Аналіз эфектыўнасці выяўлення алгарытму пеленгацыі гістаграмы аднавектарнага гідрафона

Алгарытм гістаграмы a аднавектарны гідрафон мае добрую ўстойлівасць і характарыстыкі ацэнкі азімута мэты. У гэтым артыкуле аналізуецца і абагульняецца эфектыўнасць выяўлення мэтаў алгарытму гістаграмы, а таксама прапануецца аўтаномнае выяўленне падводных мэтаў на аснове ацэнкі азімута мэты. Алгарытм сачэння, гэты алгарытм можа дамагчыся аўтаномнага выяўлення наяўнасці або адсутнасці мэтаў у вадзе. Вынікі мадэлявання і выпрабаванняў безэхавой пула паказваюць, што суадносіны сігнал/шум, патрабаванае алгарытмам гістаграмы для дасягнення аўтаномнага суправаджэння мэты, павінна быць больш за −7 дБ. У гэты час памылка пеленгавання складае каля 8°, а шырыня спектру па азімуце −3 дБ складае каля 20°. Аналіз дадзеных марскіх выпрабаванняў паказвае, што алгарытм гістаграмы можа дамагчыся поўнага выяўлення і суправаджэння мэты на адлегласці 13,8 км для надводнага судна з хуткасцю 8,4 вузла, з аптымальнай памылкай пеленгавання 5° і пеленгам -3 дБ на адлегласці 2 км. Шырыня спектру можа дасягаць 10◦

 

 

Вектарны канал Датчык вектарнага гідрафона мае незалежную ад частоты дыпольную накіраванасць і валодае здольнасцю супрацьстаяць ізатропным шумавым перашкодам. Вектарны гідрафон можа дасягнуць арыентацыі без размытасці ў поўнай прасторы, што забяспечвае рашэнне для выяўлення мэты на невялікіх падводных платформах, абсталяваных падводнымі акустычнымі датчыкамі.

яго перавага прасторы. У апошнія гады з пастаянным удасканаленнем тэхналогіі вектарных гідрафонаў тэхналогія апрацоўкі вектарных сігналаў таксама актыўна прымяняецца. Кіруючыся попытам, яна хутка развівалася. У параўнанні са звычайнымі гідрафонамі гукавога ціску, вектарныя гідрафоны даюць больш поўную інфармацыю аб гукавым полі. Можна вымераць толькі скаляр гукавога поля, а таксама атрымаць вектарныя характарыстыкі гукавога поля, што значна пашырае прастору апрацоўкі сігналу. Існуе шмат алгарытмаў ацэнкі азімута мэты, заснаваных на аднавектарных гідрафонах, у цэлым іх можна падзяліць на дзве катэгорыі ў адпаведнасці з прынцыпам пеленгавання: адна - гэта ацэнка азімута на аснове патоку гукавой энергіі; другі - разглядаць кожны канал вектарнага гідрафона. Гэта шматэлементны масіў, кожны элемент якога знаходзіцца прыкладна ў аднолькавым становішчы ў прасторы, і існуючы метад апрацоўкі сігналаў масіва прымяняецца да аднавектарнага гідрафона з выкарыстаннем характарыстык схемы патоку масіва самога аднавектарнага гідрафона. Розныя алгарытмы пеленгавання мэты вектарнага гідрафона маюць свае перавагі і недахопы. У параўнанні з іншымі алгарытмамі, алгарытм сярэдняй гістаграмы мае лепшую надзейнасць і прадукцыйнасць ацэнкі арыентацыі мэты, а таксама мае магчымасць падаўляць вузкапалосныя і моцныя перашкоды ў спектры ліній, што асабліва падыходзіць для інжынерных прыкладанняў. У гэтым артыкуле аналізуецца і абагульняецца алгарытм пеленгацыі гістаграмы на аснове аднаго вектарнага гідрафона і прапануецца аўтаномны алгарытм выяўлення і суправаджэння падводных мэтаў на аснове ацэнкі арыентацыі мэты з выкарыстаннем камп'ютэрнага мадэлявання, даных вымярэнняў безэхавой зоны і дадзеных марскіх эксперыментаў, прааналізаваных гістаграмы і графіка алгарытму выяўлення мэты.

