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 дасягнуць поўнага выяўлення і суправаджэння мэты на адлегласці 13,8 км для надводнага судна з хуткасцю 8,4 вузла, з аптымальнай памылкай пеленгацыі 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; іншы - разглядаць кожны канал вектарнага гідрафона. Гэта шматэлементны масіў, кожны элемент якога знаходзіцца прыкладна ў аднолькавым месцы 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, а таксама 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 зрушаная 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 зададзенымі парогавымі значэннямі, што можа ў канчатковым выніку рэалізаваць аўтаномнае выяўленне падводных мэтаў і суправаджэнне. Блок-схема аўтаномнага выяўлення і суправаджэння мэты ўключае ў сябе наступныя пяць крокаў: (1) Спачатку выкарыстоўвайце алгарытм гістаграмы аднавектарнага гідрафона для сканавання ўсяго прасторавага напрамку для атрымання разліковага азімута Ag атрыманага сігналу; (2) Выкарыстоўвайце 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: калі прыняць да ўвагі, што шырокапалосны мэтавы сігнал падае на адзін вектарны гідрафон з азімутам падзення 100◦, а стаўленне сігнал/шум (адносіны сігнал/шум (SNR)) у той жа паласе 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, FFT, дыяпазон частот апрацоўкі складае 200 Гц ~3 кГц, 17 груп спектраў інтэнсіўнасці гуку вылічаюцца і ўсярэдніваюцца, 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 ацэначная 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. Крывая памылкі пеленгавання і шырыня спектру па азімуце -3 дБ у залежнасці ад SNR прыведзены адпаведна. Відаць, што пры суадносінах сігнал/шум -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 суправаджэння мэты з стаўленнем сігнал/шум у адпаведнасці з алгарытмам аўтаномнага выяўлення і сачэння за мэтай, прапанаваным у Раздзеле 1. Флаг 1 сачэння за мэтай паказвае, што алгарытм дасягае суправаджэння мэты, а 0 азначае, што суправаджэнне 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

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 разлічыць 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. На малюнках 8 і малюнку 9 адпаведна паказаны хібнасць ацэнкі азімута і шырыня спектру па азімуце -3 дБ сігналаў адносіны сігнал/шум, выпраменьваных сямю крыніцамі гуку з дапамогай алгарытму гістаграмы. Каэфіцыент павялічваецца і паступова памяншаецца. Памылка пеленгацыі павялічваецца, калі крыніца гуку выпраменьвае 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°, шырыня спектру па азімуце -3 дБ складае каля 23°; і калі стаўленне сігнал/шум большае за At 1 дБ, памылка пеленгавання і шырыня спектру па азімуце -3 дБ меншыя за 4◦ і 19◦ адпаведна. На малюнку 10 - крывая знака 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 даных праверкі эфектыўнасці выяўлення мэтаў падводнага акустычнага буя, праведзенага ў паўночных водах Паўднёва-Кітайскага мора ў жніўні 2019 года, алгарытм аднавектарнай гідрафоннай гістаграмы быў выкарыстаны для аналізу эфектыўнасці выяўлення марскіх мэтаў. Глыбіня доследнага марскога ўчастка складае каля 1500 м. У перыяд выпрабаванняў добрыя ўмовы надвор'я і вецер.

 

 

Хуткасць прыкладна роўная 2-му ўзроўню. Вынікі вымярэнняў прыбора для вымярэння глыбіні тэрмасалявой вады, які знаходзіцца на борце судна, 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 дзень выпрабаванняў 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 пеленгавання ў часе павялічваецца. Малюнак 15 - крывая маркі суправаджэння мэты ў часе, разлічаная алгарытмам аўтаномнага выяўлення і суправаджэння мэты. Відаць, што алгарытм дазваляе забяспечваць аўтаномнае суправаджэнне мэты на ўсёй далёкасці для надводнага судна з хуткасцю 8,4 вузла на дыстанцыі 13,8 км.

 

3 Заключэнне

У гэтым дакуменце, накіраваным на выкананне патрабаванняў інжынернага прымянення аднавектарных гідрафонаў на падводных беспілотных платформах, 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.