تحليل أداء الكشف عن الهدف لخوارزمية رسم بياني ذات نافذة هيدروفونية متجهة واحدة

تحليل أداء كشف الهدف لخوارزمية الرسم البياني  لمكبر صوت موجه واحد 

تتمتع خوارزمية الرسم البياني لمكبر الصوت الموجه الفردي بمتانة جيدة وأداء تقدير السمت المستهدف. تقوم هذه الورقة بتحليل وتلخيص أداء الكشف عن الهدف لخوارزمية الرسم البياني، وخوارزمية الكشف والتتبع المستقلة ل تم اقتراح محول صوتي تحت الماء بناءً على السمت المقدر للهدف. تُظهر نتائج المحاكاة الحاسوبية واختبار الخزان كاتم الصدى أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء التي تتطلبها خوارزمية الرسم البياني ذات الإطارات للتتبع المستقل يجب أن تكون أكبر من 7 ديسيبل. وفي ظل هذه الحالة، يبلغ الخطأ المقدر في السمت وعرض الحزمة بمقدار dB 3 حوالي 8 ◦ و20 ◦ على التوالي. تظهر نتائج التجربة البحرية أنه في ظل الظروف الهيدرولوجية الجيدة في أعماق البحار، يمكن لخوارزمية الرسم البياني ذات النوافذ تحقيق اكتشاف الهدف وتتبعه لسفينة سطحية بسرعة 8.4 عقدة ضمن نطاق 13.8 كم. يمكن أن يصل خطأ السمت المقدر الأمثل إلى 5 ◦ ، ويمكن أن يصل عرض الحزمة بمقدار 3 ديسيبل إلى حوالي 10 ◦ على مسافة 2 كم.

 

تتميز القناة المتجهة للمكبر المائي المتجه باتجاهية ثنائية القطب مستقلة عن التردد، ولديها القدرة على مقاومة تداخل الضوضاء المتناحية. يمكن للموجه المائي المتجه تحقيق اتجاه خالٍ من الضبابية في كامل المساحة، مما يوفر حلاً للكشف عن الهدف على منصة صغيرة تحت الماء مزودة بأجهزة استشعار صوتية.

 

ميزة المساحة. في السنوات الأخيرة، مع التحسين المستمر ل تكنولوجيا استشعار ناقلات هيدروفون ، كما يتم تطبيق تكنولوجيا معالجة الإشارات ناقلات بقوة. وقد تطورت بسرعة بسبب الطلب. بالمقارنة مع هيدروفونات ضغط الصوت التقليدية، توفر الهيدروفونات الموجهة معلومات أكثر شمولاً عن مجال الصوت. لا يمكنه قياس الكمية العددية لمجال الصوت فحسب، بل يمكنه أيضًا الحصول على الخصائص المتجهة لمجال الصوت، مما يؤدي إلى توسيع مساحة معالجة الإشارة بشكل كبير. هناك العديد من خوارزميات تقدير السمت المستهدف استنادًا إلى هيدروفونات متجهة واحدة، ولكن بشكل عام، يمكن تقسيمها إلى فئتين وفقًا لمبدأ تحديد الاتجاه: أحدهما هو تقدير السمت بناءً على تدفق الطاقة الصوتية؛ والآخر هو اعتبار كل قناة من الموجه المائي بمثابة مصفوفة متعددة العناصر، حيث يقع كل عنصر بيزو تقريبًا في نفس النقطة في الفضاء، ويتم تطبيق طريقة معالجة إشارة المصفوفة الحالية على الموجه المائي الفردي باستخدام خصائص نمط تدفق المصفوفة للموجه المائي الفردي نفسه. إن الخوارزميات المختلفة لتحديد اتجاه الهدف الخاصة بالهيدروفونات المتجهة لها مزاياها وعيوبها. من بينها، تتمتع خوارزمية الرسم البياني بمتانة أفضل وأداء تقدير السمت المستهدف من الخوارزميات الأخرى، ولديها القدرة على قمع تداخل النطاق الضيق وطيف الخط القوي. إنها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات الهندسية. تقوم هذه الورقة بتحليل وتلخيص خوارزمية تحديد اتجاه الرسم البياني استنادًا إلى هيدروفون متجه واحد، وتقترح خوارزمية كشف وتتبع مستقلة للأهداف تحت الماء استنادًا إلى سمت الهدف 

الشكل 6 هو منحنى علامة التتبع الذاتي للهدف مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء وفقًا لخوارزمية الكشف والتتبع الذاتي للهدف المقترحة في القسم 1. تمثل علامة تتبع الهدف 1 أن الخوارزمية تحقق تتبع الهدف، وهذا يعني 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 تحقيق تتبع مستقل للهدف.

2.2 تحليل اختبار الخزان

من أجل إتقان أداء الكشف عن الهدف لخوارزمية الرسم البياني للموجات المائية ذات المتجهات الفردية، تم تنفيذ أداء الكشف عن الأهداف للموجات المائية ذات المتجهات الفردية في المجمع عديم الصدى.

