Analyse van doeldetectieprestaties voor een histogramalgoritme met een enkel vectorhydrofoonvenster

Analyse van doeldetectieprestaties voor een histogramalgoritme van  een enkele vectorhydrofoon 

Het histogramalgoritme van een enkele vectorhydrofoon heeft een goede robuustheid en goede azimutschattingsprestaties. Dit artikel analyseert en vat de doeldetectieprestaties van het histogramalgoritme samen, en een autonoom detectie- en volgalgoritme voor Er werd een akoestische onderwatertransducer voorgesteld op basis van de geschatte azimut van het doel. Uit computersimulaties en echovrije tanktestresultaten blijkt dat de signaal-ruisverhouding die vereist is door het vensterhistogramalgoritme voor autonome tracking groter moet zijn dan 7 dB. Onder deze omstandigheden zijn de geschatte azimutfout en de straalbreedte van 3 dB respectievelijk ongeveer 8 ◦ en 20 ◦ . De resultaten van de proefvaart laten zien dat onder goede hydrologische omstandigheden in de diepzee het vensterhistogramalgoritme doeldetectie en -tracking kan bereiken voor een oppervlakteschip met een snelheid van 8,4 kn binnen een bereik van 13,8 km. De optimale geschatte azimutfout kan 5 ◦ bereiken , en de straalbreedte van 3 dB kan ongeveer 10 ◦ bereiken op een afstand van 2 km.

 

Het vectorkanaal van de vectorhydrofoon heeft een frequentie-onafhankelijke dipooldirectiviteit en is bestand tegen isotrope ruisinterferentie. Een vectorhydrofoon kan een onscherpe oriëntatie over de volledige ruimte bereiken, wat een oplossing biedt voor doeldetectie op een klein onderwaterplatform uitgerust met akoestische sensoren.

 

Het voordeel van ruimte. In de afgelopen jaren, met de voortdurende verbetering van vectorhydrofoonsensortechnologie en vectorsignaalverwerkingstechnologie worden ook krachtig toegepast. Gedreven door de vraag heeft deze zich snel ontwikkeld. Vergeleken met conventionele geluidsdrukhydrofoons bieden vectorhydrofoons uitgebreidere geluidsveldinformatie. Het kan niet alleen de scalaire hoeveelheid van het geluidsveld meten, maar ook de vectorkarakteristieken van het geluidsveld verkrijgen, waardoor de signaalverwerkingsruimte aanzienlijk wordt vergroot. Er zijn veel doel-azimutschattingsalgoritmen gebaseerd op enkele vectorhydrofoons, maar over het algemeen kunnen ze in twee categorieën worden verdeeld volgens het principe van richtingbepaling: de ene is azimutschatting gebaseerd op de geluidsenergiestroom; de andere is om elk kanaal van de vectorhydrofoon te beschouwen als een array met meerdere elementen, elk piëzo-element bevindt zich ongeveer op hetzelfde punt in de ruimte, en de bestaande array-signaalverwerkingsmethode wordt toegepast op de enkele vectorhydrofoon door gebruik te maken van de kenmerken van het array-stroompatroon van de enkele vectorhydrofoon zelf. Verschillende algoritmen voor het vinden van doelrichtingen van vectorhydrofoons hebben hun eigen voor- en nadelen. Onder hen heeft het histogramalgoritme een betere robuustheid en betere doelazimutschattingsprestaties dan andere algoritmen, en heeft het de mogelijkheid om smalbandige en sterke lijnspectruminterferentie te onderdrukken. Het is vooral geschikt voor technische toepassingen. Dit artikel analyseert en vat het richtingzoekalgoritme van het histogram samen op basis van een enkele vectorhydrofoon, en stelt een autonoom detectie- en volgalgoritme voor onderwaterdoelen voor op basis van doelazimut 

Figuur 6 is de curve van de autonome doelvolgvlag met signaal-ruisverhouding volgens het autonome doeldetectie- en volgalgoritme voorgesteld in Sectie 1. Doelvolgvlag 1 geeft aan dat het algoritme doeltracering bereikt, en dit betekent dat doeltracering niet wordt bereikt. Uit figuur 6 blijkt dat wanneer de signaal-ruisverhouding groter is dan 7 dB, het histogramalgoritme autonome doeltracking kan bereiken.

