Analise van opsporing prestasie van enkelvektor hidrofoon histogram rigting vind algoritme

Die histogramalgoritme van a enkelvektor hidrofoon het goeie robuustheid en teiken-asimut skattingsprestasie. Hierdie artikel ontleed en som die teikenopsporingsprestasie van die histogramalgoritme op, en stel 'n outonome opsporing van onderwaterteikens voor gebaseer op teikenasimutberaming. Nasporingsalgoritme, hierdie algoritme kan outonome opsporing van die teenwoordigheid of afwesigheid van teikens in die water bereik. Simulasie- en anechoiese poeltoetsresultate toon dat die sein-tot-geraas-verhouding wat deur die histogramalgoritme vereis word om outonome teikennasporing te bereik, groter as -7 dB moet wees. Op hierdie tydstip is die rigtingvindfout ongeveer 8◦, en die −3 dB asimutspektrumwydte is ongeveer 20◦. Die ontleding van mariene toetsdata toon dat die histogram-algoritme volle teikenopsporing en -nasporing binne 'n afstand van 13,8 km vir 'n oppervlakvaartuig met 'n spoed van 8,4 kn, met 'n optimale rigtingbevindingsfout van 5◦, en 'n −3 dB peiling op 'n afstand van 2 km kan bereik. Spektrale breedte kan 10◦ bereik

 

 

Die vektorkanaal van die vektor hidrofoon sensor het frekwensie-onafhanklike dipool rigting, en het die vermoë om isotropiese geraas interferensie te weerstaan. 'n Vektor hidrofoon kan vol-ruimte vervaag-vrye oriëntasie bereik, wat 'n oplossing bied vir teiken opsporing op klein onderwater platforms toegerus met onderwater akoestiese sensors.

sy voordeel van ruimte. In onlangse jare, met die voortdurende verbetering van vektorhidrofoontegnologie, word vektorseinverwerkingstegnologie ook kragtig toegepas. Gedryf deur aanvraag het dit vinnig ontwikkel. In vergelyking met konvensionele klankdrukhidrofone, verskaf vektorhidrofone meer omvattende klankveldinligting.Slegs die skalaar van die klankveld kan gemeet word, en die vektorkenmerke van die klankveld kan ook verkry word, wat die seinverwerkingsruimte aansienlik verbreed. Daar is baie teiken asimut skatting algoritmes gebaseer op enkelvektor hidrofone, in die algemeen, kan hulle verdeel word in twee kategorieë volgens die beginsel van rigting vind: een is asimut skatting gebaseer op klank energie vloei; die ander is om elke kanaal van die vektorhidrofoon te beskou. Dit is 'n multi-element skikking, elke element is ongeveer op dieselfde posisie in die ruimte, en die bestaande skikking sein verwerking metode word toegepas op die enkelvektor hidrofoon deur gebruik te maak van die eienskappe van die skikking vloeipatroon van die enkelvektor hidrofoon self. Verskeie teikenrigting-vindalgoritmes van vektorhidrofoon het hul eie voordele en nadele.Vergeleke met ander algoritmes het die medium histogram-algoritme beter robuustheid en teikenoriëntasieskattingsprestasie, en het die vermoë om smalband- en sterk lynspektruminterferensie te onderdruk, wat veral geskik is vir ingenieurstoepassings. Hierdie vraestel ontleed en som die histogramrigtingbevindingsalgoritme op, gebaseer op 'n enkele vektorhidrofoon, en stel 'n outonome opsporing- en opsporingsalgoritme voor vir onderwaterteikens gebaseer op teikenoriëntasieskatting, met behulp van rekenaarsimulasie, anechoiese swembadmetingsdata en mariene eksperimente-data geanaliseerde histogram- en grafiekalgoritme-teikenopsporingprestasie.

