تحليل أداء الكشف لخوارزمية تحديد اتجاه الرسم البياني للموجات المائية ذات الاتجاه الواحد

خوارزمية الرسم البياني لـ أ يتمتع مكبر الصوت المتجه الفردي بمتانة جيدة وأداء تقدير السمت المستهدف. تحلل هذه المقالة وتلخص أداء الكشف عن الهدف لخوارزمية الرسم البياني، وتقترح اكتشافًا مستقلاً للأهداف تحت الماء بناءً على تقدير سمت الهدف. خوارزمية التتبع، يمكن لهذه الخوارزمية تحقيق الكشف المستقل عن وجود أو عدم وجود أهداف في الماء. تُظهر نتائج المحاكاة واختبار التجميع عديم الصدى أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء التي تتطلبها خوارزمية الرسم البياني لتحقيق تتبع مستقل للهدف يجب أن تكون أكبر من -7 ديسيبل. في هذا الوقت، يبلغ خطأ تحديد الاتجاه حوالي 8◦، وعرض طيف السمت −3 ديسيبل حوالي 20◦. يُظهر تحليل بيانات الاختبار البحري أن خوارزمية الرسم البياني يمكنها تحقيق الكشف الكامل عن الهدف وتتبعه على مسافة 13.8 كم لسفينة سطحية بسرعة 8.4 عقدة، مع خطأ مثالي في تحديد الاتجاه يبلغ 5◦، وتحمل −3 ديسيبل على مسافة 2 كم. العرض الطيفي يمكن أن يصل إلى 10◦

 

 

القناة الناقلة لل يحتوي مستشعر الموجه المائي على اتجاهية ثنائية القطب مستقلة عن التردد، ولديه القدرة على مقاومة تداخل الضوضاء المتناحية. يمكن أن يحقق الموجه المائي اتجاهًا خاليًا من الضبابية في كامل المساحة، مما يوفر حلاً لاكتشاف الهدف على منصات صغيرة تحت الماء مزودة بأجهزة استشعار صوتية تحت الماء.

ميزته المساحة. في السنوات الأخيرة، مع التحسين المستمر لتكنولوجيا الموجهات المائية، يتم أيضًا تطبيق تكنولوجيا معالجة الإشارات المتجهية بقوة. وقد تطورت بسرعة بسبب الطلب. بالمقارنة مع هيدروفونات ضغط الصوت التقليدية، توفر الهيدروفونات الموجهة معلومات أكثر شمولاً عن مجال الصوت. يمكن قياس الحجم العددي لمجال الصوت فقط، ويمكن أيضًا الحصول على خصائص ناقل مجال الصوت، مما يوسع مساحة معالجة الإشارة بشكل كبير. هناك العديد من خوارزميات تقدير السمت المستهدف استنادًا إلى هيدروفونات متجهة واحدة، بشكل عام، يمكن تقسيمها إلى فئتين وفقًا لمبدأ تحديد الاتجاه: أحدهما هو تقدير السمت بناءً على تدفق الطاقة الصوتية؛ والآخر هو مراعاة كل قناة من القنوات المائية الناقلة. إنها عبارة عن مصفوفة متعددة العناصر، كل عنصر تقريبًا في نفس الموضع في الفضاء، ويتم تطبيق طريقة معالجة إشارات المصفوفة الحالية على الموجه المائي الفردي باستخدام خصائص نمط تدفق المصفوفة للموجه المتجه الفردي نفسه. تتمتع خوارزميات تحديد اتجاه الهدف المختلفة للهيدروفون المتجه بمزاياها وعيوبها الخاصة. وبالمقارنة مع الخوارزميات الأخرى، تتمتع خوارزمية الرسم البياني المتوسط ​​بمتانة أفضل وأداء تقدير اتجاه الهدف، ولديها القدرة على قمع تداخل طيف النطاق الضيق والخط القوي، وهو مناسب بشكل خاص للتطبيقات الهندسية. تحلل هذه الورقة وتلخص خوارزمية تحديد اتجاه الرسم البياني استنادًا إلى هيدروفون متجه واحد، وتقترح خوارزمية كشف وتتبع مستقلة للأهداف تحت الماء بناءً على تقدير اتجاه الهدف، وذلك باستخدام محاكاة الكمبيوتر وبيانات قياس التجمع كاتم الصدى وبيانات التجارب البحرية التي تم تحليلها الرسم البياني وخوارزمية الرسم البياني أداء الكشف عن الهدف.

