышеупомянутым среднеквадратичным значениям, при этом при сравнении преобразованных сигналов с пороговыми значениями производят усреднение уровней сигналов, полученных после адаптивного изменения уровней сигналов во всех частотных подканалах, определяют среднее значение уровня по ансамблю 2n сигналов, которое используют в качестве прямого и инверсного пороговых значений, а при индицировании сигналов, превышающих порог, производят выделение временных участков сигналов, превышающих прямой и инверсный пороги, суммируют их и ограничивают спектр, после чего индицируют уровень сигнала в каждом подканале, а в устройство для пеленгации гидробионтов, содержащее блок пространственно разнесенных приемников два усилителя, аналого-цифровой преобразователь, блок пороговых элементов и регистратор, введены два спектроанализатора, четыре блока измерения среднеквадратичных значений сигналов, блок попарного усреднения среднеквадратичных сигналов в одноименных подканалах, блок определения минимального уровня сигналов, блок определения весовых коэффициентов, первый и второй блоки управляемых аттенюаторов, блок определения среднего значения нормированных сигналов, блок установки порогов, первый и второй блоки пороговых элементов, первый и второй блоки сумматоров, первый и второй блоки фильтров, причем выход каждого из усилителей подключен ко входу соответствующего первого и второго спектроанализатора, выходы частотных подканалов первого из которых подключены к соответствующим сигнальным входам первого блока измерения среднеквадратичных значений сигналов и первого блока управляемых аттенюаторов, выходы частотных подканалов второго спектроанализатора соединены с соответствующими сигнальными входами второго блока измерения среднеквадратичного значения сигналов и второго блока управляемых аттенюаторов, к управляющим входам первого и второго блоков управляемых аттенюаторов подключены выходы блока определения весовых коэффициентов, вход минимального значения которого соединен с выходом блока определения минимального уровня сигнала, входы которого в сигнальные входы блока определения весовых коэффициентов подключены к соответствующим выходам АЦП, входы которого соединены с выходами блока попарного усреднения среднеквадратичных сигналов в одноименных подканалах, первые и вторые входы которого подключены к соответствующим выходам первого и второго блоков измерения среднеквадратичных значений сигналов, выходы первого и второго блоков управляемых аттенюаторов соединены с соответствующими входами третьего блока измерения среднеквадратичных значений сигналов, первого блока пороговых элементов и четвертого блока измерения среднеквадратичных значений сигналов, второго блока пороговых элементов, соответственно, выходы третьего и четвертого блоков измерения среднеквадратичных значений сигналов подключены к соответствующим входам блока определения среднего значения нормированных сигналов, выход которого подключен ко входу блока установки порогов, выходы которого соединены с соответствующими входами пороговых значений первого и второго блоков пороговых элементов, выходы которых подключены к соответствующим входам первого и второго блоков сумматоров, выходы которых через соответствующие первый и второй блоки фильтров подключены ко входам регистратора.

Сущность изобретения заключается в том, что при обработке гидроакустических сигналов по двум пространственно разнесенным каналам осуществляют параллельный спектральный анализ по n частотным подканалам с подавлением шумов в каждом частотном подканале, а определение направления осуществляют при равенстве сигналов в определенных частотных подканалах обоих пространственно разнесенных каналах.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 блок определения минимального уровня сигнала; на фиг.3 блок установки порогов; на фиг. 4 блок управляемых аттенюаторов; на фиг. 5 блок пространственно разнесенных приемников.

При двухканальном приеме гидроакустических сигналов и последующей их обработки в каждом канале направление на гидробионты определяется по результатам сравнения обработанных гидроакустических сигналов.

При этом обработку гидроакустических сигналов производят путем параллельного спектрального анализа по n частотным подканалам с последующим проведением адаптивного изменения уровней сигналов в каждом частотном подканале, после чего сравнивают преобразованные сигналы с пороговыми значениями, индицируют сигналы, превышающие порог, а направление на гидробионты определяют при равенстве показаний индикаторов обоих приемных каналов.

Адаптивное изменение уровней сигналов в каждом частотном подканале осуществляют путем измерения среднеквадратичного значения сигналов, усреднения для каждой пары частотных подканалов и выбора минимального уровня в соответствующей паре частотных подканалов, после чего снижают уровни сигналов остальных n-1 подканалов обратно пропорционально усредненным вышеупомянутым среднеквадратичным значениям.