 

 

1 Teoretiese algoritme

1.1 Histogram rigtingbevindingsalgoritme

 

Die histogram-algoritme moet eers die teiken-asimutskattings by verskillende frekwensiepunte bereken, en die berekeningsuitdrukking is

θ(f) = arctan Re ⟨P∗w(f) × Vyw(f)⟩ Re ⟨P∗w(f) × Vxw(f)⟩ = arctan ⟨Iy(i, f)

⟨Ix(i, f)⟩, (1) In formule (1), verteenwoordig θ(f) die teikenasimut wat by verskillende frekwensies f bereken word, en Pw, Vxw en Vyw verteenwoordig onderskeidelik die klankdruk van die vektorhidrofoon in P en die vibrasie in die x-rigting. Die spoedkanaal en die y-rigting vibrasiespoedkanaal versamel seinspektrumwaardes, en Ix en Iy verteenwoordig die akoestiese energievloei in die x-rigting en y-rigting, onderskeidelik. Dit kan uit vergelyking (1) gesien word dat die teikenasimut wat deur vergelyking (1) bereken word, verband hou met die frekwensie f, en die teikenasimutskattings by verskillende frekwensiepunte verskil. Die metode om die teiken-asimut deur die histogram te skat kan gebruik word om die teiken-asimut in die omgewing te bereken. Smalbandinterferensie en sterk lynspektruminterferensie-onderdrukking, maar wanneer daar veelvuldige teikens in die omgewing is .Wanneer die uitgestraalde geraasfrekwensies mekaar oorvleuel, kan die histogrammetode nie die ware asimut van elke teiken kry nie, slegs die klankenergievloei van elke teiken.

 

Die gekombineerde oriëntasie sal bevooroordeeld wees na die meer intense teikenoriëntasie. Die histogram-azimut-statistiek is om die teiken-beraamde asimut θ(f) in die ooreenstemmende asimut-interval te tel volgens die aantal frekwensiepunte. As die asimut-interval deur 1◦ gedeel word, dan is k = [θ(f) × 180/π], φ (k) = φ(k) + 1, (2) In formule (2), verteenwoordig [] die afrondingsbewerking, k is die waarde wat verkry word deur θ(f) af te rond, soos θ(f)(f) θ(f)(f) θ(f)(f)+ θ(f) 360◦, sodat die beraamde asimut van die teiken op die interval [0◦ 360◦ val), φ is die frekwensie van die asimutberaming by elke hoek, en die hoekwaarde wat ooreenstem met die maksimum waarde is die geskatte asimut van die teiken.

 

1.2

'n Algoritme vir outonome teikenopsporing en -opsporing

Die outonome opsporing en opsporingsalgoritme vir onderwaterteikens gebaseer op teikenoriëntasieskatting. Die basiese idee is om statistiese analise uit te voer op die teikenoriëntasie wat deur die histogramalgoritme beraam word, en die oriëntasiestatistieke te vergelyk met voorafbepaalde drempels, wat uiteindelik outonome opsporing van onderwaterteikens En opsporing kan realiseer. Die vloeidiagram van outonome teikenopsporing en -nasporing sluit die volgende vyf stappe in: (1) Gebruik eers die enkelvektor hidrofoonhistogramalgoritme om die hele ruimtelike rigting te skandeer om die beraamde asimut Ag van die ontvangde sein te verkry; (2) Gebruik konstante virtuele Die alarmdetektor (CA-CFAR detector) voer konstante vals alarmverwerking uit op die teikenoriëntasie wat in stap (1) verkry is; (3) As die CA-CFAR-detektor Ag as die teikenseinoriëntasie beoordeel, word die Ag-waarde aan die matriks AgT[i] toegeken, anders, ken −1 toe aan die matriks AgT[i] (i = 1, 2, ·, N); (4) As die aantal waardes van die matriks AgT = −1 groter is as AT (AT is die voorafbepaalde drempel , AT

 

