Analyse af måldetektionsydelse for en enkelt vektor-hydrofon-vinduebaseret histogramalgoritme

Analyse af måldetektionsydelse for en histogramalgoritme af  enkeltvektorhydrofon 

Histogramalgoritmen for enkeltvektorhydrofon har god robusthed og målazimutestimering. Dette papir analyserer og opsummerer måldetektionsydelsen af ​​histogramalgoritmen og en autonom detektions- og sporingsalgoritme for akustisk undervandstransducer baseret på målets estimerede azimut blev foreslået. Computersimulering og ekkofri tanktestresultater viser, at signal-til-støj-forholdet, der kræves af den vinduesbaserede histogramalgoritme til autonom sporing, skal være større end 7 dB. Under denne betingelse er den estimerede azimutfejl og 3 dB strålebredde henholdsvis ca. 8 ◦ og 20 ◦ . Søforsøgets resultater viser, at under gode hydrologiske forhold i dybhavet kan den vindueserede histogramalgoritme opnå måldetektion og sporing for et overfladeskib med en hastighed på 8,4 kn inden for en rækkevidde på 13,8 km. Den optimale estimerede azimutfejl kan nå op på 5 ◦ , og strålebredden på 3 dB kan nå omkring 10 ◦ i en afstand på 2 km.

 

Vektor-hydrofonens vektorkanal har frekvensuafhængig dipol-direktivitet og har evnen til at modstå isotropisk støjinterferens. En vektorhydrofon kan opnå fuld-space-sløringsfri orientering, hvilket giver en løsning til måldetektion på en lille undervandsplatform udstyret med akustiske sensorer.

 

Fordelen ved plads. I de seneste år, med den løbende forbedring af vektor hydrofon sensor teknologi, vektor signalbehandling teknologi bliver også anvendt kraftigt. Kørsel efter efterspørgsel har den udviklet sig hurtigt. Sammenlignet med konventionelle lydtrykshydrofoner giver vektorhydrofoner mere omfattende lydfeltinformation. Det kan ikke kun måle den skalære mængde af lydfeltet, men også opnå vektorkarakteristika for lydfeltet, hvilket i høj grad udvider signalbehandlingsrummet. Der er mange målazimutestimeringsalgoritmer baseret på enkeltvektorhydrofoner, men generelt kan de opdeles i to kategorier i henhold til princippet om retningsbestemmelse: den ene er azimutestimering baseret på lydenergiflow; den anden er at betragte hver kanal af vektorhydrofonen som det er et multi-element array, hvert piezo element er placeret omtrent på samme punkt i rummet, og den eksisterende array signalbehandlingsmetode anvendes på enkelt vektor hydrofonen ved at bruge egenskaberne for array flow mønsteret af enkelt vektor hydrofonen selv. Forskellige målretningsbestemmelsesalgoritmer for vektorhydrofoner har deres egne fordele og ulemper. Blandt dem har histogramalgoritmen bedre robusthed og målazimut-estimeringsydelse end andre algoritmer og har evnen til at undertrykke smalbånds- og stærk linjespektruminterferens. Den er især velegnet til ingeniøranvendelse. Dette papir analyserer og opsummerer histogrammets retningsfindingsalgoritme baseret på en enkelt vektorhydrofon og foreslår en autonom detektions- og sporingsalgoritme for undervandsmål baseret på målazimut 

Fig. 6 er kurven for det autonome målsporingsflag med signal-til-støjforhold ifølge den autonome måldetektions- og -sporingsalgoritme foreslået i sektion 1. Målsporingsflag 1 repræsenterer, at algoritmen opnår målsporing, og det betyder, at målsporing ikke opnås. Det kan ses af figur 6, at når signal-til-støj-forholdet er større end 7 dB, kan histogramalgoritmen opnå autonom målsporing.

2.2 Tanktestanalyse

For at mestre måldetektionsydelsen af ​​enkeltvektorhydrofonhistogramalgoritmen blev måldetektionsydelsen for enkeltvektorhydrofonen udført i den ekkofri pool.

I verifikationstesten blev UW350 brugt som lydkildemål under testen, og dybden var 3 m under vandet. Det signal, der bruges i testen, er bredden af ​​signalkildens output. Med Gaussisk hvid støj er output peak-to-peak værdien indstillet til henholdsvis 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V og 10 V.

 

Signaltransmissionstiden er 60 s, og lydkildeniveauet for den lille signaludsendelse beregnes ved hjælp af formlen 20 lg (A1/A2), hvor A1 og A2 er peak-to-peak værdien af ​​signalkildens indstillingsudgang. Det signaludsendende lydkildeniveau kan beregnes i overensstemmelse med afstanden mellem vektorhydrofonen og lydkilden for at opnå signal-til-støjforholdet for hver kanal i vektorhydrofonen. Tabel 1 viser resultaterne af det gennemsnitlige bredbåndssignal-til-støj-forhold for lydkildesignalet modtaget af hver kanal i vektorhydrofonen og giver den gennemsnitlige værdi af signal-til-støj-forholdet for hver kanal under forskellige lydkildeemissionsintensiteter. Det kan ses, at peak-to-peak værdien af signalkildens output er. Ved 10 mV, 20mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V og 10 V, er bredbåndsgennemsnitlige signal-til-støj-forhold for lydkildesignalet modtaget af vektorhydrofonen 13 dB, 7 dB, 7 dB, 7 dB, 7 dB, 7 dB, hhv. 27 dB og 47 dB. De syv signal-til-støj-forholdssignaler behandles separat ved hjælp af histogramalgoritmen. De beregnede azimut-estimeringsresultater ændrer sig med tiden som vist i figur 7. Figuren markerer også peak-to-peak værdien af ​​signaloutputtet og vektorhydrofonen i hver tidsperiode. Modtagerens signal-til-støj-forhold. Det kan ses af figur 7, at den estimerede azimut af lydkildemålet gradvist stabiliserer sig, efterhånden som det modtagne signal-til-støj-forhold stiger og i bund og grund falder sammen med den sande azimut. Figur 8 og figur 9 viser henholdsvis azimut-estimeringsfejlen og 3 dB azimutspektrumbredden af ​​signal-til-støj-forholdssignalerne udsendt af de syv lydkilder af histogramalgoritmen. Forholdet stiger og falder gradvist. Retningsfindingsfejlen øges, når lydkilden udsender et peak-to-peak støjsignal på 10 V sammenlignet med 1 V peak-to-peak. Dette skyldes, at lydkilden udsender et højt lydkildeniveausignal.