2.2 Tanktestanalyse

Om de doeldetectieprestaties van het histogramalgoritme met enkele vectorhydrofoon onder de knie te krijgen, werden de doeldetectieprestaties van de enkele vectorhydrofoon uitgevoerd in de echovrije pool.

Bij de verificatietest werd de UW350 gebruikt als geluidsbron tijdens de test, en de diepte was 3 meter onder water. Het signaal dat in de test wordt gebruikt, is de breedte van de uitvoer van de signaalbron. Bij Gaussische witte ruis wordt de piek-tot-piekwaarde van de uitvoer ingesteld op respectievelijk 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V en 10 V.

 

De signaaloverdrachtstijd bedraagt ​​60 s en het niveau van de geluidsbron voor kleine signaalemissie wordt berekend met de formule 20 lg (A1/A2), waarbij A1 en A2 de piek-tot-piekwaarde zijn van de uitvoer van de signaalbroninstelling. Het signaaluitzendende geluidsbronniveau kan worden berekend in overeenstemming met de afstand tussen de vectorhydrofoon en de geluidsbron om de signaal-ruisverhouding van elk kanaal van de vectorhydrofoon te verkrijgen. Tabel 1 toont de resultaten van de breedbandgemiddelde signaal-ruisverhouding van het geluidsbronsignaal ontvangen door elk kanaal van de vectorhydrofoon, en geeft de gemiddelde waarde van de signaal-ruisverhouding van elk kanaal onder verschillende geluidsbronemissie-intensiteiten. Het is te zien dat de piek-tot-piekwaarde van de signaalbronuitvoer bedraagt. Bij 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V en 10 V is de breedbandgemiddelde signaal-ruisverhouding van het door de vectorhydrofoon ontvangen geluidsbronsignaal respectievelijk 13 dB, 7 dB, 5 dB, 1 dB, 7 dB, 27 dB en 47 dB. De zeven signaal-ruisverhoudingssignalen worden afzonderlijk verwerkt met behulp van het histogramalgoritme. De berekende azimutschattingsresultaten veranderen met de tijd, zoals weergegeven in figuur 7. De figuur markeert ook de piek-tot-piekwaarde van de signaaluitvoer en de vectorhydrofoon in elke tijdsperiode. Ontvanger signaal-ruisverhouding. Uit figuur 7 blijkt dat de geschatte azimut van het geluidsbrondoel geleidelijk stabiliseert naarmate de ontvangen signaal-ruisverhouding toeneemt en feitelijk samenvalt met de werkelijke azimut. Figuur 8 en Figuur 9 tonen respectievelijk de azimutschattingsfout en de azimutspectrumbreedte van 3 dB van de signaal-ruisverhoudingssignalen die door de zeven geluidsbronnen worden uitgezonden door het histogramalgoritme. De verhouding neemt toe en neemt geleidelijk af. De richtingzoekfout neemt toe wanneer de geluidsbron een piek-tot-piekruissignaal van 10 V uitzendt vergeleken met 1 V piek-tot-piek. Dit komt doordat de geluidsbron een signaal met een hoog geluidsbronniveau uitzendt.

 

 

Het akoestische zwembad wordt in de lage frequentieband onvolledig gedempt en er is sprake van sterke grensvlakreflectie; wanneer de signaal-ruisverhouding 7 dB is, is de richtingzoekfout ongeveer 8 ◦, 3 dB kwadraat

De bitspectrumbreedte is ongeveer 23◦; wanneer de signaal-ruisverhouding groter is dan 1 dB, zijn de richtingsbepalingsfout en de azimutspectrumbreedte van 3 dB respectievelijk minder dan 4◦ en 19◦. Figuur 10 is de curve van het doelvolgteken berekend volgens het autonome doeldetectie- en volgalgoritme met de intensiteit van het emissiesignaal van de geluidsbron, dat zichtbaar is. Wanneer de signaal-ruisverhouding 7 dB is, kan het histogramalgoritme autonome tracking van het geluidsbrondoel realiseren.