 

 

1 الخوارزمية النظرية

1.1 خوارزمية تحديد اتجاه الرسم البياني

 

تحتاج خوارزمية الرسم البياني أولاً إلى حساب تقديرات السمت المستهدفة عند نقاط تردد مختلفة، ويتم التعبير عن الحساب

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

⟨Ix(i, f)⟩, (1) في الصيغة (1)، يمثل θ(f) السمت المستهدف المحسوب على ترددات مختلفة f، ويمثل Pw وVxw وVyw ضغط الصوت لموجه الهيدروفون في P والاهتزاز في الاتجاه x، على التوالي. تجمع قناة السرعة وقناة سرعة الاهتزاز ذات الاتجاه y قيم طيف الإشارة، ويمثل Ix وIy تدفق الطاقة الصوتية في الاتجاه x والاتجاه y، على التوالي. ويتبين من المعادلة (1) أن السمت المستهدف المحسوب بالمعادلة (1) يرتبط بالتردد f، وأن تقديرات السمت المستهدفة عند نقاط تردد مختلفة تختلف. يمكن استخدام طريقة تقدير سمت الهدف من خلال الرسم البياني لحساب سمت الهدف في البيئة. تداخل النطاق الضيق وقمع تداخل طيف الخط القوي، ولكن عندما تكون هناك أهداف متعددة في البيئة. عندما تتداخل ترددات الضوضاء المشعة مع بعضها البعض، لا يمكن لطريقة الرسم البياني الحصول على السمت الحقيقي لكل هدف، فقط تدفق الطاقة الصوتية لكل هدف.

 

سيكون التوجه المشترك متحيزًا نحو اتجاه الهدف الأكثر كثافة. تتمثل إحصائيات السمت في الرسم البياني في حساب السمت المقدر للهدف θ(f) في فترة السمت المقابلة وفقًا لعدد نقاط التردد. إذا كان الفاصل الزمني للسمت مقسومًا على 1◦، فإن k = [θ(f) × 180/π]، φ (k) = φ(k) + 1، (2) في الصيغة (2)، [] يمثل عملية التقريب، k هي القيمة التي تم الحصول عليها عن طريق التقريب θ(f)، مثل θ(f) 60، ثم θ( f) = θ(f)+ 360◦، بحيث يقع السمت المقدر للهدف على الفاصل الزمني [0◦ 360◦)، φ هو تردد تقدير السمت عند كل زاوية، وقيمة الزاوية المقابلة للقيمة القصوى هي السمت المقدر للهدف.

 

1.2

خوارزمية للكشف عن الأهداف وتتبعها بشكل مستقل

خوارزمية الكشف والتتبع المستقلة للأهداف تحت الماء بناءً على تقدير اتجاه الهدف. الفكرة الأساسية هي إجراء تحليل إحصائي لاتجاه الهدف الذي تقدره خوارزمية الرسم البياني، ومقارنة إحصائيات الاتجاه مع الحدود المحددة مسبقًا، والتي يمكنها أخيرًا تحقيق الكشف المستقل عن الأهداف تحت الماء والتتبع. يتضمن المخطط الانسيابي لاكتشاف الأهداف وتتبعها بشكل مستقل الخطوات الخمس التالية: (1) أولاً، استخدم خوارزمية الرسم البياني للموجات المائية الموجهة الفردية لمسح الاتجاه المكاني بالكامل للحصول على السمت المقدر Ag للإشارة المستقبلة؛ (2) استخدام افتراضي ثابت يقوم كاشف الإنذار (كاشف CA-CFAR) بإجراء معالجة إنذار كاذب ثابتة على اتجاه الهدف الذي تم الحصول عليه في الخطوة (1)؛ (3) إذا حكم كاشف CA-CFAR على Ag باعتباره اتجاه الإشارة المستهدفة، فسيتم تعيين قيمة Ag إلى المصفوفة AgT[i]، وإلا، قم بتعيين -1 إلى المصفوفة AgT[i] (i = 1, 2, ·, N)؛ (4) إذا كان عدد قيم المصفوفة AgT = −1 أكبر من AT (AT هي العتبة المحددة مسبقًا، AT

