Analisis prestasi pengesanan sasaran untuk algoritma histogram bertingkap hidrofon vektor tunggal

Analisis Prestasi Pengesanan Sasaran untuk Algoritma Histogram  Hidrofon Vektor Tunggal 

Algoritma histogram hidrofon vektor tunggal mempunyai kekukuhan yang baik dan prestasi anggaran azimut sasaran. Kertas kerja ini menganalisis dan meringkaskan prestasi pengesanan sasaran algoritma histogram, dan algoritma pengesanan dan pengesanan autonomi untuk transduser akustik bawah air berdasarkan anggaran azimut sasaran telah dicadangkan. Simulasi komputer dan keputusan ujian tangki anechoic menunjukkan bahawa nisbah isyarat kepada hingar yang diperlukan oleh algoritma histogram bertingkap untuk pengesanan autonomi perlu lebih besar daripada 7 dB. Di bawah keadaan ini, anggaran ralat azimut dan lebar rasuk 3 dB adalah kira-kira 8 ◦ dan 20 ◦ , masing-masing. Keputusan percubaan laut menunjukkan bahawa di bawah keadaan hidrologi yang baik di laut dalam, algoritma histogram bertingkap boleh mencapai pengesanan dan pengesanan sasaran untuk kapal permukaan dengan kelajuan 8.4 kn dalam julat 13.8 km. Anggaran ralat azimut optimum boleh mencapai 5 ◦ , dan lebar rasuk 3 dB boleh mencapai kira-kira 10 ◦ pada jarak 2 km.

 

Saluran vektor 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.

 

Kelebihan ruang. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan peningkatan berterusan teknologi penderia hidrofon vektor , teknologi pemprosesan isyarat vektor juga digunakan dengan kuat. Memandu mengikut permintaan, ia telah berkembang pesat. Berbanding dengan hidrofon tekanan bunyi konvensional, hidrofon vektor memberikan maklumat medan bunyi yang lebih komprehensif. Ia bukan sahaja boleh mengukur kuantiti skalar medan bunyi, tetapi juga memperoleh ciri-ciri vektor medan bunyi, yang sangat meluaskan ruang pemprosesan isyarat. Terdapat banyak algoritma anggaran azimut sasaran berdasarkan hidrofon vektor tunggal, tetapi secara amnya, ia boleh dibahagikan kepada dua kategori mengikut prinsip mencari arah: satu ialah anggaran azimut berdasarkan aliran tenaga bunyi; yang lain ialah menganggap setiap saluran hidrofon vektor sebagai Ia adalah tatasusunan berbilang unsur, setiap elemen piezo terletak kira-kira pada titik yang sama dalam ruang, dan kaedah pemprosesan isyarat tatasusunan sedia ada digunakan pada hidrofon vektor tunggal dengan menggunakan ciri corak aliran tatasusunan hidrofon vektor tunggal itu sendiri. Pelbagai algoritma pencarian arah sasaran hidrofon vektor mempunyai kelebihan dan kekurangannya sendiri. Antaranya, algoritma histogram mempunyai keteguhan yang lebih baik dan menyasarkan prestasi anggaran azimut berbanding algoritma lain, dan mempunyai keupayaan untuk menyekat gangguan spektrum jalur sempit dan garis yang kuat. Ia amat sesuai untuk aplikasi kejuruteraan. Makalah ini menganalisis dan meringkaskan algoritma pencarian arah histogram berdasarkan hidrofon vektor tunggal, dan mencadangkan algoritma pengesanan dan pengesanan autonomi untuk sasaran bawah air berdasarkan azimut sasaran 

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 ini bermakna penjejakan sasaran tidak tercapai. Ia boleh dilihat daripada Rajah 6 bahawa apabila nisbah isyarat kepada hingar lebih besar daripada 7 dB, algoritma histogram boleh mencapai pengesanan sasaran autonomi.

2.2 Analisis ujian tangki

Untuk menguasai prestasi pengesanan sasaran algoritma histogram hidrofon vektor tunggal, prestasi pengesanan sasaran hidrofon vektor tunggal telah dijalankan dalam kolam anechoic.