Сравнение преобразованных сигналов с пороговыми значениями производят путем усреднения уровней сигналов, полученных после адаптивного изменения уровней сигналов во всех частотных подканалах, определяют среднее значение уровня по ансамблю 2n сигналов, которое используют в качестве прямого и инверсного пороговых значений.

Окончательно индицирование сигналов превышающих порог, производят выделением временных участков сигналов, превышающих прямой и инверсный пороги, суммируют их и ограничивают спектр, после чего индицируют уровень сигнала в каждом подканале.

Для повышения помехозащищенности и быстродействия осуществляют прием гидроакустических сигналов на блок пространственно разнесенных гидрофонов-приемников, погруженный в воду, производят параллельный спектральный анализ сигналов в каждом частотном подканале приема, дополнительно после спектрального анализа измеряют среднеквадратичное значение шумов по всем частотным подканалам _шij (i=; j 1,2), группируют измеренные _шij по одноименным парам _шi1 и _шi2, подсчитывают средние из них

сравнивают средние значения сигналов (шумов) по всем частотным подканалам между собой, выбирают минимальное из них _шсрlmin (1lN),

производят нормировку уровня шумов в парных каналах путем установки коэффициента передачи в этих подканалах, равным



где измеряют среднеквадратичное значение шумов после проведения нормировки по всем пространственно частотным подканалам, вычисляют среднее по всем измеренным значениям

,

сравнивают положительные U₊ и отрицательные U_- значения сигналов после проведения нормировки в пространственно-частотных подканалах с порогами U_пор+= _шсрk и U_пор-= -_шср К (К 0-8) соответственно, и если в результате сравнения выполняются условия

то производят вычисление разностей



полученные разности

U₊ и U_-

суммируют для восстановления формы сигнала, получаемого после нормировки, производят фильтрацию суммарного сигнала в полосе анализа каждого пространственно-частотного подканала, с помощью свето-сигнального табло и телефона производят световую сигнализацию сигнала и прослушивание обнаруженных сигналов соответственно, поворачивают штангу поворотного механизма антенны до появления в одноименных индикаторных светодиодах одинаковой яркости и/или одинакового звукового давления на уши оператора от сигналов, принятых по двум пространственно разнесенным каналам, и по углу поворота штанги относительно системы отсчета судят о направлении нахождения рыб. Таким образом. в данном способе осуществлена автоматическая установка коэффициента передачи в парных подканалах для проведения нормировки уровня шумов во всех пространственно-частотных подканалах.

Использование усредненных шумовых показателей по каждой паре позволяет свести к минимуму ошибки в оценке коэффициентов передачи парных подканалов, обусловленные разбросом шумов между подканалами каждой пары. Конечным итогом нормировки является подавление (снижение до уровня собственных шумов) внешних шумов от волнения водной поверхности и от судовых помех. Как известно, шумы от волнения водной поверхности и судовых внешних помех до частоты 1 кГц максимальны. Затем они спадают со скоростью 5-6 дБ на октаву. Но зависимость сигналов внешних источников (в том числе звуков рыб и других гидробионтов) от частоты та же самая, что и упомянутых выше помех. Поэтому нормировка шумов по частотным подканалам одновременно позволяет в области подавления внешней помехи привести динамический диапазон сигналов к одному значению без какого-либо ухудшения отношения сигнал/помеха. Дальнейшие операции способа позволяют подавлять уровни собственных электрических шумов и остаточных внешних шумов и работать только с сигналами превышения, т.е, с полезными сигналами. Дополнительная фильтрация позволяет выделить основные составляющие сложных спектров сигналов, полученных в результате нелинейной обработки и приблизить форму сигнала к прежней, что более удобно оператору в процессе прослушивания обнаруженных сигналов для определения пеленга.

Устройство (фиг. 1) содержит блок 1 пространственно разнесенных приемников 2 и 3, первый и второй усилители 4 и 5, первый и второй спектроанализаторы 6 и 7, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 блоки измерения среднеквадратичных значений сигналов, блок 12 попарного усреднения среднеквадратичных сигналов в одном подканале, АЦП-13, блок 14 определения минимального уровня сигналов, блок 15 определения весовых коэффициентов, первый и второй блоки 16 и 17 управляемых аттенюаторов, блок 18 определения среднего значения нормированных сигналов, блок 19 установки порогов, первый и второй блоки 20 и 21 пороговых элементов, первый и второй блоки 22 и 23 сумматоров, первый и второй блоки 24 и 25 фильтров и регистратор 26. Последний содержит световое табло 27, блок 28 переключателей, первый и второй многовходовые сумматоры 29 и 30 и телефон 31.