Berekening van die wortel gemiddelde kwadraat fout StdAT, as StdAT minder as die drempel StdDT is, word daar geoordeel dat daar 'n teiken is, en die teikenposisie word nagespoor, anders herhaal stappe (1) ~ (4). Deur die bogenoemde 5 stappe kan outonome opsporing en opsporing van onderwaterteikens bereik word. Die beginsel van CA-CFAR-verwerking is dat wanneer 'n sekere asimut-teiken opgespoor en nagespoor word, as gevolg van die nie-stasionêre aard van die mariene omgewing, die vals alarmwaarskynlikheid onstabiel is naby 'n sekere opsporingwaarskynlikheid, en die intydse dop van die omgewingsgeraasvlak stel 'n tyd-varierende drempel kan 'n konstante opsporingswaarskynlikheidseffek vir die vals azi-teiken bereik. Oor die algemeen is die drempel 'n funksie van die opsporingwaarskynlikheid en die waarskynlikheid van vals alarm. CA-CFAR verwerkingstegnologie van is 'n seinverwerkingsalgoritme wat die opsporingsdrempel in die outomatiese opsporingstelsel verskaf en die invloed van geraas en steurings op die vals alarmwaarskynlikheid van die opsporingstelsel minimaliseer. In die CA-CFAR-verwerkingstegnologie, wanneer 'n spesifieke eenheid getoets moet word, word die getoetsde eenheid die toetseenheid genoem (Cell under test, CUT), en die monstereenheid wat gebruik word om die geraaskrag rondom die toetseenheid te onttrek, word die verwysingseenheid (Reference) genoem. selle, RC). Om te verhoed dat die teikensein in die verwysingseenheid lek, wat die geraaskragberaming nadelig sal beïnvloed, moet 'n deel van die monster as 'n wagsel (GC) tussen die verwysingseenheid en die toetseenheid gereserveer word. Die verhouding tussen die toetseenheid, verwysingseenheid en beskermingseenheid word gegee.

2 Doelbespeuring prestasie-analise

Hierdie afdeling sal die rekenaarsimulasieresultate van die teikenbespeuringsprestasie van die histogramalgoritme gee, en die anechoiese poel- en seetoetsdata gebruik om die

Algoritme teiken rigting vind en outonome dop prestasie. Ter wille van eenvoud ontleed hierdie artikel slegs die enkele teikensituasie.

2.1 Simulasie-analise

Die simulasietoestande is soos volg: as in ag geneem word dat 'n breëbandteikensein op 'n enkele vektorhidrofoon inval met 'n invallende asimut van 100◦, en die sein-tot-geraas-verhouding (Sin-tot-geraas-verhouding (SNR)) in dieselfde frekwensieband is ingestel op −20 ~ 16 dB, met die bykomende wit-inval-interval wat nie verband hou met Gause nie, sein, en die steekproeffrekwensie is 20 kHz. Die datalengte van elke berekeningsproses is 5 s, en 75% van die data word in die tydvenster weergegee.

Die stapeltempo word onderverdeel in 17 stukke data met 'n lengte van 1 s, en 32768-punt Fast Fourier Transform (Fast Fourier Transform) word uitgevoer op elke stukkie data.form, FFT) berekening, die verwerkingsfrekwensieband is 200 Hz ~3 kHz, 17 gemiddelde spektra groepe van klank en histo word bereken. algoritme word vir die doel gebruik.

Geskatte standaardoriëntasie. Figuur 3 toon die asimut skattings resultate van die histogram algoritme deur gebruik te maak van die bogenoemde simulasie toestande as 'n funksie van die sein-tot-geraas verhouding (dit wil sê, die genormaliseerde asimut spektrum wissel met die sein. Die geraas verhouding verander, en die asimut spektrum is die amplitude in verskillende asimuthe), en is uitgevoer onder elke simulasie van die sein-tot-it-simulasie-eksperimente, en is 200 in elke simulasie-simulasie-eksperiment. kan gesien word dat die beraamde asimutgeskiedenis geleidelik duidelik word soos die sein-tot-geraas verhouding toeneem. Ten einde die teikenoriëntasieberamingsprestasie van die histogramalgoritme kwantitatief te beskryf, word Figuur 4 en Figuur 5. Die kurwe van rigtingvindfout en -3 dB asimutspektrumwydte versus SNR onderskeidelik gegee. Dit kan gesien word dat wanneer die sein-tot-ruisverhouding −7 dB is, die rigtingbevinding .Die fout is ongeveer 8◦, en die −3 dB asimutspektrumwydte is ongeveer 19◦; wanneer die sein-tot-geraas-verhouding groter as 0 dB is, is die rigtingbevindingsfout en −3 dB asimutspektrumwydte onderskeidelik minder as 3◦ en 7◦

Figuur 6 is die kurwe van die teiken-outonome opsporingsvlag met die sein-tot-geraas-verhouding volgens die teiken-outonome opsporing en opsporingsalgoritme voorgestel in Afdeling 1. Die teikennasporingvlag 1 verteenwoordig dat die algoritme teikennasporing bereik, en 0 beteken dat die teikennasporing nie bereik word nie. Dit kan gesien word uit Figuur 6 dat wanneer die sein-tot-geraas-verhouding groter is as -7 dB. Tyd histogram algoritme outonome teiken kan bereik.

