Analyse av måldeteksjonsytelse for en enkel vektorhydrofonvindusbasert histogramalgoritme

Analyse av måldeteksjonsytelse for en histogramalgoritme for  enkelvektorhydrofon 

Histogramalgoritmen til enkelvektorhydrofon har god robusthet og målasimut-estimeringsytelse. Denne artikkelen analyserer og oppsummerer måldeteksjonsytelsen til histogramalgoritmen, og en autonom deteksjons- og sporingsalgoritme for akustisk undervannstransduser basert på estimert asimut til målet ble foreslått. Datasimulering og ekkofri tanktestresultater viser at signal-til-støy-forholdet som kreves av vindushistogramalgoritmen for autonom sporing, må være større enn 7 dB. Under denne tilstanden er den estimerte asimutfeilen og 3 dB strålebredde henholdsvis ca. 8 ◦ og 20 ◦ . Sjøforsøksresultatene viser at under gode hydrologiske forhold i dyphavet kan vindushistogramalgoritmen oppnå måldeteksjon og sporing for et overflateskip med en hastighet på 8,4 kn innenfor en rekkevidde på 13,8 km. Den optimale estimerte asimutfeilen kan nå 5 ◦ , og strålebredden på 3 dB kan nå omtrent 10 ◦ i en avstand på 2 km.

 

Vektorkanalen til vektorhydrofonen har frekvensuavhengig dipoldirektivitet, og har evnen til å motstå isotropisk støyinterferens. En vektorhydrofon kan oppnå uskarphet uten full plass, noe som gir en løsning for måldeteksjon på en liten undervannsplattform utstyrt med akustiske sensorer.

 

Fordelen med plass. I de siste årene, med kontinuerlig forbedring av vektorhydrofonsensorteknologi , vektorsignalbehandlingsteknologi brukes også kraftig. Den har utviklet seg raskt etter behov. Sammenlignet med konvensjonelle lydtrykkhydrofoner gir vektorhydrofoner mer omfattende lydfeltinformasjon. Den kan ikke bare måle den skalære mengden av lydfeltet, men også oppnå vektorkarakteristikkene til lydfeltet, noe som i stor grad utvider signalbehandlingsrommet. Det er mange målasimut-estimeringsalgoritmer basert på enkeltvektorhydrofoner, men generelt kan de deles inn i to kategorier i henhold til prinsippet for retningsfinning: den ene er asimut-estimering basert på lydenergiflyt; den andre er å betrakte hver kanal av vektorhydrofonen som det er en multi-element array, hvert piezo element er plassert omtrent på samme punkt i rommet, og den eksisterende array signalbehandlingsmetoden brukes på enkelt vektor hydrofonen ved å bruke egenskapene til array flow mønsteret til selve enkelt vektor hydrofonen. Ulike målretningsfinnende algoritmer for vektorhydrofoner har sine egne fordeler og ulemper. Blant dem har histogramalgoritmen bedre robusthet og målasimut-estimeringsytelse enn andre algoritmer, og har evnen til å undertrykke smalbånds- og sterk linjespektruminterferens. Den er spesielt egnet for ingeniørapplikasjoner. Denne artikkelen analyserer og oppsummerer algoritmen for å finne histogramretning basert på en enkelt vektorhydrofon, og foreslår en autonom deteksjons- og sporingsalgoritme for undervannsmål basert på målasimut 

Fig. 6 er kurven for det autonome målsporingsflagget med signal-til-støyforhold i henhold til den autonome måldeteksjons- og sporingsalgoritmen foreslått i seksjon 1. Målsporingsflagg 1 representerer at algoritmen oppnår målsporing, og det betyr at målsporing ikke oppnås. Det kan sees fra figur 6 at når signal-til-støy-forholdet er større enn 7 dB, kan histogramalgoritmen oppnå autonom målsporing.

2.2 Tanktestanalyse

For å mestre måldeteksjonsytelsen til enkeltvektorhydrofonhistogramalgoritmen, ble måldeteksjonsytelsen til enkeltvektorhydrofonen utført i det ekkofrie bassenget.

I verifikasjonstesten ble UW350 brukt som lydkildemål under testen, og dybden var 3 m under vann. Signalet som brukes i testen er bredden på signalkildens utgang. Med Gaussisk hvit støy settes utgangstopp-til-topp-verdien til henholdsvis 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V og 10 V.

 

Signaloverføringstiden er 60 s, og lydkildenivået for liten signalemisjon beregnes ved hjelp av formelen 20 lg (A1/A2), hvor A1 og A2 er topp-til-topp-verdien til signalkildeinnstillingsutgangen. Det signalavgivende lydkildenivået kan beregnes i henhold til avstanden mellom vektorhydrofonen og lydkilden for å oppnå signal-til-støyforholdet til hver kanal i vektorhydrofonen. Tabell 1 viser resultatene av det gjennomsnittlige bredbåndssignal-til-støy-forholdet til lydkildesignalet mottatt av hver kanal i vektorhydrofonen, og gir gjennomsnittsverdien av signal-til-støy-forholdet til hver kanal under forskjellige lydkildeemisjonsintensiteter. Det kan sees at topp-til-topp-verdien til signalkildens utgang er Ved 10 mV, 20mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V og 10 V, er det gjennomsnittlige bredbåndssignal-til-støy-forholdet til lydkildesignalet mottatt av vektorhydrofonen henholdsvis 13 dB, 5 dB, 7 dB, 7 dB, 7 dB, 27 dB og 47 dB. De syv signal-til-støy-forholdssignalene behandles separat ved hjelp av histogramalgoritmen. De beregnede asimut-estimeringsresultatene endres med tiden som vist i figur 7. Figuren markerer også topp-til-topp-verdien til signalutgangen og vektorhydrofonen i hver tidsperiode. Mottaker signal-til-støy-forhold. Det kan sees fra figur 7 at den estimerte asimuten til lydkildemålet gradvis stabiliserer seg etter hvert som det mottatte signal-til-støyforholdet øker og i utgangspunktet faller sammen med den sanne asimut. Figur 8 og figur 9 viser henholdsvis asimut-estimeringsfeilen og 3 dB asimutspektrumbredde til signal-til-støy-forholdssignalene som sendes ut av de syv lydkildene av histogramalgoritmen. Forholdet øker og avtar gradvis. Retningsfinningsfeilen øker når lydkilden sender ut et topp-til-topp støysignal på 10 V sammenlignet med 1 V topp-til-topp. Dette skyldes at lydkilden sender ut et høyt lydkildenivåsignal.