وفي اختبار التحقق، تم استخدام UW350 كهدف مصدر الصوت أثناء الاختبار، وكان العمق 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 الإشارة هو 60 ثانية، ويتم حساب مستوى مصدر صوت انبعاث الإشارة الصغيرة بواسطة الصيغة 20 lg (A1/A2)، حيث A1 وA2 هما قيمة الذروة إلى الذروة لإخراج إعداد مصدر الإشارة. يمكن حساب مستوى مصدر الصوت الذي ينبعث منه الإشارة وفقًا للمسافة بين الموجه المائي ومصدر الصوت للحصول على نسبة الإشارة إلى الضوضاء لكل قناة من الموجه المائي. 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 عند 10 مللي فولت، 20 مللي فولت، 25 مللي فولت، 50 مللي فولت، 100 مللي فولت، 1 فولت و10 فولت، متوسط نسبة الإشارة إلى الضوضاء للنطاق العريض لإشارة مصدر الصوت التي يستقبلها مكبر الصوت المتجه هو 13 ديسيبل، 7 ديسيبل، 5 ديسيبل، على التوالي، 1 ديسيبل، 7 ديسيبل، 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 تبلغ 10 فولت مقارنة بـ 1 فولت من الذروة إلى الذروة. ويرجع ذلك إلى أن مصدر الصوت يصدر إشارة بمستوى مصدر صوت مرتفع.

 

 

يتم توهين التجمع الصوتي بشكل غير كامل في نطاق التردد المنخفض وهناك انعكاس قوي للواجهة؛ عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء 7 ديسيبل، يكون خطأ تحديد الاتجاه حوالي 8 ◦، 3 ديسيبل مربع

يبلغ عرض طيف البتات حوالي 23◦؛ عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء أكبر من 1 ديسيبل، يكون خطأ تحديد الاتجاه وعرض طيف السمت 3 ديسيبل أقل من 4◦ و19◦، على التوالي. الشكل 10 هو منحنى علامة تتبع الهدف المحسوبة وفقًا لخوارزمية الكشف والتتبع المستقلة للهدف مع شدة إشارة انبعاث مصدر الصوت، والتي يمكن رؤيتها. عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء 7 ديسيبل، يمكن لخوارزمية الرسم البياني تحقيق تتبع مستقل لمصدر الصوت الهدف.

 

2.3 تحليل الاختبار البحري

باستخدام البيانات من بيانات اختبار التحقق من أداء الكشف عن الأهداف بواسطة عوامة الاستشعار الصوتية تحت الماء التي تم إجراؤها في المياه الشمالية لبحر الصين الجنوبي في أغسطس 2019، تم استخدام خوارزمية الرسم البياني لمكبر الصوت أحادي الاتجاه لتحليل أداء الكشف عن الأهداف البحرية. ويبلغ عمق منطقة بحر الاختبار حوالي 1500 م. أثناء الاختبار، كانت الظروف الجوية جيدة وسرعة الرياح حوالي المستوى 2. وتظهر نتائج القياس لمقياس عمق الملح الحراري المحمول على متن السفينة أن المظهر الجانبي لسرعة الصوت عبارة عن طبقة موحدة على عمق 40 مترًا وعمق 40200 متر. وفي الداخل توجد الطبقة الانتقالية الرئيسية لسرعة الصوت، ويقع محور المسالك الصوتية على عمق يقارب 1000 متر. 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، كانت هناك سفينة سطحية وصوتيات تحت الماء. وتبلغ مسافة العوامة حوالي 2 كم في أقصر وقت و13.8 كم في أبعد وقت. يظهر مخطط الحالة في الشكل 11. ويبين الشكل 12 المقارنة بين نتائج السمت المقدرة للسمت المستهدف للسفينة السطحية المحسوبة بواسطة خوارزمية الرسم البياني والسمت الحقيقي. يمكن ملاحظة أن خوارزمية الرسم البياني يمكنها تحقيق هدف السفينة السطحية خلال الفترة الزمنية 12:33-14:02 بأكملها.

ويبين الشكل 13 والشكل 14 على التوالي خوارزمية الرسم البياني لخطأ تحديد اتجاه هدف السفينة السطحية وعرض طيف السمت بمقدار dB 3 مقابل منحنى الوقت في الفترة الزمنية 14:02-12:33. ويمكن ملاحظة أن خطأ تحديد الاتجاه هو الأفضل حيث يمكن أن يصل إلى 5 ◦، ويمكن أن يصل عرض طيف السمت 3 ديسيبل إلى حوالي 10 ◦ بالقرب من نقطة الموقع القريبة؛ بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لانحراف موضع العوامة الصوتية تحت الماء، فإن المسافة بين السفينة السطحية ومنصة العوامة قريبة نسبيًا. يزداد الخطأ في 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 الموجودة على منصات غير مأهولة تحت الماء، وتقترح طريقة للكشف المستقل وتتبع مستشعر بالموجات فوق الصوتية تحت الماء ، ويستخدم حسابات المحاكاة، واختبارات الخزانات عديمة الصدى، وتحليل الاختبارات البحرية للتلخيص استنادًا إلى الماء المتجه الفردي. وكان لخوارزمية الرسم البياني للمستمع أداء كشف قياسي. تظهر نتائج المحاكاة الحاسوبية وبيانات اختبار المجمع عديم الصدى أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء التي تتطلبها خوارزمية الرسم البياني لتحقيق التتبع المستقل يجب أن تكون أكبر من 7 ديسيبل، وفي هذا الوقت يبلغ خطأ تحديد الاتجاه حوالي 8 درجات، وعرض طيف السمت 3 ديسيبل حوالي 20 درجة. تظهر بيانات الاختبار البحري أنه في ظل الظروف الهيدرولوجية الجيدة في أعماق البحار، يمكن لخوارزمية الرسم البياني تحقيق الكشف الكامل عن الهدف وتتبعه على مسافة 13.8 كم لسفينة سطحية بسرعة 8.4 عقدة، ويمكن أن يصل أفضل خطأ في تحديد الاتجاه إلى 5◦. يمكن أن يصل عرض طيف السمت بمقدار 3 ديسيبل إلى حوالي 10◦ بالقرب من نقطة الموضع القريبة.