2.2 Tenktoetsontleding

Ten einde die teikenbespeuringsprestasie van die enkelvektor hidrofoonhistogramalgoritme te bemeester, is 'n enkelvektor hidrofoonteikenbespeuringsprestasieverifikasietoets in 'n anechoiese poel uitgevoer. UW350 is as die klankbronteiken tydens die toets gebruik, en die diepte is vir 3 m onder water gebruik. Die sein wat in die toets gebruik word, is die breedte van die seinbron-uitset. Met Gaussiese wit geraas word die uitset piek-tot-piek waarde gestel op 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V en 10 V onderskeidelik. Die transmissietyd van elke sein is 60 s, en die klankbronvlak van die klein seinemissie slaag die formule 20 lg (A1/A2) word bereken, waar A1 en A2 die piek-tot-piekwaardes van die seinbroninstellings is. Vanuit die seinemissieklankbronvlak kan die sein-tot-geraasverhouding van elke kanaal van die vektorhidrofoon bereken word gebaseer op die afstand tussen die vektorhidrofoon en die klankbron. Tabel 1 toon die resultate van die breëband gemiddelde sein-tot-geraas-verhouding van die klankbronsein wat deur elke kanaal van die vektorhidrofoon ontvang word, en gee die gemiddelde waarde van die sein-tot-geraasverhouding van elke kanaal onder verskillende klankbron-emissie-intensiteite. Dit kan gesien word dat die piek-tot-piek waarde van die seinbronuitset onderskeidelik By 10 mV, 20mV, 25mV, 50 mV, 100 mV, 1 V en 10 V, die breëband akoestiese transducer gemiddelde sein-tot-geraas verhouding van die klankbron sein ontvang deur die vektor hidrofoon is −13 dB, −7 dB, −5 dB, 1 dB, 7 dB, 27 dB en 47 dB.

 

Die sewe sein-tot-geraas verhouding seine word afsonderlik verwerk met behulp van die histogram algoritme. Die berekende asimut-skattingsresultate verander met tyd soos in Figuur 7 getoon. Die figuur dui ook die piek-tot-piek waarde van die seinuitset en die vektorhidrofoon in elke tydperk aan. Ontvanger sein-tot-geraas verhouding. Dit kan uit Figuur 7 gesien word dat die beraamde asimut van die klankbronteiken geleidelik stabiliseer soos die ontvangde sein-tot-geraasverhouding toeneem en basies saamval met die ware asimut. Figuur 8 en Figuur 9 toon onderskeidelik die asimutberamingsfout en -3 dB asimutspektrumwydte van die sein-tot-geraasverhoudingseine wat deur die sewe klankbronne deur die histogramalgoritme uitgestuur word. Die verhouding neem toe en neem geleidelik af. Die rigtingvindfout neem toe wanneer die klankbron 'n 10 V piek-tot-piek geraassein uitstraal in vergelyking met 1V piek-tot-piek. Dit is omdat die klankbron 'n hoë klankbronvlaksein uitstuur.

Die swembad het onvolledige geraasvermindering in die lae frekwensieband en daar is sterk koppelvlakrefleksie; wanneer die sein-tot-geraas-verhouding −7 dB is, is die rigtingvindfout ongeveer 8°, en die −3 dB asimutspektrumwydte ongeveer 23° is; en wanneer die sein-tot-geraas-verhouding groter is as By 1 dB, is die rigtingbevindingsfout en -3 dB asimutspektrumwydte minder as 4◦ en 19◦ onderskeidelik. Figuur 10 is die kurwe van teikennasporingsmerk met die intensiteit van die klankbron-emissiesein bereken volgens die teiken outonome opsporing en opsporingsalgoritme. Dit kan gesien word dat wanneer die sein-tot-geraas-verhouding −7 dB is, die histogramalgoritme outonome opsporing van die klankbronteiken kan bewerkstellig.