 

حساب جذر متوسط ​​مربع الخطأ StdAT، إذا كان StdAT أقل من عتبة StdDT، يتم الحكم على وجود هدف، ويتم تتبع موضع الهدف، وإلا كرر الخطوات (1) ∼ (4). من خلال الخطوات الخمس المذكورة أعلاه، يمكن تحقيق الكشف والتتبع الذاتي للأهداف تحت الماء. مبدأ معالجة CA-CFAR هو أنه عند اكتشاف وتتبع هدف سمتي معين، نظرًا للطبيعة غير الثابتة للبيئة البحرية، يكون احتمال الإنذار الكاذب غير مستقر بالقرب من احتمال اكتشاف معين، والتتبع في الوقت الفعلي لمستوى الضوضاء البيئية هو تحديد عتبة متغيرة بمرور الوقت يمكن أن تحقق تأثير كشف ثابت مع احتمال إنذار كاذب ثابت لهدف السمت. وبشكل عام، فإن العتبة هي دالة لاحتمال الكشف واحتمال الإنذار الكاذب. تقنية معالجة CA-CFAR هي خوارزمية معالجة الإشارات التي توفر عتبة الكشف في نظام الكشف التلقائي وتقلل من تأثير الضوضاء والتداخل على احتمالية الإنذار الكاذب لنظام الكشف. في تقنية المعالجة CA-CFAR، عندما تحتاج وحدة معينة إلى الاختبار، تسمى الوحدة المختبرة وحدة الاختبار (الخلية قيد الاختبار، CUT)، وتسمى وحدة العينة المستخدمة لاستخراج قدرة الضوضاء حول وحدة الاختبار بالوحدة المرجعية (المرجع). الخلايا، RC). ومن أجل منع تسرب إشارة الهدف إلى الوحدة المرجعية، الأمر الذي سيؤثر سلباً على تقدير قدرة الضوضاء، ينبغي حجز جزء من العينة كخلية حراسة (GC) بين الوحدة المرجعية ووحدة الاختبار. يتم إعطاء العلاقة بين وحدة الاختبار والوحدة المرجعية ووحدة الحماية.

2 تحليل أداء الكشف عن الهدف

سيقدم هذا القسم نتائج المحاكاة الحاسوبية لأداء الكشف عن الهدف لخوارزمية الرسم البياني، واستخدام بيانات اختبار المجمع والبحر عديمة الصدى لتحليل

خوارزمية تحديد الاتجاه المستهدف وأداء التتبع المستقل. من أجل التبسيط، تحلل هذه المقالة فقط الموقف المستهدف الوحيد.

2.1 تحليل المحاكاة

شروط المحاكاة هي كما يلي: مع الأخذ في الاعتبار أن إشارة هدف النطاق العريض تقع على هيدروفون متجه واحد مع سمت وارد قدره 100◦، وتم ضبط نسبة الإشارة إلى الضوضاء (نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)) في نفس نطاق التردد على −20 ∼ 16 ديسيبل، مع فواصل زمنية تبلغ 2 ديسيبل، والضوضاء الإضافية هي ضوضاء بيضاء غوسية لا تتعلق بالإشارة الواردة، وتردد أخذ العينات هو 20 كيلو هرتز. طول البيانات لكل عملية حسابية هو 5 ثوان، ويتم استنساخ 75% من البيانات في الإطار الزمني.

