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のターゲット検出性能の解析 のヒストグラムアルゴリズム 単一ベクトルハイドロフォン
単一ベクトル水中聴音器のヒストグラム アルゴリズムは、優れたロバスト性とターゲット方位推定性能を備えています。この論文は、ヒストグラム アルゴリズムのターゲット検出パフォーマンスと、ターゲットの自律検出および追跡アルゴリズムを分析して要約します。 水中音響トランスデューサを提案した。 ターゲットの推定方位角に基づくコンピュータ シミュレーションと無響水槽テストの結果は、自律追跡のためのウィンドウ化ヒストグラム アルゴリズムに必要な信号対雑音比が 7 dB より大きい必要があることを示しています。この条件下では、推定方位角誤差と 3 dB ビーム幅はそれぞれ約 8 ° と 20 °になります。海洋試験の結果は、深海の良好な水文条件下では、ウィンドウ化ヒストグラム アルゴリズムが 13.8 km の範囲内で速度 8.4 ノットの水上艦の目標検出と追跡を達成できることを示しています。最適な推定方位角誤差は 5 °に達する可能性があり、3 dB ビーム幅は°に達する可能性があります。 2 km の距離で約 10
ベクトル水中聴音器のベクトル チャネルは、周波数に依存しないダイポール指向性を持ち、等方性ノイズ干渉に耐える機能を備えています。ベクトル水中聴音器は、全空間でブレのない定位を実現でき、音響センサーを備えた小型水中プラットフォームでの目標検出のソリューションを提供します。
スペースの利点。近年、継続的な改善により、 ベクトルハイドロフォンセンサー 技術、ベクトル信号処理技術も強力に適用されており、需要に牽引されて急速に発展しています。従来の音圧ハイドロフォンと比較して、ベクトルハイドロフォンはより包括的な音場情報を提供します。音場のスカラー量を測定するだけでなく、音場のベクトル特性も取得できるため、信号処理空間が大幅に拡張されます。単一ベクトル水中聴音器に基づくターゲット方位推定アルゴリズムは多数ありますが、一般に、それらは方向探知の原理に従って 2 つのカテゴリに分類できます。1 つは音響エネルギー流に基づく方位推定です。もう 1 つは、ベクトル水中聴音器の各チャネルを多素子アレイと見なすことです。各圧電素子は空間内のほぼ同じ点に配置され、単一ベクトル水中聴音器自体のアレイ流パターンの特性を利用して、既存のアレイ信号処理方法が単一ベクトル水中聴音器に適用されます。ベクトル水中聴音器のさまざまなターゲット方向検出アルゴリズムには、それぞれ長所と短所があります。その中でも、ヒストグラム アルゴリズムは、他のアルゴリズムに比べて堅牢性と目標方位推定性能が優れており、狭帯域で強い線スペクトル干渉を抑制する機能を備えています。特にエンジニアリング用途に適しています。この論文は、単一ベクトル水中聴音器に基づくヒストグラム方向探知アルゴリズムを分析および要約し、ターゲットの方位に基づいた水中ターゲットの自律検出および追跡アルゴリズムを提案します。
図6は、セクション1で提案した目標自律検出および追跡アルゴリズムによる目標自律追跡フラグと信号対雑音比の曲線です。目標追跡フラグ1は、アルゴリズムが目標追跡を達成していることを表し、目標追跡フラグが達成されていないことを意味します。図 6 から、信号対雑音比が 7 dB より大きい場合、ヒストグラム アルゴリズムは自律的なターゲット追跡を達成できることがわかります。
2.2 タンクテスト分析
単一ベクトル水中聴音器ヒストグラムアルゴリズムの目標検出性能を習得するために、単一ベクトル水中聴音器の目標検出性能を無響プールで実行しました。
実証試験では、音源ターゲットとしてUW350を使用し、水深3mで試験を行いました。テストで使用される信号は、信号ソースの出力の幅です。ガウス ホワイト ノイズでは、出力のピークツーピーク値はそれぞれ 10 mV、20 mV、25 mV、50 mV、100 mV、1 V、10 V に設定されます。
信号送信時間は 60 秒、小信号放射音源レベルは信号源設定出力のピークトゥピーク値を A1、A2 とすると 20 lg (A1/A2) で計算されます。信号放出音源レベルは、ベクトル水中聴音器と音源との間の距離に従って計算され、ベクトル水中聴音器の各チャネルの信号対雑音比を得ることができる。表 1 は、ベクトル水中聴音器の各チャンネルで受信した音源信号の広帯域平均 S/N 比の結果を示しており、異なる音源放射強度における各チャンネルの S/N 比の平均値を示しています。信号源出力のピークツーピーク値は、10 mV、20mV、25 mV、50 mV、100 mV、1 V、および 10 V で、ベクトル ハイドロフォンによって受信される音源信号の広帯域平均 S/N 比は、それぞれ 13 dB、7 dB、5 dB、1 dB、7 dB、27 dB、および47dB。 