Analisi delle prestazioni di rilevamento del bersaglio per un algoritmo di istogramma a finestra di idrofono a vettore singolo

Analisi delle prestazioni di rilevamento del target per un algoritmo di istogramma di  un idrofono a vettore singolo 

L'algoritmo dell'istogramma dell'idrofono a vettore singolo ha una buona robustezza e prestazioni di stima dell'azimut target. Questo documento analizza e riassume le prestazioni di rilevamento del target dell'algoritmo dell'istogramma e di un algoritmo di rilevamento e tracciamento autonomo per è stato proposto un trasduttore acustico subacqueo basato sull'azimut stimato del bersaglio. La simulazione al computer e i risultati dei test in vasca anecoica mostrano che il rapporto segnale-rumore richiesto dall'algoritmo dell'istogramma a finestra per il tracciamento autonomo deve essere maggiore di 7 dB. In queste condizioni, l'errore di azimut stimato e l'ampiezza del fascio di 3 dB sono rispettivamente di circa 8 ◦ e 20 ◦ . I risultati delle prove in mare mostrano che in buone condizioni idrologiche nelle profondità marine, l'algoritmo dell'istogramma a finestra può ottenere il rilevamento e il tracciamento del bersaglio per una nave di superficie con una velocità di 8,4 nodi entro un raggio di 13,8 km. L'errore di azimut stimato ottimale può raggiungere 5 ◦ e l'ampiezza del fascio di 3 dB può raggiungere circa 10 ◦ ad una distanza di 2 km.

 

Il canale vettoriale dell'idrofono vettoriale ha una direttività dipolare indipendente dalla frequenza e ha la capacità di resistere alle interferenze del rumore isotropo. Un idrofono vettoriale può ottenere un orientamento privo di sfocature nell'intero spazio, il che fornisce una soluzione per il rilevamento del bersaglio su una piccola piattaforma subacquea dotata di sensori acustici.

 

Il vantaggio dello spazio. Negli ultimi anni, con il miglioramento continuo di tecnologia dei sensori idrofoni vettoriali , anche la tecnologia di elaborazione del segnale vettoriale viene applicata in modo potente. Guidata dalla domanda, si è sviluppata rapidamente. Rispetto agli idrofoni convenzionali a pressione sonora, gli idrofoni vettoriali forniscono informazioni sul campo sonoro più complete. Non solo può misurare la quantità scalare del campo sonoro, ma anche ottenere le caratteristiche vettoriali del campo sonoro, espandendo notevolmente lo spazio di elaborazione del segnale. Esistono molti algoritmi per la stima dell'azimut target basati su idrofoni a vettore singolo, ma in generale possono essere suddivisi in due categorie in base al principio della radiogoniometria: una è la stima dell'azimut basata sul flusso di energia sonora; l'altro è considerare ciascun canale dell'idrofono vettoriale come se fosse un array multi-elemento, ciascun elemento piezoelettrico è posizionato approssimativamente nello stesso punto nello spazio e il metodo di elaborazione del segnale dell'array esistente viene applicato all'idrofono vettoriale singolo utilizzando le caratteristiche del modello di flusso dell'array dell'idrofono vettoriale singolo stesso. Vari algoritmi di rilevamento della direzione del bersaglio degli idrofoni vettoriali presentano vantaggi e svantaggi. Tra questi, l'algoritmo dell'istogramma ha una robustezza e prestazioni di stima dell'azimut target migliori rispetto ad altri algoritmi e ha la capacità di sopprimere le interferenze a banda stretta e forti dello spettro di linee. È particolarmente adatto per applicazioni ingegneristiche. Questo articolo analizza e riassume l'algoritmo radiogoniometrico dell'istogramma basato su un singolo idrofono vettoriale e propone un algoritmo autonomo di rilevamento e tracciamento per bersagli subacquei basato sull'azimut del bersaglio 

La Fig. 6 è la curva del flag di tracciamento autonomo del bersaglio con rapporto segnale-rumore secondo l'algoritmo di rilevamento e tracciamento autonomo del bersaglio proposto nella Sezione 1. Il flag di tracciamento autonomo del bersaglio 1 rappresenta che l'algoritmo raggiunge il tracciamento del bersaglio e significa che il tracciamento del bersaglio non è stato raggiunto. Dalla Figura 6 si può vedere che quando il rapporto segnale-rumore è maggiore di 7 dB, l'algoritmo dell'istogramma può ottenere un tracciamento autonomo del target.

