تجزیه و تحلیل عملکرد تشخیص هدف برای یک الگوریتم هیستوگرام پنجره‌دار هیدروفون تک بردار

تجزیه و تحلیل عملکرد تشخیص هدف برای الگوریتم هیستوگرام  هیدروفون تک برداری 

الگوریتم هیستوگرام هیدروفون تک بردار استحکام خوبی دارد و عملکرد تخمین آزیموت هدف را دارد. این مقاله عملکرد تشخیص هدف الگوریتم هیستوگرام و یک الگوریتم تشخیص و ردیابی مستقل را تجزیه و تحلیل و خلاصه می‌کند. مبدل آکوستیک زیر آب بر اساس آزیموت تخمینی هدف پیشنهاد شد. شبیه‌سازی کامپیوتری و نتایج آزمایش مخزن آنکوئیک نشان می‌دهد که نسبت سیگنال به نویز مورد نیاز الگوریتم هیستوگرام پنجره‌دار برای ردیابی مستقل باید بیشتر از ۷ دسی‌بل باشد. در این شرایط، خطای آزیموت و عرض پرتو 3 دسی بل به ترتیب حدود 8 ◦ و 20 ◦ است . نتایج آزمایش‌های دریایی نشان می‌دهد که تحت شرایط هیدرولوژیکی خوب در اعماق دریا، الگوریتم هیستوگرام پنجره‌دار می‌تواند به تشخیص و ردیابی هدف برای یک کشتی سطحی با سرعت 8.4 kn در محدوده 13.8 کیلومتر دست یابد. خطای آزیموت تخمین زده شده بهینه می تواند به 5 ◦ برسد و عرض پرتو dB 3 می تواند ◦ برسد. در فاصله 2 کیلومتری به حدود 10

 

کانال برداری هیدروفون برداری دارای جهت دوقطبی مستقل از فرکانس است و توانایی مقاومت در برابر تداخل نویز همسانگرد را دارد. یک هیدروفون برداری می تواند جهت گیری بدون تاری در تمام فضا را بدست آورد که راه حلی برای تشخیص هدف در یک پلت فرم کوچک زیر آب مجهز به سنسورهای صوتی ارائه می دهد.

 

مزیت فضا. در سالهای اخیر با بهبود مستمر فناوری حسگر هیدروفون برداری ، فناوری پردازش سیگنال برداری نیز قدرتمندانه اعمال می شود. با توجه به تقاضا، به سرعت توسعه یافته است. در مقایسه با هیدروفون های فشار صوتی معمولی، هیدروفون های برداری اطلاعات میدان صوتی جامع تری را ارائه می دهند. نه تنها می تواند کمیت اسکالر میدان صوتی را اندازه گیری کند، بلکه ویژگی های برداری میدان صوتی را نیز به دست می آورد که فضای پردازش سیگنال را تا حد زیادی گسترش می دهد. الگوریتم های تخمین آزیموت هدف زیادی بر اساس هیدروفون های تک بردار وجود دارد، اما به طور کلی می توان آنها را بر اساس اصل جهت یابی به دو دسته تقسیم کرد: یکی تخمین آزیموت بر اساس جریان انرژی صوتی. دیگری این است که هر کانال از هیدروفون برداری را به عنوان یک آرایه چند عنصری در نظر بگیریم، هر عنصر پیزو تقریباً در یک نقطه از فضا قرار دارد، و روش پردازش سیگنال آرایه موجود با استفاده از ویژگی‌های الگوی جریان آرایه خود هیدروفون تک بردار به هیدروفون تک بردار اعمال می‌شود. الگوریتم های مختلف جهت یاب هدف هیدروفون های برداری مزایا و معایب خاص خود را دارند. در این میان، الگوریتم هیستوگرام از استحکام و عملکرد تخمین آزیموت هدف بهتری نسبت به سایر الگوریتم‌ها برخوردار است و توانایی سرکوب تداخل طیف خط باریک و قوی را دارد. به ویژه برای کاربردهای مهندسی مناسب است. این مقاله الگوریتم یافتن جهت هیستوگرام را بر اساس یک هیدروفون تک بردار تجزیه و تحلیل و خلاصه می کند و یک الگوریتم تشخیص و ردیابی مستقل برای اهداف زیر آب بر اساس آزیموت هدف پیشنهاد می کند. 