 

2.3 Maritieme testanalyse

Met behulp van gegevens uit de Onderwater akoestische sensor boei doeldetectie prestatieverificatie testgegevens uitgevoerd in de noordelijke wateren van de Zuid-Chinese Zee in augustus 2019, het histogramalgoritme van een single-vector hydrofoon werd gebruikt om de detectieprestaties van maritieme doelen te analyseren. De diepte van het testzeegebied bedraagt ​​ongeveer 1500 meter. Tijdens de test zijn de weersomstandigheden goed en ligt de windsnelheid rond niveau 2. Uit de meetresultaten van de verlaten thermo-zout dieptemeter op schepen blijkt dat het geluidssnelheidsprofiel een uniforme laag is binnen een diepte van 40 m en een diepte van 40.200 m. Binnenin bevindt zich de belangrijkste overgangslaag van de geluidssnelheid, en de as van het stemkanaal bevindt zich op een diepte van bijna 1000 meter. Tijdens de testdag van 12.33-14.02 uur passeerde een oppervlakteschip met een lengte van 42 m, een breedte van 6 m en een snelheid van 8,4 kn nabij de akoestische onderwaterboei met een koers van 301°. Gedurende de periode, het oppervlakteschip en de onderwaterakoestiek. De afstand van de boei bedraagt ​​op het kortste tijdstip ongeveer 2 km en op het verste tijdstip 13,8 km. Het situatiediagram wordt weergegeven in figuur 11. Figuur 12 toont de vergelijking tussen de geschatte azimutresultaten van de doelazimut van het oppervlakteschip, berekend door het histogramalgoritme, en de werkelijke azimut. Het is duidelijk dat het histogramalgoritme het doel van het oppervlakteschip gedurende de gehele tijdsperiode van 12:33-14:02 kan bereiken.

Figuur 13 en Figuur 14 tonen respectievelijk het histogramalgoritme voor de fout in de richting van het doel van een oppervlakteschip en de 3 dB azimutspectrumbreedte versus tijdcurve in de tijdsperiode van 12:33-14:02. Het is duidelijk dat de richtingzoekfout het grootst is. Deze kan binnen 5 ◦ reiken, en de azimutspectrumbreedte van 3 dB kan ongeveer 10 ◦ bereiken nabij het dichtstbijzijnde locatiepunt; bovendien is, als gevolg van de afwijking van de onderwaterpositie van de akoestische onderwaterboei, de afstand tussen het oppervlakteschip en het boeiplatform relatief klein. De fout bij het bepalen van de richting op tijd neemt toe. Figuur 15 is de curve van de doelvolgmarkering in de loop van de tijd, berekend door het autonome doeldetectie- en volgalgoritme. Het is duidelijk dat het algoritme autonoom het volgen van doelen over het gehele bereik kan bereiken voor een oppervlakteschip met een snelheid van 8,4 kn binnen een afstand van 13,8 km.

 

3 Conclusie

Dit artikel richt zich op de technische toepassingsvereisten van single-vector hydrofoons op onbemande onderwaterplatforms en stelt een methode voor voor autonome detectie en tracking van onderwater ultrasone sensor , en maakt gebruik van simulatieberekeningen, echovrije tanktests en maritieme testanalyse om samen te vatten op basis van single-vector water. Het histogramalgoritme van de luisteraar had standaard detectieprestaties. De resultaten van computersimulatie en echovrije pooltestgegevens laten zien dat de signaal-ruisverhouding die het histogramalgoritme nodig heeft om autonome tracking te bereiken groter moet zijn dan 7 dB. Op dit moment is de richtingsfout ongeveer 8◦ en de azimutspectrumbreedte van 3 dB ongeveer 20◦. Uit de mariene testgegevens blijkt dat onder goede hydrologische omstandigheden in de diepzee het histogramalgoritme volledige doeldetectie en -tracking kan bereiken binnen een afstand van 13,8 km voor een oppervlakteschip met een snelheid van 8,4 kn, en dat de beste richtingsbepalingsfout 5◦ kan bereiken. De azimutspectrumbreedte van 3 dB kan ongeveer 10◦ bereiken nabij het dichtstbijzijnde positiepunt.