Analisis kinerja deteksi target untuk algoritma histogram berjendela hidrofon vektor tunggal

Analisis Kinerja Deteksi Target Algoritma Histogram  Hidrofon Vektor Tunggal 

Algoritma histogram hidrofon vektor tunggal memiliki ketahanan dan kinerja estimasi azimuth target yang baik. Makalah ini menganalisis dan merangkum kinerja deteksi target dari algoritma histogram, serta algoritma deteksi dan pelacakan otonom transduser akustik bawah air berdasarkan perkiraan azimuth target yang diusulkan. Hasil simulasi komputer dan pengujian tangki anechoic menunjukkan bahwa rasio signal-to-noise yang diperlukan oleh algoritma histogram berjendela untuk pelacakan otonom harus lebih besar dari 7 dB. Dalam kondisi ini, perkiraan kesalahan azimuth dan lebar pancaran 3 dB masing-masing adalah sekitar 8 ◦ dan 20 ◦ . Hasil uji coba laut menunjukkan bahwa dalam kondisi hidrologi yang baik di laut dalam, algoritma windowed histogram dapat mencapai deteksi dan pelacakan target untuk kapal permukaan dengan kecepatan 8,4 kn dalam jarak 13,8 km. Perkiraan kesalahan azimuth yang optimal dapat mencapai 5 ◦ , dan lebar pancaran 3 dB dapat mencapai sekitar 10 ◦ pada jarak 2 km.

 

Saluran vektor hidrofon vektor memiliki pengarahan dipol yang tidak bergantung pada frekuensi, dan memiliki kemampuan untuk menahan interferensi kebisingan isotropik. Hidrofon vektor dapat mencapai orientasi bebas buram ruang penuh, yang memberikan solusi untuk deteksi target pada platform bawah air kecil yang dilengkapi dengan sensor akustik.

 

Keuntungan dari ruang. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan perbaikan terus-menerus teknologi sensor hidrofon vektor , teknologi pemrosesan sinyal vektor juga diterapkan dengan kuat. Didorong oleh permintaan, teknologi ini telah berkembang pesat. Dibandingkan dengan hidrofon tekanan suara konvensional, hidrofon vektor memberikan informasi medan suara yang lebih komprehensif. Ini tidak hanya dapat mengukur kuantitas skalar medan suara, tetapi juga memperoleh karakteristik vektor medan suara, yang sangat memperluas ruang pemrosesan sinyal. Ada banyak algoritma estimasi azimuth target berdasarkan hidrofon vektor tunggal, namun secara umum dapat dibagi menjadi dua kategori menurut prinsip pencarian arah: satu adalah estimasi azimuth berdasarkan aliran energi suara; yang lainnya adalah menganggap setiap saluran hidrofon vektor sebagai larik multi-elemen, setiap elemen piezo terletak kira-kira pada titik yang sama dalam ruang, dan metode pemrosesan sinyal larik yang ada diterapkan pada hidrofon vektor tunggal dengan menggunakan karakteristik pola aliran larik hidrofon vektor tunggal itu sendiri. Berbagai algoritma pencarian arah sasaran hidrofon vektor mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing. Diantaranya, algoritma histogram memiliki ketahanan dan kinerja estimasi azimuth target yang lebih baik dibandingkan algoritma lainnya, serta memiliki kemampuan untuk menekan interferensi spektrum garis sempit dan kuat. Ini sangat cocok untuk aplikasi teknik. Makalah ini menganalisis dan merangkum algoritma pencarian arah histogram berdasarkan hidrofon vektor tunggal, dan mengusulkan algoritma deteksi dan pelacakan otonom untuk target bawah air berdasarkan azimuth target. 

Gambar 6 adalah kurva bendera pelacakan otonom target dengan rasio signal-to-noise sesuai dengan algoritma deteksi dan pelacakan otonom target yang diusulkan pada Bagian 1. Bendera pelacakan target 1 menyatakan bahwa algoritma mencapai pelacakan target, dan itu berarti bahwa pelacakan target tidak tercapai. Dapat dilihat dari Gambar 6 bahwa ketika rasio signal-to-noise lebih besar dari 7 dB, algoritma histogram dapat mencapai pelacakan target otonom.