2.2 Analisi del test del serbatoio

Per padroneggiare le prestazioni di rilevamento del bersaglio dell'algoritmo dell'istogramma dell'idrofono a vettore singolo, le prestazioni di rilevamento del bersaglio dell'idrofono a vettore singolo sono state effettuate nel pool anecoico.

Nel test di verifica, l'UW350 è stato utilizzato come target della sorgente sonora durante il test e la profondità era di 3 m sott'acqua. Il segnale utilizzato nel test è la larghezza dell'uscita della sorgente del segnale. Con il rumore bianco gaussiano, il valore picco-picco in uscita è impostato rispettivamente su 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V e 10 V.

 

Il tempo di trasmissione del segnale è di 60 s e il livello della sorgente sonora di emissione di segnali piccoli viene calcolato con la formula 20 lg (A1/A2), dove A1 e A2 sono il valore picco-picco dell'uscita di impostazione della sorgente del segnale. Il livello della sorgente sonora che emette il segnale può essere calcolato in base alla distanza tra l'idrofono vettoriale e la sorgente sonora per ottenere il rapporto segnale-rumore di ciascun canale dell'idrofono vettoriale. La tabella 1 mostra i risultati del rapporto segnale-rumore medio a banda larga del segnale della sorgente sonora ricevuto da ciascun canale dell'idrofono vettoriale e fornisce il valore medio del rapporto segnale-rumore di ciascun canale con diverse intensità di emissione della sorgente sonora. Si può vedere che il valore picco-picco dell'uscita della sorgente del segnale è A 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V e 10 V, il rapporto segnale-rumore medio a banda larga del segnale della sorgente sonora ricevuto dall'idrofono vettoriale è rispettivamente di 13 dB, 7 dB, 5 dB, 1 dB, 7 dB, 27 dB e 47 dB. I sette segnali del rapporto segnale-rumore vengono elaborati separatamente utilizzando l'algoritmo dell'istogramma. I risultati della stima dell'azimut calcolata cambiano con il tempo, come mostrato nella Figura 7. La figura indica anche il valore picco-picco dell'uscita del segnale e dell'idrofono vettoriale in ciascun periodo di tempo. Rapporto segnale/rumore del ricevitore. Dalla Figura 7 si può vedere che l'azimut stimato della sorgente sonora target si stabilizza gradualmente all'aumentare del rapporto segnale-rumore ricevuto e coincide sostanzialmente con l'azimut reale. La Figura 8 e la Figura 9 mostrano rispettivamente l'errore di stima dell'azimut e l'ampiezza dello spettro dell'azimut di 3 dB dei segnali del rapporto segnale-rumore emessi dalle sette sorgenti sonore dall'algoritmo dell'istogramma. Il rapporto aumenta e diminuisce gradualmente. L'errore di radiogoniometria aumenta quando la sorgente sonora emette un segnale di rumore picco-picco di 10 V rispetto a 1 V picco-picco. Ciò è dovuto al fatto che la sorgente sonora emette un segnale di livello elevato.

 

 

Il pool acustico è attenuato in modo incompleto nella banda delle basse frequenze e vi è una forte riflessione dell'interfaccia; quando il rapporto segnale-rumore è 7 dB, l'errore di ricerca della direzione è di circa 8 ◦, 3 dB quadrati

La larghezza dello spettro di bit è di circa 23◦; quando il rapporto segnale-rumore è maggiore di 1 dB, l'errore di rilevamento della direzione e l'ampiezza dello spettro azimutale di 3 dB sono inferiori a 4◦ e 19◦, rispettivamente. La Figura 10 è la curva del contrassegno di tracciamento del target calcolata in base all'algoritmo di rilevamento e tracciamento autonomo del target con l'intensità del segnale di emissione della sorgente sonora, che può essere visto. Quando il rapporto segnale-rumore è 7 dB, l'algoritmo dell'istogramma può realizzare il tracciamento autonomo del target della sorgente sonora.