 

 

1 Тэарэтычны алгарытм

1.1 Алгарытм пеленгавання гістаграмы

 

Алгарытм гістаграмы павінен спачатку вылічыць ацэнкі азімута мэты ў розных частатных кропках, і выраз разліку

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

⟨Ix(i, f)⟩, (1) У формуле (1) θ(f) уяўляе азімут мэты, разлічаны на розных частотах f, а Pw, Vxw і Vyw уяўляюць гукавы ціск вектарнага гідрафона ў P і вібрацыю ў напрамку x адпаведна. Канал хуткасці і канал хуткасці вібрацыі ў напрамку y збіраюць значэнні спектру сігналу, а Ix і Iy прадстаўляюць паток акустычнай энергіі ў напрамку x і y адпаведна. З раўнання (1) відаць, што азімут мэты, разлічаны з дапамогай раўнання (1), звязаны з частатой f, і ацэнкі азімута мэты ў розных кропках частаты адрозніваюцца. Метад ацэнкі азімута мэты па гістаграме можа быць выкарыстаны для разліку азімута мэты ў навакольным асяроддзі. Падаўленне вузкапалосных перашкод і моцнага лінейнага спектру перашкод, але калі ў асяроддзі ёсць некалькі мэтаў. Калі частоты выпраменьванага шуму перакрываюць адна адну, метад гістаграмы не можа атрымаць сапраўдны азімут кожнай мэты, а толькі паток гукавой энергіі кожнай мэты.

 

Камбінаваная арыентацыя будзе зрушана ў бок больш інтэнсіўнай мэтавай арыентацыі. Статыстыка азімута гістаграмы заключаецца ў падліку разліковага азімута мэты θ(f) у адпаведным інтэрвале азімута ў адпаведнасці з колькасцю частатных кропак. Калі азімутальны інтэрвал падзяліць на 1◦, то k = [θ(f) × 180/π], φ (k) = φ(k) + 1, (2) У формуле (2) [] прадстаўляе аперацыю акруглення, k — значэнне, атрыманае акругленнем θ(f), напрыклад θ(f) 60, тады θ( f) = θ(f)+ 360◦, так што разліковы азімут мэты прыпадае на інтэрвал [0◦ 360◦), φ - частата ацэнкі азімута для кожнага вугла, а значэнне вугла, якое адпавядае максімальнаму значэнню, з'яўляецца разліковым азімутам мэты.

 

1.2

Алгарытм аўтаномнага выяўлення і суправаджэння мэты

Алгарытм аўтаномнага выяўлення і суправаджэння падводных мэтаў на аснове ацэнкі арыенціроўкі мэты. Асноўная ідэя складаецца ў тым, каб выканаць статыстычны аналіз арыентацыі мэты, ацэненай алгарытмам гістаграмы, і параўнаць статыстыку арыентацыі з прадусталяванымі парогамі, што можа ў канчатковым выніку рэалізаваць аўтаномнае выяўленне падводных мэтаў і суправаджэнне. Блок-схема аўтаномнага выяўлення і суправаджэння мэты ўключае ў сябе наступныя пяць этапаў: (1) Спачатку выкарыстоўвайце алгарытм гістаграмы аднавектарнага гідрафона для сканавання ўсяго прасторавага напрамку для атрымання разліковага азімута Ag атрыманага сігналу; (2) Выкарыстоўваць пастаянную віртуальную сігналізацыю. Дэтэктар сігналізацыі (дэтэктар CA-CFAR) выконвае пастаянную апрацоўку ілжывай сігналізацыі па мэтавай арыентацыі, атрыманай на этапе (1); (3) Калі дэтэктар CA-CFAR вызначае Ag як арыентацыю мэтавага сігналу, значэнне Ag прысвойваецца матрыцы AgT[i], у адваротным выпадку прысвойваецца −1 матрыцы AgT[i] (i = 1, 2, ·, N); (4) Калі колькасць значэнняў матрыцы AgT = −1 большая за AT (AT — зададзены парог, AT

 

