способ определения радиальной скорости объекта
Классы МПК: | G01S15/50 измерительные системы, основанные на относительном перемещении цели G01S15/58 для определения скорости или траектории движения; для определения знака направления движения |
Автор(ы): | Тимошенков В.Г., Дядченко Т.З. |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-03-11 публикация патента:
20.10.2002 |
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров движения объектов. Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение возможности определения радиальной скорости и направления вектора скорости шумящего объекта в пассивном режиме, для чего в способ определения параметра шумящего объекта включают прием сигнала двумя разнесенными в пространстве антеннами, измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми этими антеннами, измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми разнесенными в пространстве антеннами в дальнем поле шумящего объекта в момент времени t1 и t2, измерение вторичного спектра от измеренных взаимных спектров в моменты времени t1 и t2, измерение периодов средних частот заполнения несущей вторичного спектра Т1 и Т2 в моменты времени t1 и t2, измерение величины изменения периода
T = T1-T2 за время
t = t1-t2 при этом
t больше времени измерения периода взаимного спектра, в качестве параметра шумящего объекта выбирают его радиальную скорость Vp = Kv
T, где Кv - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально в полосе обработки принятого сигнала, а направление вектора скорости и определяют по знаку
T. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
Формула изобретения
Способ определения параметра шумящего объекта, включающего прием сигнала двумя разнесенными в пространстве антеннами, измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми этими антеннами, отличающийся тем, что измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми разнесенными в пространстве антеннами, производят в дальнем поле шумящего объекта в момент времени t1 и t2, измеряют вторичный спектр от измеренных взаимных спектров в моменты времени t1 и t2 измеряют периоды средних частот заполнения несущей вторичного спектра Т1 и Т2 в моменты времени t1 и t2, измеряют величину изменения периода![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров движения объектов. Известны методы измерения радиальной скорости цели при использовании излучения тонального сигнала и измерении смещения спектра принятого эхосигнала, величина которого пропорциональна радиальной скорости цели в соответствии с эффектом Доплера (Дж. Хортон. Основы гидролокации. Л.: Судостроение, 1961, с. 450). Однако автору неизвестны эффективные методы измерения радиальной скорости объектов при отсутствии излучения сигналов, в частности по их шумоизлучению. Известны способы, в которых измеряют расстояние в пассивном режиме при многолучевом распространении и, казалось бы, можно измерить радиальную скорость по изменению дистанции (В. С. Бурдик. Анализ гидроакустических систем. Л. : Судостроение, 1988, с.377). Однако, как указывается там же, сложность оценки лучевой структуры делает способ пассивного измерения дистанции практически невыполнимым. Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ, в соответствии с которым по изменению взаимно корреляционной функции определяется один из параметров, в данном случае - значимость выбранного источника звука. Звуковой сигнал принимается на две разнесенные в пространстве антенны, причем одну из них располагают вблизи источника звука, а другую - в исследуемой точке пространства. Сигналы с выходов антенны подаются на коррелятор. После выделения максимумы взаимно корреляционной функции суммируются, и по результатам суммирования судят о значимости выбранного источника звука. (А.К. Новиков. Корреляционные измерения в корабельной акустике. Л.: Судостроение, 1971, с.158). Этот способ, однако, не позволяет определять скорость перемещения объектов. Задачей изобретения является обеспечение возможности определения величины и направления радиальной скорости перемещения шумящего объекта по его шумоизлучению. Для решения поставленной задачи в способ определения параметров шумящего объекта, содержащей прием сигнала двумя разнесенными в пространстве антеннами измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми этими антеннами, введены дополнительные операции, а именно: измерение взаимного спектра между сигналами, принятыми разнесенными в пространстве антеннами, производят в дальнем поле шумящего объекта в момент времени t1 и t2, измеряют вторичный спектр от измеренных взаимных спектров в моменты времени t1 t2, измеряют периоды средних частот заполнения несущей вторичного спектра T1 и Т2 в моменты времени t1 и t2, измеряют величину изменения периода![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
Vp = Kv
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
где Kv - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально в полосе обработки принятого сигнала, а направление вектора скорости определяют по знаку
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение возможности определения радиальной скорости и направления вектора скорости (направления перемещения) шумящего объекта в пассивном режиме. Поясним возможности достижения такого результата. В современной гидроакустике считается известным закон спадания спектральной плотности шумоизлучения цели. (Р.Дж. Урик. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978, с.362). Кроме того, там же указывается, что при движении объекта в точке приема происходит изменения полосы принимаемого сигнала. Это объясняется с одной стороны изменением расстояния, а с другой стороны - затуханием высокочастотных составляющих при распространении. Для сигнала в точке приема уровень шума Рш определяется выражением:
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-2t.gif)
где Рш.о. - приведенная шумность цели;
r - расстояние до цели;
f - частота сигнала;
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191007/946.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191007/946.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191007/946.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
fср - средняя частота спектра;
/
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-3t.gif)
По вычислению вторичного спектра или автокорреляционной функции сигнала используются следующие процедуры. Пусть на каждую антенну поступают временные реализации сигналов X1(t) и Х2(t). Спектр по каждому процессу будет определяться через быстрое преобразование Фурье
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-4t.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-5t.gif)
а взаимный энергетический спектр
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-6t.gif)
Если считать вторичный спектр как преобразование Фурье от взаимного энергетического спектра, то
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-7t.gif)
Для равномерной полосы приемного устройства
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-8t.gif)
Таким образом, автокорреляционная функция или вторичный спектр содержат две составляющие, одна из которых определяется полосой сигнала шумоизлучения
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-9t.gif)
а другая - средней частотой сигнала шумоизлучения
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-10t.gif)
Составляющая, определяемая полосой, является огибающей функции B(
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191058/964.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191058/964.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-11t.gif)
В момент времени t2 имеем
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-12t.gif)
Тогда для момента t1 период будет равен
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-13t.gif)
а для момента
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-14t.gif)
Скорость изменения периода за время
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
если
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-15t.gif)
где Vкалиб - фиксированная скорость движения объекта;
T0 - величина периода сигнала несущей при отсутствии движения;
Tкалиб - величина периода сигнала несущей при движении объекта с радиальной скоростью Vp=Vкалиб. Таким образом достигается эффект измерения направления перемещения шумящего объекта и радиальной скорости перемещения. Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2 и 3, где на фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ;
На фиг. 2 изображена средняя частота спектра сигнала, принимаемая двумя антеннами в моменты времени t1 и t2. Для момента времени t1 средняя частота сигнала fср1 и длина периода T1. Для момента времени t2 средняя частота fcp2 и длина периода Т2. При приближении цели средняя частота увеличивается, а период уменьшается. Величина разности
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-16t.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-17t.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191405/2191405-18t.gif)
где Vкалиб - фиксированная скорость движения;
Т0 - период при V=0;
Ткалиб - период при V=Vкалиб. Предположим, что во время калибровки средняя частота изменилась с 10 до 15 кГц при изменении скорости на Vкалиб= 30 узлов, тогда Кv=750 уз./мс. При изменении частоты, принятой от шумящего объекта в процессе работы, с 10 до 10,5 кГц получим
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191003/8226.gif)
![способ определения радиальной скорости объекта, патент № 2191405](/images/patents/279/2191085/916.gif)
Класс G01S15/50 измерительные системы, основанные на относительном перемещении цели
Класс G01S15/58 для определения скорости или траектории движения; для определения знака направления движения