Блок 12 попарного усреднения среднеквадратичных сигналов содержит первые и вторые входы 32-1.32-n и 33-1. 33-n, соответственно. Блок 15 определения весовых коэффициентов содержит вход 34 минимального значения сигнала и сигнальные входы 35-1. 35-n. Блоки 16 и 17 управляемых аттенюаторов содержат входы 36-1.36-n и 37-1.37-n, 38-1.38-n и 39-1.39-n, соответственно, сигнальные и управляющие. Блок 18 определения среднего значения нормированных сигналов содержит первые и вторые сигнальные входы 40-1.40-n и 41-1.41-n, соответственно. Блоки 20 и 21 пороговых элементов содержат входы 42-1.42-n, 43-1, 43-2 и 44-1.44-n, 45-1, 45-2, соответственно, сигнальные и пороговых значений. Световое табло 27 содержит первые и вторые входы 46-1.46-n и 47-1. 47-n, соответственно.

Блок 14 определения минимального уровня сигналов (фиг.2) содержит первые блоки 48-1.48-К ключей, блоки 49-1.49-К сравнения и вторые блоки 50-1.50-К ключей.

Блок 19 установки порогов (фиг.3) содержит первый 51 и второй 52 АЦП, блок 53 деления, индикатор 54 и спаренные потенциометры 55 и 56.

Каждый из блоков 16,17 управляемых аттенюаторов (фиг. 4) содержит N последовательно соединенных резисторов 57-1.57-N между входом и выходом, каждый из которых зашунтирован соответствующим каждому из N разрядов управляемым ключом 58-1.58-N и общий нагрузочный резистор 59.

Блок 1 пространственно разнесенных приемников 2 и 3 выполнен в виде корпуса из тонкостенного металла, пропускающего гидроакустические (звуковые) волны, в верхней части которого укреплен фланец 60 для поворотной штанги (на фигуре отсутствует), а внутри имеется перегородка 61, отражатель 62 и два пространственно разнесенных приемника 2 и 3. Последние представляют собой гидрофоны преобразователи гидроакустических сигналов в электрические.

Электрические сигналы с выходов гидрофонов-приемников 2 и 3 через усилители 4 и 5 поступают на спектроанализаторы 6 и 7 параллельного типа. С помощью их весь диапазон спектрального анализа 0-60 кГц разбивается на узкие спектральные составляющие с образованием множества частотных подканалов. В пределах каждого частотного подканала производится нормировка шумов к их минимальному уровню. Нормировка шумов в подканалах осуществляется с помощью блоков 16 и 17 управляемых аттенюаторов, величина затухания которых устанавливается по сигналам, вырабатываемым первым и вторым блоками 8 и 9 измерения среднеквадратичного значения сигналов, блоком 12 попарного усреднения среднеквадратичных сигналов в одном подканале, АЦП 13, блоком 14 определения минимального значения сигналов и блоком 15 определения весовых коэффициентов.

Каждый из блоков 8-11 измерения среднеквадратичных значений сигналов выполнен в виде цепочек из последовательно соединенных линейного детектора, интегрирующей RС-цепочки и усилителя с фиксированным коэффициентом усиления. Постоянная времени RС-цепочки выбирается на порядок выше времени максимально ожидаемой длительности сигналов рыб. Это гарантирует отсутствие влияния полезных сигналов на результат измерения среднеквадратичных значений сигналов (шумов). Поскольку полоса фильтров спектроанализатора мала по сравнению с шириной спектра входных шумов, можно считать, что шумовой процесс, подлежащий измерению, нормализуется узкополосными фильтрами, а продетектированный шумовой процесс подчиняется релеевскому распределению плотности вероятности. Для релеевского процесса существует строгая зависимость между постоянным напряжением U₀, полученным на выходе RС-цепочки и среднеквадратичным значением _ш.