Вылічэнне сярэднеквадратычнай памылкі StdAT, калі StdAT меншае за парогавае значэнне StdDT, лічыцца, што мэта ёсць, і мэтавая пазіцыя адсочваецца, у адваротным выпадку паўтарыце крокі (1) ~ (4). З дапамогай вышэйпералічаных 5 этапаў можна дамагчыся аўтаномнага выяўлення і суправаджэння падводных мэтаў. Прынцып апрацоўкі CA-CFAR заключаецца ў тым, што пры выяўленні і суправаджэнні пэўнай азімутальнай мэты з-за нестацыянарнага характару марскога асяроддзя верагоднасць ілжывай трывогі нестабільная паблізу пэўнай верагоднасці выяўлення, а адсочванне ўзроўню шуму ў навакольным асяроддзі ў рэжыме рэальнага часу ўстанаўлівае парог, які змяняецца ў часе, можа дасягнуць пастаяннага эфекту выяўлення з пастаяннай верагоднасцю ілжывай трывогі для азімутальнай мэты. Увогуле, парог - гэта функцыя верагоднасці выяўлення і верагоднасці ілжывай трывогі. Тэхналогія апрацоўкі CA-CFAR - гэта алгарытм апрацоўкі сігналу, які забяспечвае парог выяўлення ў сістэме аўтаматычнага выяўлення і мінімізуе ўплыў шумоў і перашкод на верагоднасць ілжывай трывогі сістэмы выяўлення. У тэхналогіі апрацоўкі CA-CFAR, калі неабходна праверыць пэўны блок, тэставаны блок называецца тэставым блокам (Cell under test, CUT), а блок выбаркі, які выкарыстоўваецца для вылучэння магутнасці шуму вакол тэставага блока, называецца эталонным блокам (эталон). клеткі, RC). Каб прадухіліць уцечку мэтавага сігналу ў эталонны блок, што негатыўна паўплывае на ацэнку магутнасці шуму, частка ўзору павінна быць зарэзервавана ў якасці ахоўнай ячэйкі (GC) паміж эталонным блокам і тэставым блокам. Дадзена ўзаемасувязь паміж тэставым блокам, эталонным блокам і блокам абароны.

2 Аналіз эфектыўнасці выяўлення мэтаў

У гэтым раздзеле будуць прадстаўлены вынікі камп'ютэрнага мадэлявання эфектыўнасці выяўлення мэты алгарытму гістаграмы, а таксама будуць выкарыстаны даныя безэхавых басейнаў і марскіх выпрабаванняў для аналізу

Алгарытм пеленгавання і аўтаномнага суправаджэння мэты. Дзеля прастаты ў гэтым артыкуле аналізуецца толькі адна мэтавая сітуацыя.

2.1 Аналіз мадэлявання

Умовы мадэлявання наступныя: прымаючы пад увагу, што шырокапалосны мэтавы сігнал падае на адзін вектарны гідрафон з азімутам падзення 100◦, а стаўленне сігнал/шум (SNR) у тым жа дыяпазоне частот усталявана на −20 ~ 16 дБ з інтэрваламі ў 2 дБ, дадатковы шум - гэта белы шум Гаўса, які не звязаны з падаючым сігналам, і частата дыскрэтызацыі 20 кГц. Даўжыня дадзеных кожнага працэсу разліку складае 5 секунд, і 75% дадзеных прайграваецца ў часавым акне.

Хуткасць стэка падпадзяляецца на 17 частак даных працягласцю 1 с, і 32768-кропкавае хуткае пераўтварэнне Фур'е (хуткае пераўтварэнне Фур'е) выконваецца для кожнай часткі вылічэння data.form, БПФ, дыяпазон частот апрацоўкі складае 200 Гц ~3 кГц, 17 груп спектраў інтэнсіўнасці гуку разлічваюцца і асерадняюцца, а затым алгарытм гістаграмы выкарыстоўваецца для прызначэнне.

Разліковая стандартная арыентацыя. На малюнку 3 паказаны вынікі ацэнкі азімута алгарытму гістаграмы з выкарыстаннем прыведзеных вышэй умоў мадэлявання ў залежнасці ад адносіны сігнал/шум (гэта значыць, нармалізаваны спектр азімута змяняецца ў залежнасці ад сігналу. Каэфіцыент шуму змяняецца, а спектр азімута з'яўляецца амплітудай у розных азімутах), і 200 незалежных эксперыментаў мадэлявання Монтэ-Карла выконваюцца пад кожным Адносіны сігнал/шум. Можна заўважыць, што разліковая гісторыя азімута паступова становіцца зразумелай па меры павелічэння адносіны сігнал/шум. Для таго, каб колькасна апісаць прадукцыйнасць ацэнкі мэтавай арыентацыі алгарытму гістаграмы, малюнак 4 і малюнак 5. Адпаведна прыведзены крывая памылкі пеленгавання і шырыня спектру па азімуце -3 дБ у залежнасці ад SNR. Відаць, што пры суадносінах сігнал/шум роўна -7 дБ, хібнасць пеленгавання складае каля 8 ◦, а шырыня спектру па азімуце -3 дБ складае каля 19 ◦; калі стаўленне сігнал/шум больш за 0 дБ, памылка пеленгавання і шырыня спектру па азімуце -3 дБ адпаведна меншыя за 3 ◦ і 7 ◦

Малюнак 6 - крывая сцяга аўтаномнага адсочвання мэты з стаўленнем сігнал/шум у адпаведнасці з алгарытмам аўтаномнага выяўлення і адсочвання мэты, прапанаваным у раздзеле 1. Флаг адсочвання мэты 1 паказвае, што алгарытм дасягае адсочвання мэты, а 0 азначае, што адсочванне мэты не дасягнута. На малюнку 6 відаць, што калі стаўленне сігнал/шум больш за −7 дБ. Алгарытм гістаграмы часу можа дасягнуць аўтаномнай мэты.