 

 

Det akustiske bassenget er ufullstendig dempet i lavfrekvensbåndet og det er sterk grensesnittrefleksjon; når signal-til-støy-forholdet er 7 dB, er retningsfinningsfeilen omtrent 8 ◦, 3 dB kvadrat

Bitspektrumsbredden er omtrent 23◦; når signal-til-støy-forholdet er større enn 1 dB, er retningsfinningsfeilen og 3 dB asimutspekterbredden mindre enn henholdsvis 4◦ og 19◦. Figur 10 er kurven til målsporingsmerket beregnet i henhold til den autonome måldeteksjons- og sporingsalgoritmen med signalintensiteten, hvilken lydkilde kan være intensiteten til signalet. signal-til-støy-forholdet er 7 dB, histogramalgoritmen kan realisere autonom sporing av lydkildemålet.

 

2.3 Marin testanalyse

Ved å bruke data fra undervanns akustisk sensor bøye måldeteksjon ytelse verifikasjon testdata utført i det nordlige farvannet i Sør-Kinahavet i august 2019, histogramalgoritmen til enkeltvektor hydrofon ble brukt til å analysere deteksjonsytelsen til maritime mål. Dybden av testhavområdet er ca. 1500 m. Under testen er værforholdene gode og vindstyrken er ca nivå 2. Måleresultatene av den skipsbårne abandonment thermo-salt dybdemåleren viser at lydhastighetsprofilen er et jevnt lag innenfor en dybde på 40 m og en dybde på 40 200 m. På innsiden er det viktigste overgangslaget for lydhastighet, og stemmekanalens akse er på en dybde på nær 1000 m. I løpet av testdagen fra 12:33-14:02 passerte et overflateskip med en lengde på 42 m, en bredde på 6 m og en hastighet på 8,4 kn nær den undervanns akustiske bøyen med en kurs på 301°. I løpet av perioden, overflateskipet og undervannsakustikk. Avstanden til bøyen er ca 2 km på korteste tid og 13,8 km på lengste tid. Situasjonsdiagrammet er vist i figur 11. Figur 12 viser sammenligningen mellom de estimerte asimutresultatene av overflateskipets målasimut beregnet av histogramalgoritmen og den virkelige asimut. Det kan sees at histogramalgoritmen kan oppnå målet for overflateskipet i løpet av hele tidsperioden 12:33-14:02.

Figur 13 og figur 14 viser henholdsvis histogramalgoritmen for målretningsfeil for overflateskip og 3 dB asimutspektrumbredde versus tidkurven i tidsperioden 12:33-14:02. Det kan sees at retningsfinningsfeilen er den beste. Den kan nå innen 5 ◦, og 3 dB asimutspektrumbredden kan nå omtrent 10 ◦ nær det nærliggende punktet; i tillegg, på grunn av avviket i undervannsposisjonen til den akustiske undervannsbøyen, er avstanden mellom overflateskipet og bøyeplattformen relativt nær. Feilen ved retningsfinning til tider øker. Figur 15 er kurven for målsporingsmerket over tid beregnet av den autonome måldeteksjons- og sporingsalgoritmen. Det kan ses at algoritmen kan oppnå autonom målsporing gjennom hele rekkevidden for et overflatefartøy med en hastighet på 8,4 kn innenfor en avstand på 13,8 km.

 

3 Konklusjon

Med sikte på ingeniørapplikasjonskravene til enkeltvektorhydrofoner på ubemannede undervannsplattformer, foreslår denne artikkelen en metode for autonom deteksjon og sporing av undervanns ultralydsensor , og bruker simuleringsberegninger, ekkofri tanktester og marin testanalyse for å oppsummere basert på enkeltvektorvann. Histogramalgoritmen til lytteren hadde standard deteksjonsytelse. Resultatene av datasimulering og ekkofri bassengtestdata viser at signal-til-støy-forholdet som kreves av histogramalgoritmen for å oppnå autonom sporing, må være større enn 7 dB, på dette tidspunktet er retningsfinningsfeilen omtrent 8◦, og 3 dB asimutspektrumbredden er omtrent 20◦. De marine testdataene viser at under gode hydrologiske forhold i dyphavet kan histogramalgoritmen oppnå full måldeteksjon og sporing innenfor en avstand på 13,8 km for et overflatefartøy med en hastighet på 8,4 kn, og den beste retningsfinningsfeilen kan nå 5◦. 3 dB asimutspekterbredden kan nå omtrent 10◦ nær posisjonspunktet.