Analiza performansi otkrivanja cilja za algoritam histograma s prozorom s jednim vektorskim hidrofonom

Analiza performansi detekcije cilja za algoritam histograma  jednovektorskog hidrofona 

Algoritam histograma hidrofona s jednim vektorom ima dobru robusnost i performanse procjene ciljnog azimuta. Ovaj rad analizira i sažima izvedbu detekcije cilja algoritma histograma i autonomnog algoritma detekcije i praćenja za predložen je podvodni akustični pretvarač temeljen na procijenjenom azimutu cilja. Računalna simulacija i rezultati ispitivanja anehoične posude pokazuju da omjer signala i šuma koji zahtijeva algoritam prozorskog histograma za autonomno praćenje mora biti veći od 7 dB. Pod ovim uvjetima, procijenjena pogreška azimuta i širina snopa od 3 dB su oko 8 ◦ odnosno 20 ◦ . Rezultati ispitivanja na moru pokazuju da pod dobrim hidrološkim uvjetima u dubokom moru, algoritam histograma s prozorom može postići otkrivanje cilja i praćenje za površinski brod brzinom od 8,4 kn u rasponu od 13,8 km. Optimalna procijenjena pogreška azimuta može doseći 5 ◦ , a širina snopa od 3 dB može doseći oko 10 ◦ na udaljenosti od 2 km.

 

Vektorski kanal vektorskog hidrofona ima dipolnu usmjerenost neovisnu o frekvenciji i ima sposobnost otpornosti na izotropne smetnje buke. Vektorski hidrofon može postići orijentaciju bez zamućenja u cijelom prostoru, što pruža rješenje za otkrivanje cilja na maloj podvodnoj platformi opremljenoj akustičnim senzorima.

 

Prednost prostora. Posljednjih godina, uz stalno usavršavanje Tehnologija senzora vektorskog hidrofona , tehnologija vektorske obrade signala također se snažno primjenjuje. Vožnja prema potražnji, brzo se razvila. U usporedbi s konvencionalnim hidrofonima zvučnog tlaka, vektorski hidrofoni pružaju sveobuhvatnije informacije o zvučnom polju. Ne samo da može mjeriti skalarnu količinu zvučnog polja, već i dobiti vektorske karakteristike zvučnog polja, što uvelike proširuje prostor za obradu signala. Postoji mnogo algoritama za procjenu azimuta cilja koji se temelje na jednostrukim vektorskim hidrofonima, ali općenito se mogu podijeliti u dvije kategorije prema načelu nalaženja pravca: jedna je procjena azimuta na temelju protoka zvučne energije; drugi je da se svaki kanal vektorskog hidrofona smatra nizom od više elemenata, svaki piezo element nalazi se približno na istoj točki u prostoru, a postojeća metoda obrade signala niza primjenjuje se na jednostruki vektorski hidrofon korištenjem karakteristika uzorka toka niza samog jednog vektorskog hidrofona. Razni algoritmi za nalaženje smjera vektorskih hidrofona imaju svoje prednosti i nedostatke. Među njima, algoritam histograma ima bolju robusnost i izvedbu procjene ciljanog azimuta od drugih algoritama, te ima sposobnost suzbijanja interferencije uskog pojasa i jakog spektra linija. Posebno je prikladan za inženjersku primjenu. Ovaj rad analizira i sažima algoritam za nalaženje pravca histograma temeljen na hidrofonu s jednim vektorom i predlaže algoritam autonomne detekcije i praćenja podvodnih ciljeva temeljen na azimutu cilja 

Slika 6 je krivulja zastavice za autonomno praćenje cilja s omjerom signal-šum prema algoritmu za autonomno otkrivanje i praćenje cilja koji je predložen u odjeljku 1. Zastavica za praćenje cilja 1 predstavlja da algoritam postiže praćenje cilja, a to znači da praćenje cilja nije postignuto. Na slici 6. može se vidjeti da kada je omjer signal/šum veći od 7 dB, algoritam histograma može postići autonomno praćenje cilja.

2.2 Analiza ispitivanja spremnika

Kako bi se savladala izvedba detekcije cilja algoritma histograma s jednim vektorskim hidrofonom, izvedba detekcije cilja s jednim vektorskim hidrofonom provedena je u bezehoičnom bazenu.

U verifikacijskom testu, UW350 je korišten kao meta izvora zvuka tijekom testa, a dubina je bila 3 m pod vodom. Signal korišten u testu je širina izlaza izvora signala. S Gaussovim bijelim šumom, izlazna vrijednost od vrha do vrha postavljena je na 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V i 10 V.

 

Vrijeme prijenosa signala je 60 s, a razina izvora zvuka niske emisije signala izračunava se formulom 20 lg (A1/A2), gdje su A1 i A2 vrijednost od vrha do vrha izlaza postavke izvora signala. Razina izvora zvuka koji emitira signal može se izračunati prema udaljenosti između vektorskog hidrofona i izvora zvuka kako bi se dobio omjer signala i šuma svakog kanala vektorskog hidrofona. Tablica 1 prikazuje rezultate širokopojasnog prosječnog omjera signala i šuma signala izvora zvuka koji prima svaki kanal vektorskog hidrofona i daje prosječnu vrijednost omjera signala i šuma svakog kanala pod različitim intenzitetima emisije izvora zvuka. Može se vidjeti da je vrijednost od vrha do vrha izlaza izvora signala. Pri 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V i 10 V, širokopojasni prosječni omjer signala i šuma signala izvora zvuka koji prima vektorski hidrofon je 13 dB, 7 dB, 5 dB, odnosno 1 dB, 7 dB, 27 dB i 47 dB. Sedam signala omjera signala i šuma obrađuje se zasebno pomoću algoritma histograma. Izračunati rezultati procjene azimuta mijenjaju se s vremenom kao što je prikazano na slici 7. Slika također označava vrijednost od vrha do vrha izlaznog signala i vektorskog hidrofona u svakom vremenskom razdoblju. Omjer signala i šuma prijemnika. Na slici 7 može se vidjeti da se procijenjeni azimut mete izvora zvuka postupno stabilizira kako se omjer primljenog signala i šuma povećava i u osnovi se poklapa sa stvarnim azimutom. Slika 8 odnosno Slika 9 prikazuje pogrešku procjene azimuta i širinu spektra azimuta od 3 dB signala omjera signala i šuma koje emitira sedam izvora zvuka algoritmom histograma. Omjer se povećava i postupno smanjuje. Pogreška u traženju smjera povećava se kada izvor zvuka emitira signal šuma od vrha do vrha od 10 V u usporedbi s 1 V od vrha do vrha. To je zbog izvora zvuka koji emitira signal visoke razine izvora zvuka.