شکل 6 منحنی پرچم ردیابی خودمختار هدف با نسبت سیگنال به نویز مطابق با الگوریتم تشخیص و ردیابی مستقل هدف است که در بخش 1 پیشنهاد شده است. پرچم ردیابی هدف 1 نشان می دهد که الگوریتم به ردیابی هدف می رسد و به این معنی است که ردیابی هدف محقق نمی شود. از شکل 6 می توان دید که وقتی نسبت سیگنال به نویز بیشتر از 7 دسی بل باشد، الگوریتم هیستوگرام می تواند به ردیابی هدف مستقل دست یابد.

2.2 تجزیه و تحلیل تست تانک

به منظور تسلط بر عملکرد تشخیص هدف الگوریتم هیستوگرام هیدروفون تک بردار، عملکرد تشخیص هدف هیدروفون تک بردار در استخر anechoic انجام شد.

در آزمایش تأیید، از UW350 به عنوان هدف منبع صوتی در طول آزمایش استفاده شد و عمق آن 3 متر زیر آب بود. سیگنال مورد استفاده در آزمایش، عرض خروجی منبع سیگنال است. با نویز سفید گاوسی، مقدار پیک به پیک خروجی به ترتیب روی 10 میلی ولت، 20 میلی ولت، 25 میلی ولت، 50 میلی ولت، 100 میلی ولت، 1 ولت و 10 ولت تنظیم می شود.

 

زمان انتقال سیگنال 60 ثانیه است و سطح منبع صدای انتشار سیگنال کوچک با فرمول 20 lg (A1/A2) محاسبه می شود، که در آن A1 و A2 مقدار پیک به پیک خروجی تنظیم منبع سیگنال هستند. سطح منبع صدای منتشر کننده سیگنال را می توان با توجه به فاصله بین هیدروفون برداری و منبع صدا برای به دست آوردن نسبت سیگنال به نویز هر کانال از هیدروفون برداری محاسبه کرد. جدول 1 نتایج میانگین پهنای باند نسبت سیگنال به نویز سیگنال منبع صوتی دریافتی توسط هر کانال از هیدروفون برداری را نشان می دهد و مقدار متوسط ​​نسبت سیگنال به نویز هر کانال را تحت شدت های مختلف انتشار منبع صدا نشان می دهد. مشاهده می شود که مقدار پیک به پیک خروجی منبع سیگنال در 10 میلی ولت، 20 میلی ولت، 25 میلی ولت، 50 میلی ولت، 100 میلی ولت، 1 ولت و 10 ولت است. 1 دسی بل، 7 دسی بل، 27 دسی بل و 47 دسی بل. هفت سیگنال نسبت سیگنال به نویز به طور جداگانه با استفاده از الگوریتم هیستوگرام پردازش می شوند. نتایج برآورد آزیموت محاسبه شده با زمان تغییر می کند همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است. این شکل همچنین مقدار پیک به پیک خروجی سیگنال و هیدروفون برداری را در هر دوره زمانی مشخص می کند. نسبت سیگنال به نویز گیرنده از شکل 7 می توان دریافت که آزیموت تخمینی هدف منبع صدا به تدریج با افزایش نسبت سیگنال به نویز دریافتی تثبیت می شود و اساساً با آزیموت واقعی منطبق می شود. شکل 8 و شکل 9 به ترتیب خطای تخمین آزیموت و عرض طیف آزیموت 3 دسی بل سیگنال های نسبت سیگنال به نویز منتشر شده توسط هفت منبع صوتی توسط الگوریتم هیستوگرام را نشان می دهند. این نسبت افزایش می یابد و به تدریج کاهش می یابد. خطای جهت یابی زمانی افزایش می یابد که منبع صدا یک سیگنال نویز پیک به پیک 10 ولت در مقایسه با 1 ولت پیک به پیک منتشر کند. این به این دلیل است که منبع صدا سیگنال سطح منبع صوتی بالایی را منتشر می کند.

 

 

استخر صوتی به طور ناقص در باند فرکانس پایین ضعیف شده است و بازتاب رابط قوی وجود دارد. وقتی نسبت سیگنال به نویز 7 دسی بل است، خطای جهت یابی حدود 8 ◦، 3 دسی بل مربع است.

عرض طیف بیت حدود 23◦ است. زمانی که نسبت سیگنال به نویز بیشتر از 1 دسی بل باشد، خطای جهت یابی و عرض طیف آزیموت 3 دسی بل به ترتیب کمتر از 4◦ و 19◦ است. وقتی نسبت سیگنال به نویز 7 دسی بل باشد، الگوریتم هیستوگرام می تواند ردیابی مستقل هدف منبع صدا را انجام دهد.