 

 

2.3 Mariene toetsontleding

 

Deur gebruik te maak van data van die onderwater-akoestiese boei-teiken-opsporing-prestasieverifikasietoetsdata wat in Augustus 2019 in die noordelike waters van die Suid-Chinese See uitgevoer is, is die enkelvektor hidrofoonhistogram-algoritme gebruik om die opsporingsprestasie van maritieme teikens te ontleed. Die diepte van die toetsseegebied is ongeveer 1500 m. Gedurende die toetsperiode is die weerstoestande goed en die wind.

 

 

Die spoed is ongeveer vlak 2. Die metingsresultate van die skip-gedraagde verlating termosout diepte instrument toon dat die klank snelheid profiel 'n eenvormige laag binne 'n diepte van 40 m, en die klank snelheid hoof katastrofiese laag is binne 'n diepte van 40 ~ 200 m, en die klank kanaal as is op 1000 m. Naby die diepte. Tydens die toetsdag van 12:33-14:02 het 'n oppervlakvaartuig met 'n lengte van 42 m, 'n breedte van 6 m en 'n spoed van 8,4 kn naby die akoestiese onderwaterboei teen 'n rigting van 301° verbygesteek. Gedurende die tydperk, die oppervlakvaartuig en die onderwater akoestiek Die afstand van die boei is ongeveer 2 km op die kortste tyd en 13,8 km op die verste tyd. 'n Vergelykingskaart van die teikenasimut-skattingsresultaat bereken deur die histogramalgoritme en die werklike asimut van die oppervlakskip word gegee, en dit kan gesien word dat die histogramalgoritme in die hele 12:33-14:02 tyd is.

 

Figuur 13 en Figuur 14 toon onderskeidelik die histogram-algoritme na die oppervlakskip-teikenrigting-vindfout en -3 dB asimutspektrumbreedteveranderingskromme met tyd in die tydperk van 12:33-14:02. Dit kan gesien word dat die rigtingvindfout die beste is. Dit kan binne 5° bereik, en die −3 dB asimutspektrumwydte kan ongeveer 10° naby die nabygeleë liggingspunt bereik; daarbenewens, as gevolg van die afwyking van die onderwater geskatte posisie van die onderwater akoestiese boei, is die afstand tussen die oppervlakskip en die boeiplatform nader. Die fout van rigtingbevinding neem toe. Figuur 15 is die kurwe van die teikennasporingsmerk oor tyd bereken deur die teiken outonome opsporing en opsporingsalgoritme. Daar kan gesien word dat die algoritme outonome teikennasporing oor die hele reeks kan bereik vir 'n oppervlakvaartuig met 'n spoed van 8,4 kn binne 'n afstand van 13,8 km.

 

3 Gevolgtrekking

Met die oog op die ingenieurstoepassingsvereistes van enkelvektorhidrofone op onbemande onderwaterplatforms, stel hierdie vraestel 'n outonome opsporing en opsporing van onderwaterteikens voor. Naspeurmetode, en gebruik simulasieberekening, anechoic-tenktoets en seetoetsanalise om die histogramalgoritme op te som gebaseer op enkelvektor hidrofoon.Standaard opsporing prestasie. Die resultate van rekenaarsimulasie en anechoiese tenktoetsdata toon dat die histogram-algoritme die sein-tot-geraas-verhouding bereik wat benodig word vir outonome opsporing.As dit groter as -7 dB is, is die rigtingbevindingsfout ongeveer 8°, en die asimutspektrumwydte van -3 dB is ongeveer 20°. Die seetoetsdata toon dat die diepsee goeie hidrologiese toestande is, die histogramalgoritme kan volle teikenopsporing en -nasporing vir 'n oppervlakvaartuig met 'n spoed van 8,4 kn binne 'n afstand van 13,8 km bereik.