ينقسم معدل المكدس إلى 17 قطعة من البيانات بطول 1 ثانية، ويتم إجراء تحويل فورييه سريع 32768 نقطة (تحويل فورييه السريع) على كل قطعة من البيانات. حساب النموذج، FFT، نطاق تردد المعالجة هو 200 هرتز ∼ 3 كيلو هرتز، ويتم حساب 17 مجموعة من أطياف شدة الصوت ومتوسطها، ثم يتم استخدام خوارزمية الرسم البياني لهذا الغرض.

الاتجاه القياسي المقدر. يوضح الشكل 3 نتائج تقدير السمت لخوارزمية الرسم البياني باستخدام شروط المحاكاة المذكورة أعلاه كدالة لنسبة الإشارة إلى الضوضاء (أي أن طيف السمت الطبيعي يختلف مع الإشارة. تتغير نسبة الضوضاء، وطيف السمت هو السعة في سمت مختلفة)، ويتم إجراء 200 تجربة محاكاة مستقلة لمونت كارلو تحت كل نسبة إشارة إلى ضوضاء. ويمكن ملاحظة أن تاريخ السمت المقدر يصبح تدريجيًا واضح مع زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. من أجل الوصف الكمي لأداء تقدير الاتجاه المستهدف لخوارزمية الرسم البياني، يتم إعطاء الشكل 4 والشكل 5. منحنى خطأ تحديد الاتجاه وعرض طيف السمت −3 ديسيبل مقابل نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) على التوالي. ويمكن ملاحظة أنه عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء −7 ديسيبل، فإن تحديد الاتجاه يكون الخطأ حوالي 8◦، وعرض طيف السمت −3 ديسيبل حوالي 19◦؛ عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء أكبر من 0 ديسيبل، يكون خطأ تحديد الاتجاه وعرض طيف السمت −3 ديسيبل أقل من 3◦ و7◦ على التوالي

الشكل 6 هو منحنى علم التتبع الذاتي المستهدف مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء وفقًا لخوارزمية الكشف والتتبع الذاتي المستهدفة المقترحة في القسم 1. تمثل علامة تتبع الهدف 1 أن الخوارزمية تحقق تتبع الهدف، ويعني 0 أن تتبع الهدف لم يتحقق. يمكن أن نرى من الشكل 6 أنه عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء أكبر من -7 ديسيبل. يمكن لخوارزمية الرسم البياني للوقت تحقيق هدف مستقل.

2.2 تحليل اختبار الخزان

من أجل إتقان أداء الكشف عن الهدف لخوارزمية الرسم البياني للهدف المائي أحادي الاتجاه، تم إجراء اختبار التحقق من أداء الكشف عن الهدف المائي أحادي الاتجاه في حوض سباحة عديم الصدى. تم استخدام UW350 كهدف مصدر الصوت أثناء الاختبار، وتم استخدام العمق لمدة 3 أمتار تحت الماء. الإشارة المستخدمة في الاختبار هي عرض مخرج مصدر الإشارة. مع الضوضاء البيضاء الغوسية، يتم ضبط قيمة الذروة إلى الذروة للخرج على 10 مللي فولت، 20 مللي فولت، 25 مللي فولت، 50 مللي فولت، 100 مللي فولت، 1 فولت، و10 فولت على التوالي. وقت إرسال كل إشارة هو 60 ثانية، ويمر مستوى مصدر الصوت لانبعاث الإشارة الصغيرة بالصيغة 20 lg (A1/A2)، حيث A1 وA2 هما القيمتان من الذروة إلى الذروة لإعدادات مصدر الإشارة. من مستوى مصدر صوت انبعاث الإشارة، يمكن حساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء لكل قناة من الموجه المائي بناءً على المسافة بين الموجه المائي ومصدر الصوت. ويبين الجدول 1 نتائج متوسط ​​نسبة الإشارة إلى الضوضاء للنطاق العريض لإشارة مصدر الصوت التي تتلقاها كل قناة من الموجه المائي، ويعطي متوسط ​​قيمة نسبة الإشارة إلى الضوضاء لكل قناة في ظل شدة انبعاث مصدر الصوت المختلفة. يمكن ملاحظة أن قيمة الذروة إلى الذروة لمخرج مصدر الإشارة هي على التوالي عند 10 مللي فولت، 20 مللي فولت، 25 مللي فولت، 50 مللي فولت، 100 مللي فولت، 1 فولت و 10 فولت، متوسط ​​​​نسبة الإشارة إلى الضوضاء لمحول الطاقة الصوتي عريض النطاق لإشارة مصدر الصوت التي يستقبلها الموجه المائي هو −13 ديسيبل و −7 ديسيبل و −5 ديسيبل و 1 ديسيبل و 7 ديسيبل و 27 ديسيبل و 47 ديسيبل.

