Analisis prestasi pengesanan algoritma pencarian arah histogram hidrofon vektor tunggal

Algoritma histogram a hidrofon vektor tunggal mempunyai kekukuhan yang baik dan prestasi anggaran azimut sasaran. Artikel ini menganalisis dan meringkaskan prestasi pengesanan sasaran algoritma histogram, dan mencadangkan pengesanan autonomi sasaran bawah air berdasarkan anggaran azimut sasaran. Algoritma pengesanan, algoritma ini boleh mencapai pengesanan autonomi kehadiran atau ketiadaan sasaran di dalam air. Simulasi dan keputusan ujian kolam anechoic menunjukkan bahawa nisbah isyarat kepada hingar yang diperlukan oleh algoritma histogram untuk mencapai penjejakan sasaran autonomi perlu lebih besar daripada -7 dB. Pada masa ini, ralat mencari arah adalah kira-kira 8◦, dan lebar spektrum azimut −3 dB adalah kira-kira 20◦. Analisis data ujian marin menunjukkan bahawa algoritma histogram boleh mencapai pengesanan dan pengesanan sasaran penuh dalam jarak 13.8 km untuk kapal permukaan dengan kelajuan 8.4 kn, dengan ralat mencari arah optimum 5◦, dan galas −3 dB pada jarak 2 km. Lebar spektrum boleh mencapai 10◦

 

 

Saluran vektor bagi penderia hidrofon vektor mempunyai kedirektiviti dipol bebas frekuensi, dan mempunyai keupayaan untuk menahan gangguan bunyi isotropik. Hidrofon vektor boleh mencapai orientasi bebas kabur ruang penuh, yang menyediakan penyelesaian untuk pengesanan sasaran pada platform bawah air kecil yang dilengkapi dengan penderia akustik dalam air.

kelebihan ruang. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, dengan peningkatan berterusan teknologi hidrofon vektor, teknologi pemprosesan isyarat vektor juga digunakan dengan kuat. Didorong oleh permintaan, ia telah berkembang pesat. Berbanding dengan hidrofon tekanan bunyi konvensional, hidrofon vektor memberikan maklumat medan bunyi yang lebih komprehensif. Hanya skalar medan bunyi boleh diukur, dan ciri-ciri vektor medan bunyi juga boleh diperoleh, yang meluaskan ruang pemprosesan isyarat. Terdapat banyak algoritma anggaran azimut sasaran berdasarkan hidrofon vektor tunggal, secara amnya, ia boleh dibahagikan kepada dua kategori mengikut prinsip mencari arah: satu ialah anggaran azimut berdasarkan aliran tenaga bunyi; yang lain adalah untuk menganggap setiap saluran hidrofon vektor. Ia adalah tatasusunan berbilang elemen, setiap elemen adalah lebih kurang pada kedudukan yang sama dalam ruang, dan kaedah pemprosesan isyarat tatasusunan sedia ada digunakan pada hidrofon vektor tunggal dengan menggunakan ciri-ciri corak aliran tatasusunan hidrofon vektor tunggal itu sendiri. Pelbagai algoritma pencarian arah sasaran hidrofon vektor mempunyai kelebihan dan kelemahan mereka sendiri. Berbanding dengan algoritma lain, algoritma histogram sederhana mempunyai keteguhan yang lebih baik dan prestasi anggaran orientasi sasaran, dan mempunyai keupayaan untuk menindas gangguan spektrum jalur sempit dan garis kuat, yang amat sesuai untuk aplikasi kejuruteraan. Kertas kerja ini menganalisis dan meringkaskan algoritma pencarian arah histogram berdasarkan hidrofon vektor tunggal, dan mencadangkan algoritma pengesanan dan pengesanan autonomi untuk sasaran bawah air berdasarkan anggaran orientasi sasaran, menggunakan simulasi komputer, data pengukuran kolam anechoic dan data eksperimen marin yang dianalisis histogram dan algoritma graf prestasi pengesanan sasaran.