Как известно _ш 1,25

Весовые коэффициенты вырабатываются в результате усреднения _ш в одноименных парах и реализуются в блоке 12, каждая из которых выполнена на аналоговых элементах-резисторах, сумматоре на два входа и делителе с коэффициентом передачи 1/2. Дальнейшая обработка в канале формирования весовых коэффициентов ведется в цифровом виде. Для этого используется АЦП-13, который может быть выполнен на типовых микросхемах К1107ПВ4. Выходные сигналы параллельным двоичным кодом по параллельным шинам поступают на блок 14 поиска минимального значения сигналов, который выполнен на типовых логических блоках сравнения (например, 555 Сп-1) и набора ключей (см.фиг.2). Вначале все входы блока 14 разбиваются на пары, среди которых с помощью блоков сравнения отыскиваются минимальные значения, которые управляющими ключами пропускаются дальше. Выходы ключей также разбиваются на пары, которых становится вдвое меньше. Процедура повторяется до тех пор, пока не останется одна пара выходов, среди которой выбирается абсолютный минимум. Если в каком-то из ярусов образуется выход, который при дальнейшей обработке остается без пары, его можно сгруппировать с выходом последней пары. Сигнал абсолютного минимума в виде параллельного двоичного кода поступает на общий вход 34 всех делителей, из которых состоит блок 15. На другие входы 35-1.35-n этих делителей сигналы с выходов АЦП-13. В результате деления по формуле (3) получается набор весовых коэффициентов, которые по параллельным шинам двоичным кодом управляют соответствующими аттенюаторами блоков 16 и 17.

После нормировки повторяется измерение среднеквадратичного значения сигналов (шумов) в блоках 10 и 11, а в блоке 18 подсчитывается среднее _шср из всех значений, измеренных в блоках 10 и 11. Величина _шср используется в блоке 19 для ручной установки порогов: положительного U_пор+ и отрицательного U_пор-. Поскольку величины U_пор+ и U_пор- одинаковы, отличаются только знаком, то для ручной установки используются спаренные потенциометры 55, 56, которые запитываются от двух источников питания разной полярности +U_o и -U₀. Поскольку абсолютная величина порога не несет точной информации о необходимой величине порога при фиксированном (заранее выбранном) К (), она будет зависеть от значения _шср, то целесообразно контролировать величину К, а вращением ручки потенциометра подбирать U_пор, удовлетворяющее выбранному К. При этом нет необходимости знать саму величину U_пор. Для контроля К используются два АЦП 51 и 52 (АЦП положительного значения U_пор+ и АЦП входного значения _шср) и делитель 53 первой величины на вторую с цифровой индикацией результата деления по выходу.

В пороговых блоках 20 и 21 сигналы с пронормированными по уровню шумами сравниваются с порогами U_пор+ и U_пор- соответственно установленными в блоке 19. Каждый из блоков 49-1.40-К сравнения с возможностью прохождения результатов сравнения выполнен на двух диодах, нормально запертых пороговыми напряжениями разной полярности, причем для положительных сигналов используется прямое включение диода, а для отрицательных обратное. При превышении положительными напряжениями U_пор+ диоды открываются, и отрицательными (по абсолютной величине) U_пор- на выходах диодов появляются сигналы превышения разной полярности, которые затем суммируются попарно в блоках 22 и 23.

Суммарные сигналы в блоках 24 и 25 фильтруются набором фильтров, полоса каждого из которых в 2 раза шире полосы фильтров спектроанализатора. При подобной фильтрации выделяются основные составляющие сложного спектра, который получается в результате нелинейного преобразования в блоках 20 и 21. При удвоенной полосе пропускания фильтров в блоках 24 и 25 перемножения (результирующая) частотная характеристика практически повторяет частотную характеристику фильтров спектроанализатора. Дополнительная фильтрация в блока 24 и 25 позволяет восстановить форму сигналов, действующих до нелинейной обработки.

Восстановленные сигналы индицируются на светосигнальном табло 27, состоящем из набора светодиодов, при этом одноименные светодиоды от разных пространственных каналов сгруппированы вместе для удобства сравнения оператором их яркости с тем, чтобы затем можно было бы по углу поворота штанги поворотного механизма установить пеленг на обнаруженные косяки рыб. Для прослушивания с помощью телефона 31 выходные сигналы с первого и второго пространственных каналов объединяются на сумматорах 29 и 30 соответственно. Однако можно суммировать не все выходные сигналы в каналах, а те, в которых индицируется сигнал. Для этого используется комплект механических переключателей блок 28 для подключения к телефону 31 интересуемых оператора выходов первого и второго пространственных каналов по отдельности.

Таким образом, в предлагаемых способе и устройстве обеспечивается повышенная точность пеленгации и высокая помехозащищенность.