 

تتم معالجة إشارات نسبة الإشارة إلى الضوضاء السبعة بشكل منفصل باستخدام خوارزمية الرسم البياني. تتغير نتائج تقدير السمت المحسوبة مع مرور الوقت كما هو موضح في الشكل 7. ويشير الشكل أيضًا إلى قيمة الذروة إلى الذروة لمخرج الإشارة ومكبر الصوت المتجه في كل فترة زمنية. نسبة الإشارة إلى الضوضاء لجهاز الاستقبال. يمكن أن نرى من الشكل 7 أن السمت المقدر لهدف مصدر الصوت يستقر تدريجياً مع زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء المستقبلة ويتزامن بشكل أساسي مع السمت الحقيقي. ويبين الشكل 8 والشكل 9 على التوالي خطأ تقدير السمت وعرض طيف السمت بمقدار dB 3 لإشارات نسبة الإشارة إلى الضوضاء المنبعثة من مصادر الصوت السبعة بواسطة خوارزمية الرسم البياني. وتزداد النسبة وتقل تدريجياً. يزداد خطأ تحديد الاتجاه عندما يصدر مصدر الصوت إشارة ضوضاء من الذروة إلى الذروة 10 فولت مقارنة بإشارة ضوضاء 1 فولت من الذروة إلى الذروة. وذلك لأن مصدر الصوت يصدر إشارة عالية المستوى لمصدر الصوت.

يتمتع المسبح بتقليل الضوضاء بشكل غير كامل في نطاق التردد المنخفض ويوجد انعكاس قوي للواجهة؛ وعندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء dB 7-، يكون خطأ تحديد الاتجاه حوالي 8°، ويكون عرض طيف السمت −3 dB حوالي 23°؛ وعندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء أكبر من dB 1، يكون خطأ تحديد الاتجاه وعرض طيف السمت بمقدار dB 3- أقل من 4◦ و19◦، على التوالي. الشكل 10 هو منحنى علامة تتبع الهدف مع شدة إشارة انبعاث مصدر الصوت المحسوبة وفقًا لخوارزمية الكشف والتتبع الذاتي للهدف. يمكن ملاحظة أنه عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء −7 ديسيبل، يمكن لخوارزمية الرسم البياني تحقيق تتبع مستقل لهدف مصدر الصوت.

 

 

2.3 تحليل الاختبار البحري

 

باستخدام البيانات المستمدة من بيانات اختبار التحقق من أداء الكشف عن الأهداف للعوامة الصوتية تحت الماء التي تم إجراؤها في المياه الشمالية لبحر الصين الجنوبي في أغسطس 2019، تم استخدام خوارزمية الرسم البياني الهيدروفوني أحادي الاتجاه لتحليل أداء الكشف عن الأهداف البحرية. ويبلغ عمق منطقة بحر الاختبار حوالي 1500 م. خلال فترة الاختبار تكون الأحوال الجوية جيدة والرياح.