 

 

1 Algoritma teori

1.1 Algoritma pencarian arah histogram

 

Algoritma histogram perlu terlebih dahulu mengira anggaran azimut sasaran pada titik frekuensi yang berbeza, dan ungkapan pengiraan ialah

θ(f) = arctan Re ⟨P∗w(f) × Vyw(f)⟩ Re ⟨P∗w(f) × Vxw(f)⟩ = arctan ⟨Iy(i, f)

⟨Ix(i, f)⟩, (1) Dalam formula (1), θ(f) mewakili azimut sasaran yang dikira pada frekuensi berbeza f, dan Pw, Vxw, dan Vyw masing-masing mewakili tekanan bunyi hidrofon vektor dalam P dan getaran dalam arah x, masing-masing. Saluran kelajuan dan saluran kelajuan getaran arah-y mengumpul nilai spektrum isyarat, dan Ix dan Iy masing-masing mewakili aliran tenaga akustik dalam arah-x dan arah-y. Dari persamaan (1) dapat dilihat bahawa azimut sasaran yang dikira oleh persamaan (1) adalah berkaitan dengan frekuensi f, dan anggaran azimut sasaran pada titik frekuensi yang berbeza adalah berbeza. Kaedah menganggar azimut sasaran melalui histogram boleh digunakan untuk mengira azimut sasaran dalam persekitaran. Gangguan jalur sempit dan penindasan gangguan spektrum garis yang kuat, tetapi apabila terdapat berbilang sasaran dalam persekitaran .Apabila frekuensi hingar terpancar bertindih antara satu sama lain, kaedah histogram tidak boleh mendapatkan azimut sebenar setiap sasaran, hanya aliran tenaga bunyi bagi setiap sasaran.

 

Orientasi gabungan akan cenderung ke arah orientasi sasaran yang lebih sengit. Statistik azimut histogram adalah untuk mengira sasaran anggaran azimut θ(f) dalam selang azimut yang sepadan mengikut bilangan titik frekuensi. Jika selang azimut dibahagikan dengan 1◦, maka k = [θ(f) × 180/π], φ (k) = φ(k) + 1, (2) Dalam formula (2), [] mewakili operasi pembundaran, k ialah nilai yang diperoleh dengan membundarkan θ(f), seperti θ(f) θ(f) θ(f) θ(f) θ(f) θ(f) 360◦, supaya anggaran azimut sasaran jatuh pada selang [0◦ 360◦), φ ialah kekerapan anggaran azimut pada setiap sudut, dan nilai sudut yang sepadan dengan nilai maksimum ialah anggaran azimut sasaran.

 

1.2

Algoritma untuk Pengesanan dan Penjejakan Sasaran Autonomi

Algoritma pengesanan dan pengesanan autonomi untuk sasaran bawah air berdasarkan anggaran orientasi sasaran. Idea asas adalah untuk melakukan analisis statistik pada orientasi sasaran yang dianggarkan oleh algoritma histogram, dan membandingkan statistik orientasi dengan ambang pratetap, yang akhirnya dapat merealisasikan pengesanan autonomi sasaran dan penjejakan bawah air. Carta alir pengesanan dan pengesanan sasaran autonomi termasuk lima langkah berikut: (1) Pertama, gunakan algoritma histogram hidrofon vektor tunggal untuk mengimbas keseluruhan arah spatial untuk mendapatkan anggaran azimut Ag bagi isyarat yang diterima; (2) Gunakan maya malar Pengesan penggera (pengesan CA-CFAR) melakukan pemprosesan penggera palsu berterusan pada orientasi sasaran yang diperoleh dalam langkah (1); (3) Jika pengesan CA-CFAR menilai Ag sebagai orientasi isyarat sasaran, nilai Ag diberikan kepada matriks AgT[i], jika tidak, tetapkan -1 kepada matriks AgT[i] (i = 1, 2, ·, N); (4) Jika bilangan nilai matriks AgT = −1 lebih besar daripada AT (AT ialah ambang pratetap , AT

 