 

2.3 تجزیه و تحلیل آزمایش دریایی

با استفاده از داده ها از داده‌های تست تأیید عملکرد تشخیص هدف شناور حسگر صوتی زیر آب که در آب‌های شمالی دریای چین جنوبی در آگوست 2019 انجام شد، الگوریتم هیستوگرام هیدروفون تک بردار برای تجزیه و تحلیل عملکرد تشخیص اهداف دریایی استفاده شد. عمق منطقه دریای آزمایشی حدود 1500 متر است. در طول آزمایش، شرایط آب و هوایی خوب است و سرعت باد در حدود سطح 2 است. نتایج اندازه گیری عمق سنج ترمو نمک رهاسازی کشتی نشان می دهد که پروفیل سرعت صوت یک لایه یکنواخت در عمق 40 متر و عمق 40200 متر است. در داخل لایه انتقال اصلی سرعت صوت قرار دارد و محور دستگاه صوتی در عمق نزدیک به 1000 متر قرار دارد. در طول روز آزمون از ساعت 12:33 تا 14:02، یک کشتی سطحی با طول 42 متر، عرض 6 متر و سرعت 8.4 کیلونیوتن از نزدیکی شناور صوتی زیر آب در جهت 301 درجه عبور کرد. در طول دوره، کشتی سطحی و آکوستیک زیر آب. فاصله بویه در کمترین زمان حدود 2 کیلومتر و در دورترین زمان 13.8 کیلومتر است. نمودار وضعیت در شکل 11 نشان داده شده است. شکل 12 مقایسه بین نتایج آزیموت برآورد شده از آزیموت هدف کشتی سطحی محاسبه شده توسط الگوریتم هیستوگرام و آزیموت واقعی را نشان می دهد. مشاهده می شود که الگوریتم هیستوگرام می تواند به هدف کشتی سطحی در کل دوره زمانی 12:33-14:02 دست یابد.

شکل 13 و شکل 14 به ترتیب الگوریتم هیستوگرام برای خطای یافتن جهت هدف کشتی سطحی و عرض طیف آزیموت 3 دسی بل در مقابل منحنی زمان را در دوره زمانی 12:33-14:02 نشان می دهند. می توان دید که خطای جهت یابی بهترین است که می تواند در 5 ◦ برسد، و عرض طیف آزیموت 3 دسی بل می تواند به حدود 10 ◦ در نزدیکی نقطه موقعیت نزدیک برسد. علاوه بر این، به دلیل انحراف موقعیت زیر آب شناور صوتی زیر آب، فاصله بین کشتی سطحی و سکوی شناور نسبتا نزدیک است. خطای جهت یابی در زمان افزایش می یابد. شکل 15 منحنی علامت ردیابی هدف در طول زمان است که توسط الگوریتم تشخیص و ردیابی خودکار هدف محاسبه شده است. مشاهده می‌شود که این الگوریتم می‌تواند به ردیابی هدف خودگردان در کل برد برای یک کشتی سطحی با سرعت 8.4 kn در فاصله 13.8 کیلومتری دست یابد.

 

3 نتیجه گیری

این مقاله با هدف نیازهای کاربردی مهندسی هیدروفون های تک بردار بر روی سکوهای بدون سرنشین زیر آب، روشی را برای تشخیص و ردیابی خودمختار پیشنهاد می کند. حسگر اولتراسونیک زیر آب ، و از محاسبات شبیه‌سازی، تست‌های مخزن بی‌نظمی، و آنالیز تست دریایی برای جمع‌بندی بر اساس آب تک بردار استفاده می‌کند. الگوریتم هیستوگرام شنونده دارای عملکرد تشخیص استاندارد بود. نتایج شبیه‌سازی رایانه‌ای و داده‌های تست حوضچه آنکوئیک نشان می‌دهد که نسبت سیگنال به نویز مورد نیاز الگوریتم هیستوگرام برای دستیابی به ردیابی مستقل باید بیشتر از ۷ دسی‌بل باشد، در این زمان خطای جهت‌یابی حدود ۸◦ و عرض طیف آزیموت ۳ دسی‌بل حدود ۲۰◦ است. داده های آزمایش دریایی نشان می دهد که تحت شرایط هیدرولوژیکی خوب در اعماق دریا، الگوریتم هیستوگرام می تواند در فاصله 13.8 کیلومتری برای شناور سطحی با سرعت 8.4 kn به تشخیص و ردیابی کامل هدف دست یابد و بهترین خطای جهت یابی می تواند به 5◦ برسد. عرض طیف آزیموت 3 دسی بل می تواند به حدود 10◦ در نزدیکی نقطه موقعیت نزدیک برسد.