2.2 Analisis uji tangki

Untuk menguasai kinerja deteksi target dari algoritma histogram hidrofon vektor tunggal, kinerja deteksi target hidrofon vektor tunggal dilakukan pada pool anechoic.

Dalam uji verifikasi, UW350 digunakan sebagai target sumber suara selama pengujian, dan kedalamannya 3 m di bawah air. Sinyal yang digunakan dalam pengujian adalah lebar keluaran sumber sinyal. Dengan white noise Gaussian, nilai puncak-ke-puncak keluaran diatur masing-masing menjadi 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V, dan 10 V.

 

Waktu transmisi sinyal adalah 60 detik, dan tingkat sumber suara emisi sinyal kecil dihitung dengan rumus 20 lg (A1/A2), di mana A1 dan A2 adalah nilai puncak ke puncak dari keluaran pengaturan sumber sinyal. Tingkat sumber suara yang memancarkan sinyal dapat dihitung berdasarkan jarak antara hidrofon vektor dan sumber suara untuk mendapatkan rasio sinyal terhadap kebisingan dari setiap saluran hidrofon vektor. Tabel 1 menunjukkan hasil rata-rata rasio signal-to-noise broadband dari sinyal sumber suara yang diterima oleh setiap saluran hidrofon vektor, dan memberikan nilai rata-rata rasio signal-to-noise setiap saluran pada intensitas emisi sumber suara yang berbeda. Terlihat bahwa nilai puncak ke puncak keluaran sumber sinyal adalah Pada 10 mV, 20mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V dan 10 V, rata-rata rasio signal-to-noise broadband dari sinyal sumber suara yang diterima oleh hidrofon vektor masing-masing adalah 13 dB, 7 dB, 5 dB, 1 dB, 7 dB, 27 dB dan 47dB. Tujuh sinyal rasio signal-to-noise diproses secara terpisah menggunakan algoritma histogram. Hasil estimasi azimuth yang dihitung berubah terhadap waktu seperti terlihat pada Gambar 7. Gambar tersebut juga menandai nilai puncak ke puncak keluaran sinyal dan vektor hidrofon pada setiap periode waktu. Rasio sinyal terhadap kebisingan penerima. Dapat dilihat dari Gambar 7 bahwa perkiraan azimuth dari target sumber suara secara bertahap menjadi stabil seiring dengan meningkatnya rasio signal-to-noise yang diterima dan pada dasarnya bertepatan dengan azimuth sebenarnya. Gambar 8 dan Gambar 9 masing-masing menunjukkan kesalahan estimasi azimuth dan lebar spektrum azimuth 3 dB dari sinyal rasio signal-to-noise yang dipancarkan oleh tujuh sumber suara dengan algoritma histogram. Rasionya meningkat dan perlahan menurun. Kesalahan pencarian arah meningkat ketika sumber suara memancarkan sinyal kebisingan puncak-ke-puncak sebesar 10 V dibandingkan dengan 1 V puncak-ke-puncak. Hal ini disebabkan sumber suara mengeluarkan sinyal tingkat sumber suara yang tinggi.

 

 

Kumpulan akustik dilemahkan sepenuhnya pada pita frekuensi rendah dan terdapat refleksi antarmuka yang kuat; ketika rasio sinyal terhadap kebisingan adalah 7 dB, kesalahan pencarian arah adalah sekitar 8 ◦, 3 dB persegi

Lebar spektrum bit sekitar 23◦; ketika rasio signal-to-noise lebih besar dari 1 dB, kesalahan pencarian arah dan lebar spektrum azimuth 3 dB masing-masing kurang dari 4◦ dan 19◦. Gambar 10 adalah kurva tanda pelacakan target yang dihitung menurut algoritma deteksi dan pelacakan otonom target dengan intensitas sinyal emisi sumber suara, yang dapat dilihat. Ketika rasio sinyal terhadap kebisingan adalah 7 dB, algoritma histogram dapat mewujudkan pelacakan otonom dari sumber suara sasaran.