Mengira punca ralat min kuasa dua StdAT, jika StdAT kurang daripada ambang StdDT, ia dinilai bahawa terdapat sasaran dan kedudukan sasaran dijejaki, jika tidak, ulangi langkah (1) ~ (4). Melalui 5 langkah di atas, pengesanan autonomi dan pengesanan sasaran bawah air boleh dicapai. Prinsip pemprosesan CA-CFAR ialah apabila mengesan dan menjejaki sasaran azimut tertentu, disebabkan oleh sifat persekitaran marin yang tidak pegun, kebarangkalian penggera palsu tidak stabil berhampiran kebarangkalian pengesanan tertentu, dan pengesanan masa nyata tahap hingar persekitaran menetapkan ambang yang berubah-ubah masa boleh mencapai kesan pengesanan berterusan dengan kebarangkalian sasaran penggera palsu yang berterusan untuk azimu. Secara umum, ambang adalah fungsi kebarangkalian pengesanan dan kebarangkalian penggera palsu. Teknologi pemprosesan CA-CFAR ialah algoritma pemprosesan isyarat yang menyediakan ambang pengesanan dalam sistem pengesanan automatik dan meminimumkan pengaruh hingar dan gangguan pada kebarangkalian penggera palsu sistem pengesanan. Dalam teknologi pemprosesan CA-CFAR, apabila unit tertentu perlu diuji, unit yang diuji dipanggil unit ujian (Cell under test, CUT), dan unit sampel yang digunakan untuk mengekstrak kuasa hingar di sekeliling unit ujian dipanggil unit rujukan (Rujukan). sel, RC). Untuk mengelakkan isyarat sasaran daripada bocor ke dalam unit rujukan, yang akan menjejaskan anggaran kuasa hingar, sebahagian daripada sampel hendaklah dikhaskan sebagai sel pengawal (GC) antara unit rujukan dan unit ujian. Hubungan antara unit ujian, unit rujukan dan unit perlindungan diberikan.

2 Analisis prestasi pengesanan sasaran

Bahagian ini akan memberikan hasil simulasi komputer prestasi pengesanan sasaran algoritma histogram, dan menggunakan kolam anechoic dan data ujian laut untuk menganalisis

Algoritma pencarian arah sasaran dan prestasi penjejakan autonomi. Demi kesederhanaan, artikel ini hanya menganalisis situasi sasaran tunggal.

2.1 Analisis simulasi

Keadaan simulasi adalah seperti berikut: memandangkan isyarat sasaran jalur lebar adalah kejadian pada hidrofon vektor tunggal dengan azimut kejadian 100◦, dan nisbah isyarat-ke-bunyi (Nisbah isyarat kepada hingar (SNR)) dalam jalur frekuensi yang sama ditetapkan kepada −20 ∼ 16 dB, dengan 2 dB selang bunyi adalah tidak berkaitan dengan selang bunyi, Gauss dan tiada selang bunyi putih, yang tidak berkaitan dengan selang bunyi putih, dan tiada hubung kait dengan isyarat putih. kekerapan pensampelan ialah 20 kHz. Panjang data bagi setiap proses pengiraan ialah 5 saat, dan 75% daripada data dikeluarkan semula dalam tetingkap masa.

Kadar tindanan dibahagikan kepada 17 keping data dengan panjang 1 s, dan 32768-titik Fast Fourier Transform (Fast Fourier Transform) dilakukan pada setiap pengiraan data.form, FFT), jalur frekuensi pemprosesan ialah 200 Hz ~ 3 kHz, 17 kumpulan spektrum keamatan bunyi dikira, dan kemudiannya digunakan untuk spektrum tujuan bunyi dan purata keamatan bunyinya.

Anggaran orientasi piawai. Rajah 3 menunjukkan keputusan anggaran azimut algoritma histogram menggunakan keadaan simulasi di atas sebagai fungsi nisbah isyarat-ke-bunyi (iaitu, spektrum azimut ternormal berbeza dengan isyarat. Nisbah hingar berubah, dan spektrum azimut ialah amplitud dalam azimut yang berbeza. Iaitu 200 isyarat tidak bersandar Monte Carlo boleh dilihat di bawah setiap eksperimen Monte Carlo. anggaran sejarah azimut secara beransur-ansur menjadi jelas apabila nisbah isyarat-ke-bunyi meningkat. Untuk menghuraikan secara kuantitatif prestasi anggaran orientasi sasaran algoritma histogram, Rajah 4 dan Rajah 5. Lengkung ralat mencari arah dan −3 dB lebar spektrum azimut berbanding SNR masing-masing diberikan. Ia boleh dilihat bahawa apabila nisbah isyarat kepada hingar ialah −7 dB, penemuan arah .Ralat adalah kira-kira 8◦, dan lebar spektrum azimut −3 dB ialah kira-kira 19◦; apabila nisbah isyarat kepada hingar lebih besar daripada 0 dB, ralat mencari arah dan −3 dB spektrum azimut lebar masing-masing kurang daripada 3◦ dan 7◦

Rajah 6 ialah lengkung bendera penjejakan autonomi sasaran dengan nisbah isyarat kepada hingar mengikut algoritma pengesanan dan penjejakan autonomi sasaran yang dicadangkan dalam Bahagian 1. Bendera penjejakan sasaran 1 mewakili bahawa algoritma mencapai penjejakan sasaran, dan 0 bermakna penjejakan sasaran tidak tercapai. Ia boleh dilihat daripada Rajah 6 bahawa apabila nisbah isyarat kepada hingar lebih besar daripada −7 dB. Algoritma histogram masa boleh mencapai sasaran autonomi .