 

2.3 Analisi dei test marini

Utilizzando i dati di Dati di test di verifica delle prestazioni di rilevamento del bersaglio della boa del sensore acustico subacqueo effettuati nelle acque settentrionali del Mar Cinese Meridionale nell'agosto 2019, l'algoritmo dell'istogramma dell'idrofono a vettore singolo è stato utilizzato per analizzare le prestazioni di rilevamento dei bersagli marittimi. La profondità dell'area marina di prova è di circa 1500 m. Durante il test, le condizioni meteorologiche sono buone e la velocità del vento è di circa livello 2. I risultati della misurazione del misuratore di profondità del termosale di abbandono trasportato dalla nave mostrano che il profilo della velocità del suono è uno strato uniforme entro una profondità di 40 m e una profondità di 40 200 m. All'interno si trova il principale strato di transizione della velocità del suono e l'asse del tratto vocale si trova a una profondità di circa 1000 m. Durante il giorno del test, dalle 12:33 alle 14:02, una nave di superficie lunga 42 m, larga 6 m e con una velocità di 8,4 nodi è passata vicino alla boa acustica subacquea con una rotta di 301°. Durante il periodo, la nave di superficie e l'acustica subacquea. La distanza della boa è di circa 2 km nel momento più breve e di 13,8 km nel momento più lontano. Il diagramma della situazione è mostrato nella Figura 11. La Figura 12 mostra il confronto tra i risultati dell'azimut stimato dell'azimut target della nave di superficie calcolato dall'algoritmo dell'istogramma e l'azimut reale. Si può vedere che l'algoritmo dell'istogramma può raggiungere l'obiettivo della nave di superficie durante l'intero periodo di tempo 12:33-14:02.

La Figura 13 e la Figura 14 mostrano rispettivamente l'algoritmo dell'istogramma per l'errore di rilevamento della direzione del bersaglio di una nave di superficie e la larghezza dello spettro azimutale di 3 dB rispetto alla curva del tempo nel periodo di tempo 12:33-14:02. Si può vedere che l'errore di ricerca della direzione è il migliore che può raggiungere entro 5 ◦, e l'ampiezza dello spettro azimutale di 3 dB può raggiungere circa 10 ◦ vicino al punto di localizzazione vicino; inoltre, a causa della deviazione della posizione subacquea della boa acustica subacquea, la distanza tra la nave di superficie e la piattaforma della boa è relativamente vicina. L'errore di rilevamento della direzione aumenta nel tempo. La Figura 15 è la curva del contrassegno di tracciamento del bersaglio nel tempo calcolata dall'algoritmo di rilevamento e tracciamento autonomo del bersaglio. Si può vedere che l'algoritmo può ottenere il tracciamento autonomo del bersaglio su tutta la distanza per una nave di superficie con una velocità di 8,4 nodi entro una distanza di 13,8 km.

 

3 Conclusione

Mirando ai requisiti applicativi ingegneristici degli idrofoni a vettore singolo su piattaforme subacquee senza equipaggio, questo articolo propone un metodo per il rilevamento e il tracciamento autonomo di sensore a ultrasuoni subacqueo e utilizza calcoli di simulazione, test in vasca anecoica e analisi di test marini per riassumere in base all'acqua a vettore singolo. L'algoritmo dell'istogramma dell'ascoltatore aveva prestazioni di rilevamento standard. I risultati della simulazione al computer e dei dati dei test della piscina anecoica mostrano che il rapporto segnale-rumore richiesto dall'algoritmo dell'istogramma per ottenere il tracciamento autonomo deve essere maggiore di 7 dB, in questo momento l'errore di ricerca della direzione è di circa 8◦ e l'ampiezza dello spettro azimutale di 3 dB è di circa 20◦. I dati dei test marini mostrano che in buone condizioni idrologiche nelle profondità marine, l'algoritmo dell'istogramma può ottenere il rilevamento e il tracciamento completo del bersaglio entro una distanza di 13,8 km per una nave di superficie con una velocità di 8,4 nodi, e il miglior errore di ricerca della direzione può raggiungere 5◦. L'ampiezza dello spettro azimutale di 3 dB può raggiungere circa 10◦ vicino al punto di posizione vicino.