 

2.3 Analisis uji kelautan

Menggunakan data dari Data uji verifikasi kinerja deteksi target pelampung sensor akustik bawah air dilakukan di perairan utara Laut Cina Selatan pada bulan Agustus 2019, algoritma histogram hidrofon vektor tunggal digunakan untuk menganalisis kinerja deteksi target maritim. Kedalaman wilayah laut uji sekitar 1500 m. Selama pengujian, kondisi cuaca bagus dan kecepatan angin sekitar level 2. Hasil pengukuran pengukur kedalaman garam termo ditinggalkan di kapal menunjukkan bahwa profil kecepatan suara adalah lapisan seragam dalam kedalaman 40 m dan kedalaman 40-200 m. Di dalamnya terdapat lapisan transisi utama kecepatan suara, dan sumbu saluran vokal berada pada kedalaman mendekati 1000 m. Pada hari pengujian pukul 12:33-14:02, sebuah kapal permukaan dengan panjang 42 m, lebar 6 m, dan kecepatan 8,4 kn melintas di dekat pelampung akustik bawah air dengan arah 301°. Selama periode tersebut, akustik kapal permukaan dan bawah air. Jarak pelampung tersebut sekitar 2 km pada waktu terpendek dan 13,8 km pada waktu terjauh. Diagram situasi ditunjukkan pada Gambar 11. Gambar 12 menunjukkan perbandingan antara hasil estimasi azimuth target azimuth kapal permukaan yang dihitung dengan algoritma histogram dengan azimuth sebenarnya. Terlihat bahwa algoritma histogram dapat mencapai tujuan kapal permukaan selama seluruh periode waktu 12:33-14:02.

Gambar 13 dan Gambar 14 masing-masing menunjukkan algoritma histogram untuk kesalahan pencarian arah target kapal permukaan dan lebar spektrum azimuth 3 dB versus kurva waktu pada periode waktu 12:33-14:02. Terlihat bahwa kesalahan pencarian arah adalah yang terbaik. Dapat mencapai dalam jarak 5 ◦, dan lebar spektrum azimuth 3 dB dapat mencapai sekitar 10 ◦ di dekat titik lokasi dekat; Selain itu, karena adanya penyimpangan posisi pelampung akustik bawah air, jarak antara kapal permukaan dan platform pelampung relatif dekat. Kesalahan dalam menemukan arah pada waktu meningkat. Gambar 15 adalah kurva tanda pelacakan target dari waktu ke waktu yang dihitung oleh algoritma deteksi dan pelacakan target otonom. Terlihat bahwa algoritma tersebut dapat mencapai pelacakan target otonom di seluruh jangkauan untuk kapal permukaan dengan kecepatan 8,4 kn dalam jarak 13,8 km.

 

3 Kesimpulan

Bertujuan untuk memenuhi persyaratan aplikasi teknik hidrofon vektor tunggal pada platform tak berawak bawah air, makalah ini mengusulkan metode untuk deteksi dan pelacakan otonom. sensor ultrasonik bawah air , dan menggunakan perhitungan simulasi, tes tangki anechoic, dan analisis tes kelautan untuk merangkum berdasarkan air vektor tunggal. Algoritma histogram pendengar memiliki kinerja deteksi standar. Hasil simulasi komputer dan data uji kumpulan anechoic menunjukkan bahwa rasio signal-to-noise yang diperlukan oleh algoritma histogram untuk mencapai pelacakan otonom harus lebih besar dari 7 dB, saat ini kesalahan pencarian arah sekitar 8◦, dan lebar spektrum azimuth 3 dB adalah sekitar 20◦. Data uji kelautan menunjukkan bahwa dalam kondisi hidrologi yang baik di laut dalam, algoritma histogram dapat mencapai deteksi dan pelacakan target penuh dalam jarak 13,8 km untuk kapal permukaan dengan kecepatan 8,4 kn, dan kesalahan pencarian arah terbaik bisa mencapai 5◦. Lebar spektrum azimuth 3 dB dapat mencapai sekitar 10◦ di dekat titik posisi dekat.