2.2 Analisis ujian tangki

Untuk menguasai prestasi pengesanan sasaran algoritma histogram hidrofon vektor tunggal, ujian pengesahan prestasi pengesanan sasaran hidrofon vektor tunggal telah dijalankan dalam kolam anechoic. UW350 digunakan sebagai sasaran sumber bunyi semasa ujian, dan kedalaman digunakan untuk 3 m di bawah air. Isyarat yang digunakan dalam ujian ialah lebar output sumber isyarat. Dengan hingar putih Gaussian, nilai puncak ke puncak output ditetapkan kepada 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V dan 10 V masing-masing. Masa penghantaran bagi setiap isyarat ialah 60 saat, dan tahap sumber bunyi bagi pelepasan isyarat kecil melepasi formula 20 lg (A1/A2) dikira, di mana A1 dan A2 ialah nilai puncak ke puncak tetapan sumber isyarat. Daripada tahap sumber bunyi pelepasan isyarat, nisbah isyarat kepada hingar bagi setiap saluran hidrofon vektor boleh dikira berdasarkan jarak antara hidrofon vektor dan sumber bunyi. Jadual 1 menunjukkan keputusan nisbah isyarat-ke-bunyi purata jalur lebar bagi isyarat sumber bunyi yang diterima oleh setiap saluran hidrofon vektor, dan memberikan nilai purata nisbah isyarat-ke-bunyi bagi setiap saluran di bawah intensiti pelepasan sumber bunyi yang berbeza. Ia boleh dilihat bahawa nilai puncak-ke-puncak output sumber isyarat adalah masing-masing Pada 10 mV, 20mV, 25mV, 50 mV, 100 mV, 1 V dan 10 V, nisbah isyarat-ke-bunyi purata transduser akustik jalur lebar isyarat sumber bunyi yang diterima oleh hidrofon vektor ialah −13 dB, −7 dB, −5 dB, 1 dB, 7 dB, 27 dB dan 47 dB.

 

Tujuh isyarat nisbah isyarat kepada hingar diproses secara berasingan menggunakan algoritma histogram. Keputusan anggaran azimut yang dikira berubah mengikut masa seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7. Angka tersebut juga menandakan nilai puncak ke puncak output isyarat dan hidrofon vektor dalam setiap tempoh masa. Nisbah isyarat kepada bunyi penerima. Ia boleh dilihat daripada Rajah 7 bahawa anggaran azimut sasaran sumber bunyi menjadi stabil secara beransur-ansur apabila nisbah isyarat-ke-bunyi yang diterima meningkat dan pada asasnya bertepatan dengan azimut sebenar. Rajah 8 dan Rajah 9 masing-masing menunjukkan ralat anggaran azimut dan −3 dB spektrum azimut lebar isyarat nisbah isyarat kepada bunyi yang dipancarkan oleh tujuh sumber bunyi oleh algoritma histogram. Nisbah meningkat dan beransur-ansur menurun. Ralat mencari arah meningkat apabila sumber bunyi mengeluarkan isyarat hingar puncak ke puncak 10 V berbanding dengan puncak ke puncak 1V. Ini kerana sumber bunyi mengeluarkan isyarat tahap sumber bunyi yang tinggi.

Kolam mempunyai pengurangan hingar yang tidak lengkap dalam jalur frekuensi rendah dan terdapat pantulan antara muka yang kuat; apabila nisbah isyarat kepada hingar ialah −7 dB, ralat mencari arah ialah kira-kira 8°, dan lebar spektrum azimut −3 dB ialah kira-kira 23°; dan apabila nisbah isyarat kepada hingar lebih besar daripada Pada 1 dB, ralat mencari arah dan lebar spektrum azimut −3 dB adalah kurang daripada 4◦ dan 19◦, masing-masing. Rajah 10 ialah lengkung tanda penjejakan sasaran dengan keamatan isyarat pelepasan sumber bunyi yang dikira mengikut algoritma pengesanan dan pengesanan autonomi sasaran. Ia boleh dilihat bahawa apabila nisbah isyarat kepada hingar ialah -7 dB, algoritma histogram boleh mencapai pengesanan autonomi sasaran sumber bunyi.