 

 

وتبلغ السرعة حوالي المستوى 2. وتظهر نتائج قياس أداة عمق الملح الحراري المحمولة على متن السفينة أن المظهر الجانبي لسرعة الصوت هو طبقة موحدة على عمق 40 مترًا، وأن الطبقة الكارثية الرئيسية لسرعة الصوت تقع على عمق 40 ∼ 200 متر، ومحور قناة الصوت عند 1000 متر. بالقرب من العمق. خلال يوم الاختبار من الساعة 12:33 إلى 14:02، مرت سفينة سطحية بطول 42 مترًا وعرض 6 أمتار وسرعة 8.4 عقدة بالقرب من العوامة الصوتية تحت الماء بزاوية 301 درجة. خلال هذه الفترة السفينة السطحية والصوتيات تحت الماء تبلغ مسافة العوامة حوالي 2 كم في أقصر وقت و 13.8 كم في أبعد وقت. تم تقديم مخطط مقارنة لنتيجة تقدير السمت المستهدف المحسوب بواسطة خوارزمية الرسم البياني والسمت الحقيقي للسفينة السطحية، ويمكن ملاحظة أن خوارزمية الرسم البياني موجودة في الوقت 12:33-14:02 بأكمله.

 

ويبين الشكل 13 والشكل 14 على التوالي خوارزمية الرسم البياني لخطأ تحديد اتجاه هدف السفينة السطحية ومنحنى تغير عرض طيف السمت بمقدار dB 3 مع مرور الوقت في الفترة الزمنية 14:02-12:33. ويمكن ملاحظة أن خطأ تحديد الاتجاه هو أفضل ما يمكن أن يصل إلى حدود 5 درجات، ويمكن أن يصل عرض طيف السمت dB 3 إلى حوالي 10 درجات بالقرب من نقطة الموقع القريبة؛ بالإضافة إلى ذلك، بسبب انحراف الموقع المقدر تحت الماء للعوامة الصوتية تحت الماء، تكون المسافة بين السفينة السطحية ومنصة العوامة أقرب، ويزداد خطأ تحديد الاتجاه في الوقت المناسب. الشكل 15 هو منحنى علامة تتبع الهدف بمرور الوقت المحسوب بواسطة خوارزمية الكشف والتتبع المستقلة للهدف. يمكن ملاحظة أن الخوارزمية يمكنها تحقيق تتبع الهدف بشكل مستقل عبر النطاق بأكمله لسفينة سطحية بسرعة 8.4 عقدة على مسافة 13.8 كم.

 

3 الاستنتاج

تهدف هذه الورقة إلى تلبية متطلبات التطبيق الهندسي للهيدروفونات أحادية الاتجاه على منصات غير مأهولة تحت الماء، وتقترح اكتشافًا مستقلاً وتتبعًا للأهداف تحت الماء. طريقة التتبع، واستخدام حساب المحاكاة واختبار الخزان كاتم للصدى وتحليل اختبار البحر لتلخيص خوارزمية الرسم البياني استنادًا إلى هيدروفونات متجهة واحدة. أداء الكشف القياسي. تظهر نتائج المحاكاة الحاسوبية وبيانات اختبار الخزان كاتم الصدى أن خوارزمية الرسم البياني تحقق نسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة للتتبع المستقل. وإذا كانت أكبر من -7 ديسيبل، فإن خطأ تحديد الاتجاه يبلغ حوالي 8 درجات، وعرض طيف السمت البالغ -3 ديسيبل يبلغ حوالي 20 درجة. تُظهر بيانات الاختبار البحري أن أعماق البحار تتمتع بظروف هيدرولوجية جيدة، ويمكن لخوارزمية الرسم البياني تحقيق الكشف الكامل عن الهدف وتتبعه لسفينة سطحية بسرعة 8.4 عقدة على مسافة 13.8 كم. ويمكن أن يصل أفضل خطأ في تحديد الاتجاه إلى 5◦، ويمكن أن يصل عرض طيف السمت −3 ديسيبل إلى 10◦ بالقرب من الموضع القريب.