2.2 Аналіз выпрабаванняў танка

Для таго, каб асвоіць эфектыўнасць выяўлення мэты алгарытму аднавектарнай гістаграмы гідрафона, быў праведзены тэст праверкі эфектыўнасці выяўлення мэты аднавектарным гідрафонам у безэхавой зоне. UW350 выкарыстоўваўся ў якасці крыніцы гуку падчас выпрабаванняў, а глыбіня выкарыстоўвалася для 3 м пад вадой. Сігнал, які выкарыстоўваецца ў тэсце, з'яўляецца шырынёй выхаднога сігналу крыніцы. Пры белым шуме Гаўса размах выходнага размаху ўсталёўваецца на 10 мВ, 20 мВ, 25 мВ, 50 мВ, 100 мВ, 1 В і 10 В адпаведна. Час перадачы кожнага сігналу складае 60 с, а ўзровень выпраменьвання слабога сігналу ад крыніцы гуку праходзіць па формуле 20 lg (A1/A2), дзе A1 і A2 — размах налад крыніцы сігналу. Зыходзячы з узроўню выпраменьванага сігналу крыніцай гуку, можна вылічыць стаўленне сігнал/шум кожнага канала вектарнага гідрафона на аснове адлегласці паміж вектарным гідрафонам і крыніцай гуку. У табліцы 1 паказаны вынікі шырокапалоснага сярэдняга адносіны сігнал/шум сігналу крыніцы гуку, атрыманага кожным каналам вектарнага гідрафона, і дадзена сярэдняе значэнне адносіны сігнал/шум кожнага канала пры розных інтэнсіўнасцях выпраменьвання крыніцы гуку. Відаць, што размах выхаду крыніцы сігналу складае адпаведна Пры 10 мВ, 20 мВ, 25 мВ, 50 мВ, 100 мВ, 1 В і 10 В, шырокапалосны акустычны пераўтваральнік, сярэдняе стаўленне сігнал/шум сігналу крыніцы гуку, атрыманага вектарным гідрафонам, складае -13 дБ, -7 дБ, -5 дБ, 1 дБ, 7 дБ, 27 дБ і 47 дБ.

 

Сем сігналаў суадносін сігнал/шум апрацоўваюцца асобна з дапамогай алгарытму гістаграмы. Разлічаныя вынікі ацэнкі азімута змяняюцца з часам, як паказана на малюнку 7. На малюнку таксама пазначана размах выхаднога сігналу і вектарнага гідрафона ў кожны перыяд часу. Стаўленне сігнал/шум прымача. На малюнку 7 відаць, што разліковы азімут мэты крыніцы гуку паступова стабілізуецца па меры павелічэння прыманага адносіны сігнал/шум і ў асноўным супадае з сапраўдным азімутам. Малюнкі 8 і малюнак 9 адпаведна паказваюць памылку ацэнкі азімута і шырыню спектру па азімуце -3 дБ сігналаў адносіны сігнал/шум, выпраменьваных сямю крыніцамі гуку з дапамогай алгарытму гістаграмы. Каэфіцыент павялічваецца і паступова памяншаецца. Памылка пеленгавання ўзрастае, калі крыніца гуку выдае шумавы сігнал 10 В ад размаху да піку ў параўнанні з 1 В ад размаху да піку. Гэта таму, што крыніца гуку выдае сігнал з высокім узроўнем крыніцы гуку.

Пул мае няпоўнае зніжэнне шуму ў дыяпазоне нізкіх частот і ёсць моцнае адлюстраванне інтэрфейсу; пры суадносінах сігнал/шум -7 дБ памылка пеленгавання складае каля 8°, а шырыня спектру па азімуце -3 дБ складае каля 23°; і калі стаўленне сігнал/шум большае за At 1 дБ, памылка пеленгацыі і шырыня спектру па азімуце -3 дБ меншыя за 4◦ і 19◦ адпаведна. На малюнку 10 - крывая маркі суправаджэння мэты з інтэнсіўнасцю сігналу выпраменьвання крыніцы гуку, разлічанай па алгарытме аўтаномнага выяўлення і суправаджэння мэты. Відаць, што калі стаўленне сігнал/шум складае -7 дБ, алгарытм гістаграмы можа забяспечыць аўтаномнае адсочванне мэты крыніцы гуку.