 

 

2.3 Analisis ujian marin

 

Menggunakan data daripada data ujian pengesahan prestasi pengesanan sasaran pelampung akustik dalam air yang dijalankan di perairan utara Laut China Selatan pada Ogos 2019, algoritma histogram hidrofon vektor tunggal digunakan untuk menganalisis prestasi pengesanan sasaran maritim. Kedalaman kawasan laut ujian adalah kira-kira 1500 m. Semasa tempoh ujian, keadaan cuaca baik dan angin.

 

 

Kelajuan adalah kira-kira tahap 2. Hasil pengukuran instrumen kedalaman termosal tertinggal bawaan kapal menunjukkan bahawa profil halaju bunyi adalah lapisan seragam dalam kedalaman 40 m, dan lapisan bencana utama halaju bunyi berada dalam kedalaman 40 ~ 200 m, dan paksi saluran bunyi berada pada 10000 m. Berhampiran kedalaman. Semasa hari ujian dari 12:33-14:02, sebuah kapal permukaan dengan panjang 42 m, lebar 6 m, dan kelajuan 8.4 kn melepasi berhampiran pelampung akustik bawah air pada arah 301°. Dalam tempoh tersebut, kapal permukaan dan akustik bawah air Jarak pelampung adalah kira-kira 2 km pada masa terpendek dan 13.8 km pada masa terjauh. Carta perbandingan hasil anggaran azimut sasaran yang dikira oleh algoritma histogram dan azimut sebenar kapal permukaan diberikan, dan dapat dilihat bahawa algoritma histogram berada dalam keseluruhan masa 12:33-14:02.

 

Rajah 13 dan Rajah 14 masing-masing menunjukkan algoritma histogram kepada ralat pencarian arah sasaran kapal permukaan dan keluk perubahan lebar spektrum azimut −3 dB dengan masa dalam tempoh masa 12:33-14:02. Ia boleh dilihat bahawa ralat mencari arah adalah yang terbaik Ia boleh mencapai dalam 5°, dan lebar spektrum azimut −3 dB boleh mencapai kira-kira 10° berhampiran titik lokasi rapat; di samping itu, disebabkan sisihan anggaran kedudukan bawah air pelampung akustik bawah air, jarak antara kapal permukaan dan pelantar pelampung adalah lebih dekat Ralat mencari arah pada masa meningkat. Rajah 15 ialah lengkung tanda penjejakan sasaran dari masa ke masa yang dikira oleh algoritma pengesanan dan pengesanan autonomi sasaran. Ia boleh dilihat bahawa algoritma boleh mencapai pengesanan sasaran autonomi di seluruh julat keseluruhan untuk kapal permukaan dengan kelajuan 8.4 kn dalam jarak 13.8 km.

 

3 Kesimpulan

Menyasarkan keperluan aplikasi kejuruteraan hidrofon vektor tunggal pada platform tanpa pemandu bawah air, kertas kerja ini mencadangkan pengesanan dan penjejakan autonomi sasaran dalam air. Kaedah pengesanan, dan gunakan pengiraan simulasi, ujian tangki anechoic dan analisis ujian laut untuk meringkaskan algoritma histogram berdasarkan hidrofon vektor tunggal. Prestasi pengesanan standard. Keputusan simulasi komputer dan data ujian tangki anechoic menunjukkan bahawa algoritma histogram mencapai nisbah isyarat-ke-bunyi yang diperlukan untuk penjejakan autonomi. Jika ia lebih besar daripada -7 dB, ralat mencari arah adalah kira-kira 8°, dan lebar spektrum azimut -3 dB ialah kira-kira 20°. Data ujian laut menunjukkan bahawa laut dalam adalah keadaan hidrologi yang baik, algoritma histogram boleh mencapai pengesanan sasaran penuh dan pengesanan untuk kapal permukaan dengan kelajuan 8.4 kn dalam jarak 13.8 km. Ralat mencari arah terbaik boleh mencapai 5◦, dan lebar spektrum azimut −3 dB boleh mencapai kedudukan dekat 10◦.