7 つの信号対雑音比信号は、ヒストグラム アルゴリズムを使用して個別に処理されます。計算された方位推定結果は、図 7 に示すように時間とともに変化します。この図には、各期間における信号出力とベクトル水中聴音器のピークツーピーク値も示されています。受信機の信号対雑音比。図 7 から、音源ターゲットの推定方位角は、受信信号対雑音比が増加するにつれて徐々に安定し、基本的に真の方位角と一致することがわかります。図 8 と図 9 は、ヒストグラム アルゴリズムによる 7 つの音源から発せられる S/N 比信号の方位推定誤差と 3 dB の方位スペクトル幅をそれぞれ示しています。比率は増加し、徐々に減少します。音源がピークツーピーク 1 V のノイズ信号を発する場合と比較して、ピークツーピーク 10 V のノイズ信号を発する場合には、方向探知エラーが増加します。これは、音源が高い音源レベルの信号を発しているためです。
音響プールは低周波数帯域で不完全に減衰されており、強い界面反射が発生します。信号対雑音比が 7 dB の場合、方向探知誤差は約 8 °、3 dB 平方です。
ビットスペクトル幅は約23°です。信号対雑音比が1 dBより大きい場合、方向探知誤差と3 dBの方位スペクトル幅は、それぞれ4°および19°未満です。図10は、音源放射信号の強度を伴うターゲット自律検出および追跡アルゴリズムに従って計算されたターゲット追跡マークの曲線であり、これが見られます。信号対雑音比が7 dBの場合、ヒストグラムアルゴリズムは音源ターゲットの自律追跡を実現できます。
2.3 海洋試験分析
からのデータを使用して、 水中音響センサーブイ目標探知性能検証試験データをもとに、単一ベクトル水中聴音器のヒストグラムアルゴリズムvを用いて海上目標の探知性能を分析しました。 2019年8月に南シナ海北部海域で実施された試験海域は水深約1500メートル。試験中の気象条件は良好で、風速はレベル2程度であった。船舶搭載放棄熱塩水深計の測定結果から、水深40mから水深40200mまでの音速プロファイルは均一な層であることがわかった。内部には主音速遷移層があり、声道軸は深さ1000m付近にあります。試験日の 12:33 から 14:02 までの間、長さ 42 m、幅 6 m、速度 8.4 kn の水上艦が船首方位 301°で水中音響ブイの近くを通過しました。期間中は水上艦艇と水中音響。ブイまでの距離は最短で約2km、最長で約13.8kmです。状況図を図 11 に示します。図 12 に、ヒストグラム アルゴリズムによって計算された水上艦の目標方位の推定方位結果と実際の方位の比較を示します。ヒストグラム アルゴリズムは、12:33 から 14:02 までの期間全体で水上艦の目標を達成できることがわかります。
図 13 と図 14 はそれぞれ、水上艦の目標方向探知誤差のヒストグラム アルゴリズムと、12:33 ～ 14:02 の時間帯における 3 dB の方位スペクトル幅対時間曲線を示しています。方位探知誤差は最高であり、5°以内に達することができ、3dBの方位スペクトル幅は、近い位置点の近くで約10°に達することができます。さらに、水中音響ブイの水中位置のずれにより、水上艦とブイプラットフォームの間の距離は比較的近くなります。時間方向探知の誤差が大きくなります。図 15 は、ターゲット自律検出および追跡アルゴリズムによって計算された、時間の経過に伴うターゲット追跡マークの曲線です。このアルゴリズムは、13.8 km の距離内で速度 8.4 ノットの水上艦艇の全範囲にわたって自律的な目標追跡を達成できることがわかります。
3 結論
この論文は、水中無人プラットフォーム上の単一ベクトル水中聴音器の工学的応用要件を目的として、水中聴音器の自律的な検出と追跡のための方法を提案します。 水中超音波センサーを使用し、シミュレーション計算、無響水槽試験、海洋試験解析を用いて単一ベクトル水に基づいて集計します。リスナーのヒストグラムアルゴリズムは標準的な検出性能を持っています。コンピュータシミュレーションと無響プールテストデータの結果から、自律追跡を実現するためにヒストグラムアルゴリズムに必要な信号対雑音比は7dB以上である必要があり、このときの方向探知誤差は約8°、3dBの方位スペクトル幅は約20°であることが示されています。海洋試験データによると、深海の良好な水文条件下では、ヒストグラム アルゴリズムにより、速度 8.4 ノットの水上船舶の場合、13.8 km の距離内で完全な目標の検出と追跡が達成でき、最良の方向探知誤差は 5° に達する可能性があります。 3 dB の方位スペクトル幅は、近位点付近で約 10° に達します。