 

 

2.3 Аналіз марскіх выпрабаванняў

 

З выкарыстаннем дадзеных праверкі эфектыўнасці выяўлення мэтаў падводнага акустычнага буя, праведзенага ў паўночных водах Паўднёва-Кітайскага мора ў жніўні 2019 года, для аналізу эфектыўнасці выяўлення марскіх мэтаў быў выкарыстаны алгарытм аднавектарнай гідрафоннай гістаграмы. Глыбіня доследнага марскога ўчастка складае каля 1500 м. У перыяд выпрабаванняў добрыя ўмовы надвор'я і вецер.

 

 

Хуткасць прыкладна роўная 2. Вынікі вымярэнняў карабельнага прыбора для вымярэння тэрмасалявой глыбіні пакінутых гукаў паказваюць, што профіль хуткасці гуку ўяўляе сабой аднастайны пласт на глыбіні 40 м, а асноўны катастрафічны пласт хуткасці гуку знаходзіцца на глыбіні 40 ~ 200 м, а вось гукавога канала знаходзіцца на 1000 м. Каля глыбіні. У выпрабавальны дзень з 12:33 да 14:02 надводнае судна даўжынёй 42 м, шырынёй 6 м і хуткасцю 8,4 вузла прайшло каля падводнага акустычнага буя з курсам 301°. На працягу перыяду надводнае судна і падводная акустыка. Адлегласць буя складае каля 2 км у самы кароткі час і 13,8 км у самы далёкі час. Прыведзена параўнальная табліца выніку ацэнкі азімута мэты, разлічанага па алгарытме гістаграмы, і рэальнага азімута надводнага карабля, з якой відаць, што алгарытм гістаграмы знаходзіцца ва ўсім часе 12:33-14:02.

 

На малюнках 13 і 14 адпаведна паказаны алгарытм гістаграмы для памылкі пеленгавання мэты надводнага карабля і крывой змены шырыні спектру па азімуце -3 дБ з часам у перыяд часу 12:33-14:02. Відаць, што памылка пеленгавання з'яўляецца найлепшай. Яна можа дасягаць 5°, а шырыня спектру па азімуце -3 дБ можа дасягаць каля 10° паблізу блізкай кропкі месцазнаходжання; акрамя таго, з-за адхіленні падводнага разліковага становішча падводнага акустычнага буя адлегласць паміж надводным караблём і платформай буя збліжаецца. Хібнасць пеленгацыі ў часе павялічваецца. Малюнак 15 - крывая маркі суправаджэння мэты ў часе, разлічаная алгарытмам аўтаномнага выяўлення і суправаджэння мэты. Відаць, што алгарытм дазваляе забяспечыць аўтаномнае суправаджэнне мэты на ўсёй далёкасці для надводнага судна з хуткасцю 8,4 вузла на дыстанцыі 13,8 км.

 

3 Заключэнне

Адпавядаючы патрабаванням інжынернага прымянення аднавектарных гідрафонаў на падводных беспілотных платформах, у гэтым дакуменце прапануецца аўтаномнае выяўленне і суправаджэнне падводных мэтаў. Метад адсочвання і выкарыстанне разлікаў мадэлявання, выпрабаванне безэхавой ёмістасці і аналіз марскіх выпрабаванняў, каб абагульніць алгарытм гістаграмы на аснове аднавектарнага гідрафона. Стандартная прадукцыйнасць выяўлення. Вынікі камп'ютэрнага мадэлявання і даныя выпрабаванняў безэхавой ёмістасці паказваюць, што алгарытм гістаграмы дасягае суадносін сігнал/шум, неабходных для аўтаномнага сачэння. Калі яно больш за −7 дБ, памылка пеленгацыі складае каля 8°, а шырыня спектру па азімуце ў −3 дБ складае каля 20°. Дадзеныя марскіх выпрабаванняў паказваюць, што ў глыбокім моры добрыя гідралагічныя ўмовы, алгарытм гістаграмы можа дасягнуць поўнага выяўлення мэты і суправаджэння надводнага судна са хуткасцю 8,4 вузла на адлегласці 13,8 км. Найлепшая памылка пеленгавання можа дасягаць 5°, а шырыня спектру па азімуце −3 дБ можа дасягаць 10° паблізу блізкага становішча.