Dalam ujian pengesahan, UW350 digunakan sebagai sasaran sumber bunyi semasa ujian, dan kedalaman adalah 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 isyarat ialah 60 saat, dan tahap sumber bunyi pelepasan isyarat kecil dikira dengan formula 20 lg (A1/A2), di mana A1 dan A2 ialah nilai puncak ke puncak output tetapan sumber isyarat. Aras sumber bunyi pemancar isyarat boleh dikira mengikut jarak antara hidrofon vektor dan sumber bunyi untuk mendapatkan nisbah isyarat kepada hingar bagi setiap saluran hidrofon vektor. 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. Dapat dilihat bahawa nilai puncak-ke-puncak output sumber isyarat ialah Pada 10 mV, 20mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V dan 10 V, nisbah isyarat-ke-bunyi purata jalur lebar isyarat sumber bunyi yang diterima oleh hidrofon vektor masing-masing ialah 13 dB, dB, dB, 2, 7 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 lebar spektrum azimut 3 dB bagi 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 1 V puncak ke puncak. Ini disebabkan oleh sumber bunyi yang mengeluarkan isyarat tahap sumber bunyi yang tinggi.

 

 

Kolam akustik tidak dilemahkan sepenuhnya dalam jalur frekuensi rendah dan terdapat pantulan antara muka yang kuat; apabila nisbah isyarat kepada hingar ialah 7 dB, ralat mencari arah adalah kira-kira 8 ◦, 3 dB persegi

Lebar spektrum bit adalah kira-kira 23◦; apabila nisbah isyarat-ke-bunyi adalah lebih besar daripada 1 dB, ralat mencari arah dan lebar spektrum azimut 3 dB masing-masing kurang daripada 4◦ dan 19◦. Rajah 10 ialah lengkung tanda penjejakan sasaran yang dikira mengikut algoritma pengesanan dan pengesanan autonomi sasaran dengan keamatan nisbah isyarat bunyi yang boleh dilihat sebagai isyarat pelepasan-7. dB, algoritma histogram boleh merealisasikan pengesanan autonomi sasaran sumber bunyi.

 

2.3 Analisis ujian marin

Menggunakan data daripada data ujian pengesahan prestasi pengesanan sasaran pengesanan akustik bawah air yang dijalankan di perairan utara Laut China Selatan pada Ogos 2019, algoritma histogramv hidrofon vektor tunggal digunakan untuk menganalisis prestasi pengesanan sasaran maritim. Kedalaman kawasan laut ujian adalah kira-kira 1500 m. Semasa ujian, keadaan cuaca adalah baik dan kelajuan angin adalah kira-kira tahap 2. Hasil pengukuran meter kedalaman termo-garam terbengkalai bawaan kapal menunjukkan bahawa profil halaju bunyi adalah lapisan seragam dalam kedalaman 40 m dan kedalaman 40 200 m. Di dalamnya terdapat lapisan peralihan utama halaju bunyi, dan paksi saluran vokal berada pada kedalaman hampir 1000 m. 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. Rajah situasi ditunjukkan dalam Rajah 11. Rajah 12 menunjukkan perbandingan antara anggaran keputusan azimut azimut sasaran kapal permukaan yang dikira oleh algoritma histogram dan azimut sebenar. Ia boleh dilihat bahawa algoritma histogram boleh mencapai matlamat kapal permukaan sepanjang tempoh masa 12:33-14:02.

Rajah 13 dan Rajah 14 masing-masing menunjukkan algoritma histogram untuk ralat mencari arah sasaran kapal permukaan dan lebar spektrum azimut 3 dB berbanding keluk 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 oleh sisihan kedudukan bawah air pelampung akustik bawah air, jarak antara kapal permukaan dan pelantar pelampung adalah agak 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 kaedah untuk pengesanan dan pengesanan autonomi sensor ultrasonik bawah air , dan menggunakan pengiraan simulasi, ujian tangki anechoic dan analisis ujian marin untuk meringkaskan berdasarkan air vektor tunggal .Algoritma histogram pendengar mempunyai prestasi pengesanan standard. Keputusan simulasi komputer dan data ujian kolam anechoic menunjukkan bahawa nisbah isyarat-ke-bunyi yang diperlukan oleh algoritma histogram untuk mencapai pengesanan 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◦. Data ujian marin menunjukkan bahawa di bawah keadaan hidrologi yang baik di laut dalam, algoritma histogram boleh mencapai pengesanan dan pengesanan sasaran penuh dalam jarak 13.8 km untuk kapal permukaan dengan kelajuan 8.4 kn, dan ralat mencari arah terbaik boleh mencapai 5◦. Lebar spektrum azimut 3 dB boleh mencapai kira-kira 10◦ berhampiran titik kedudukan berhampiran.