 

 

Akustični bazen je nepotpuno prigušen u niskofrekventnom pojasu i postoji jaka refleksija sučelja; kada je omjer signala i šuma 7 dB, greška u traženju smjera je oko 8 ◦, 3 dB na kvadrat

Širina spektra bita je oko 23◦; kada je omjer signala i šuma veći od 1 dB, pogreška u pronalaženju smjera i širina spektra azimuta od 3 dB manje su od 4◦ odnosno 19◦. Slika 10 je krivulja oznake praćenja cilja izračunata prema algoritmu za autonomno otkrivanje i praćenje cilja s intenzitetom signala emisije izvora zvuka koji se može vidjeti. Kada omjer signala i šuma je 7 dB, algoritam histograma može ostvariti autonomno praćenje cilja izvora zvuka.

 

2.3 Analiza morskih ispitivanja

Koristeći podatke iz Podvodna akustična senzorska plutača za provjeru učinkovitosti otkrivanja ciljeva testiranih podataka provedenih u sjevernim vodama Južnog kineskog mora u kolovozu 2019., algoritam histograma jednovektorskog hidrofona korišten je za analizu učinkovitosti detekcije pomorskih ciljeva. Dubina ispitnog morskog područja je oko 1500 m. Tijekom ispitivanja, vremenski uvjeti su dobri, a brzina vjetra je otprilike razine 2. Rezultati mjerenja dubinomjera termo-soli za napuštanje broda pokazuju da je profil brzine zvuka ujednačen sloj unutar dubine od 40 m i dubine od 40 200 m. Unutra je glavni prijelazni sloj brzine zvuka, a os vokalnog trakta je na dubini od blizu 1000 m. Tijekom testnog dana od 12:33-14:02 površinski brod dužine 42 m, širine 6 m i brzine 8,4 kn prošao je blizu podvodne akustične plutače na smjeru 301°. Tijekom razdoblja, površinski brod i podvodna akustika. Udaljenost plutače je oko 2 km u najkraćem vremenu i 13,8 km u najdaljem vremenu. Dijagram situacije prikazan je na slici 11. Slika 12 prikazuje usporedbu između procijenjenih rezultata azimuta ciljnog azimuta površinskog broda izračunatog algoritmom histograma i stvarnog azimuta. Može se vidjeti da algoritam histograma može postići cilj površinskog broda tijekom cijelog vremenskog razdoblja 12:33-14:02.

Slika 13 i Slika 14 redom prikazuju algoritam histograma za pogrešku u pronalaženju cilja površinskog broda i krivulju širine spektra azimuta od 3 dB u odnosu na vrijeme u vremenskom razdoblju od 12:33-14:02. Može se vidjeti da je pogreška u traženju smjera najbolja. Može doseći unutar 5 ◦, a širina spektra azimuta od 3 dB može doseći oko 10 ◦ blizu točke bliske lokacije; osim toga, zbog devijacije podvodnog položaja podvodne akustične plutače, udaljenost između površinskog broda i platforme plutače je relativno mala. Pogreška u određivanju smjera s vremenom se povećava. Slika 15 je krivulja oznake praćenja cilja kroz vrijeme izračunata algoritmom za autonomno otkrivanje i praćenje cilja. Vidi se da algoritam može postići autonomno praćenje cilja u cijelom dometu za površinsko plovilo brzine 8,4 kn na udaljenosti od 13,8 km.

 

3 Zaključak

Ciljajući na zahtjeve inženjerske primjene jednovektorskih hidrofona na podvodnim bespilotnim platformama, ovaj rad predlaže metodu za autonomno otkrivanje i praćenje podvodni ultrazvučni senzor , i koristi simulacijske izračune, testove anehoičnih spremnika i analizu morskih testova za sažetak na temelju vode s jednim vektorom. Algoritam histograma slušatelja imao je standardne performanse detekcije. Rezultati računalne simulacije i podaci ispitivanja anehoične baze pokazuju da omjer signala i šuma koji zahtijeva algoritam histograma za postizanje autonomnog praćenja mora biti veći od 7 dB, u ovom trenutku pogreška u traženju smjera je oko 8◦, a širina spektra azimuta od 3 dB je oko 20◦. Podaci o pomorskom ispitivanju pokazuju da pod dobrim hidrološkim uvjetima u dubokom moru algoritam histograma može postići potpuno otkrivanje cilja i praćenje na udaljenosti od 13,8 km za površinsko plovilo brzine 8,4 kn, a najbolja pogreška u određivanju pravca može doseći 5°. Širina spektra azimuta od 3 dB može doseći oko 10◦ u blizini točke bliskog položaja.