 

 

Den akustiske pool er ufuldstændig dæmpet i lavfrekvensbåndet, og der er stærk grænsefladerefleksion; når signal-til-støj-forholdet er 7 dB, er retningsfindingsfejlen ca. 8 ◦, 3 dB kvadrat

Bitspektrumsbredden er ca. 23◦; når signal-til-støj-forholdet er større end 1 dB, er retningsfindingsfejlen og 3 dB azimutspektrumbredden mindre end henholdsvis 4◦ og 19◦. Figur 10 er kurven for målsporingsmærket beregnet i henhold til den autonome måldetektions- og sporingsalgoritme med signalets intensitet, hvilken lydkilde med intensiteten af signalet. signal-til-støj-forholdet er 7 dB, histogramalgoritmen kan realisere autonom sporing af lydkildemålet.

 

2.3 Marine testanalyse

Brug af data fra undervands akustisk sensor bøje måldetektering præstationsverifikationstestdata udført i de nordlige farvande i Det Sydkinesiske Hav i august 2019, histogramalgoritmen for enkeltvektor hydrofon blev brugt til at analysere detektionsydelsen af ​​maritime mål. Dybden af ​​testhavområdet er omkring 1500 m. Under testen er vejrforholdene gode, og vindhastigheden er omkring niveau 2. Måleresultaterne af den skibsbårne abandonment thermo-salt dybdemåler viser, at lydhastighedsprofilen er et ensartet lag inden for en dybde på 40 m og en dybde på 40 200 m. Indeni er det vigtigste overgangslag af lydhastighed, og stemmekanalens akse er i en dybde nær 1000 m. I løbet af testdagen fra 12:33-14:02 passerede et overfladeskib med en længde på 42 m, en bredde på 6 m og en hastighed på 8,4 kn i nærheden af ​​den undersøiske akustiske bøje i en kurs på 301°. I perioden, overfladeskibet og undervandsakustik. Bøjens afstand er ca. 2 km på korteste tid og 13,8 km på fjerneste tidspunkt. Situationsdiagrammet er vist i figur 11. Figur 12 viser sammenligningen mellem de estimerede azimutresultater af overfladeskibets målazimut beregnet af histogramalgoritmen og den reelle azimut. Det kan ses, at histogramalgoritmen kan nå målet for overfladeskibet i hele 12:33-14:02 tidsperioden.

Figur 13 og figur 14 viser henholdsvis histogramalgoritmen for målretningsfindingsfejl for overfladeskibe og 3 dB azimutspektrumbredde versus tidskurven i tidsperioden 12:33-14:02. Det kan ses, at retningsfindingsfejlen er den bedste. Den kan nå inden for 5 ◦, og azimutspektrumbredden på 3 dB kan nå omkring 10 ◦ nær det nærliggende sted; desuden er afstanden mellem overfladeskibet og bøjeplatformen relativt tæt på grund af afvigelsen af ​​undervandspositionen af ​​den undervands akustiske bøje. Fejlen ved retningsfinding til tider øges. Figur 15 er kurven for målsporingsmærket over tid beregnet af den autonome måldetektions- og sporingsalgoritme. Det kan ses, at algoritmen kan opnå autonom målsporing i hele rækkevidden for et overfladefartøj med en hastighed på 8,4 kn inden for en afstand af 13,8 km.

 

3 Konklusion

Med henblik på de tekniske applikationskrav for enkeltvektor hydrofoner på ubemandede undervandsplatforme foreslår dette papir en metode til autonom detektion og sporing af undervands ultralydssensor , og bruger simuleringsberegninger, ekkofri tanktest og marinetestanalyse til at opsummere baseret på enkeltvektorvand. Lytterens histogramalgoritme havde standarddetektionsydelse. Resultaterne af computersimulering og ekkofri pooltestdata viser, at signal-til-støj-forholdet, der kræves af histogramalgoritmen for at opnå autonom sporing, skal være større end 7 dB, på dette tidspunkt er retningsfindingsfejlen omkring 8◦, og 3 dB azimutspektrumbredden er omkring 20◦. De marine testdata viser, at under gode hydrologiske forhold i dybhavet kan histogramalgoritmen opnå fuld måldetektion og sporing inden for en afstand på 13,8 km for et overfladefartøj med en hastighed på 8,4 kn, og den bedste retningsfindingsfejl kan nå 5◦. 3 dB azimutspektrumbredden kan nå omkring 10◦ nær det nære positionspunkt.