Analiza wydajności wykrywania celu dla algorytmu histogramu okienkowego z pojedynczym wektorem hydrofonu

Analiza skuteczności wykrywania celu dla algorytmu histogramu  hydrofonu jednowektorowego 

Algorytm histogramu hydrofonu jednowektorowego ma dobrą niezawodność i wydajność estymacji azymutu celu. W artykule przeanalizowano i podsumowano skuteczność wykrywania celu za pomocą algorytmu histogramu oraz autonomicznego algorytmu wykrywania i śledzenia Zaproponowano podwodny przetwornik akustyczny bazujący na oszacowanym azymucie celu. Wyniki symulacji komputerowych i testów zbiornika bezechowego pokazują, że stosunek sygnału do szumu wymagany przez algorytm histogramu okienkowego do autonomicznego śledzenia musi być większy niż 7 dB. W tych warunkach szacowany błąd azymutu i szerokość wiązki 3 dB wynoszą odpowiednio około 8 ◦ i 20 ◦ . Wyniki prób morskich pokazują, że w dobrych warunkach hydrologicznych na głębokim morzu algorytm histogramu okienkowego może wykryć i śledzić cel dla statku nawodnego z prędkością 8,4 węzła w zasięgu 13,8 km. Optymalny szacowany błąd azymutu może osiągnąć 5 ◦ , a szerokość wiązki 3 dB może osiągnąć około 10 ◦ w odległości 2 km.

 

Kanał wektorowy hydrofonu wektorowego ma niezależną od częstotliwości kierunkowość dipolową i jest odporny na zakłócenia izotropowe. Hydrofon wektorowy może osiągnąć orientację wolną od rozmycia w całej przestrzeni, co stanowi rozwiązanie do wykrywania celów na małej podwodnej platformie wyposażonej w czujniki akustyczne.

 

Zaleta przestrzeni. W ostatnich latach, wraz z ciągłym doskonaleniem technologia wektorowego czujnika hydrofonowego , technologia przetwarzania sygnału wektorowego jest również szeroko stosowana. Kierując się popytem, ​​szybko się rozwinęła. W porównaniu z konwencjonalnymi hydrofonami ciśnienia akustycznego, hydrofony wektorowe zapewniają bardziej wszechstronne informacje o polu akustycznym. Może nie tylko zmierzyć wielkość skalarną pola dźwiękowego, ale także uzyskać charakterystykę wektorową pola dźwiękowego, co znacznie rozszerza przestrzeń przetwarzania sygnału. Istnieje wiele algorytmów estymacji azymutu celu opartych na hydrofonach jednowektorowych, ale ogólnie można je podzielić na dwie kategorie zgodnie z zasadą wyznaczania kierunku: jedna to estymacja azymutu na podstawie przepływu energii dźwiękowej; drugim jest traktowanie każdego kanału hydrofonu wektorowego jako układu wieloelementowego, każdy element piezoelektryczny jest umieszczony w przybliżeniu w tym samym punkcie przestrzeni, a istniejąca metoda przetwarzania sygnału układu jest stosowana do hydrofonu jednowektorowego z wykorzystaniem charakterystyki wzorca przepływu układu samego hydrofonu jednowektorowego. Różne algorytmy wyszukiwania kierunku celu hydrofonów wektorowych mają swoje zalety i wady. Wśród nich algorytm histogramu ma lepszą niezawodność i wydajność szacowania azymutu celu niż inne algorytmy, a także ma zdolność tłumienia zakłóceń wąskopasmowego i silnego widma liniowego. Szczególnie nadaje się do zastosowań inżynieryjnych. W artykule dokonano analizy i podsumowania algorytmu ustalania kierunku histogramu w oparciu o hydrofon jednowektorowy oraz zaproponowano autonomiczny algorytm wykrywania i śledzenia celów podwodnych w oparciu o azymut celu 

Rys. 6 przedstawia krzywą flagi autonomicznego śledzenia celu ze stosunkiem sygnału do szumu zgodnie z algorytmem autonomicznego wykrywania i śledzenia celu zaproponowanym w rozdziale 1. Flaga śledzenia celu 1 oznacza, że ​​algorytm osiąga śledzenie celu, co oznacza, że ​​śledzenie celu nie zostało osiągnięte. Z rysunku 6 widać, że gdy stosunek sygnału do szumu jest większy niż 7 dB, algorytm histogramu może osiągnąć autonomiczne śledzenie celu.

2.2 Analiza testów zbiornika

Aby opanować skuteczność wykrywania celu za pomocą algorytmu histogramu hydrofonu jednowektorowego, skuteczność wykrywania celu przez hydrofon jednowektorowy przeprowadzono w puli bezechowej.

W teście weryfikacyjnym jako docelowe źródło dźwięku podczas testu wykorzystano UW350, a głębokość pod wodą wynosiła 3 m. Sygnałem używanym w teście jest szerokość wyjścia źródła sygnału. W przypadku białego szumu Gaussa wartość szczytowa sygnału wyjściowego jest ustawiana odpowiednio na 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V i 10 V.

 

Czas transmisji sygnału wynosi 60 s, a poziom źródła dźwięku emitującego mały sygnał oblicza się ze wzoru 20 lg (A1/A2), gdzie A1 i A2 są wartościami szczytowymi sygnału wyjściowego ustawienia źródła sygnału. Poziom źródła dźwięku emitującego sygnał można obliczyć na podstawie odległości między hydrofonem wektorowym a źródłem dźwięku w celu uzyskania stosunku sygnału do szumu każdego kanału hydrofonu wektorowego. Tabela 1 przedstawia wyniki szerokopasmowego średniego stosunku sygnału do szumu sygnału źródła dźwięku odbieranego przez każdy kanał hydrofonu wektorowego i podaje średnią wartość stosunku sygnału do szumu każdego kanału przy różnych intensywnościach emisji źródła dźwięku. Można zauważyć, że wartość szczytowa sygnału wyjściowego źródła sygnału wynosi. Przy 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V i 10 V, średni szerokopasmowy stosunek sygnału do szumu sygnału źródła dźwięku odbieranego przez hydrofon wektorowy wynosi odpowiednio 13 dB, 7 dB, 5 dB, 1 dB, 7 dB, 27 dB i 47 dB. Siedem sygnałów stosunku sygnału do szumu jest przetwarzanych oddzielnie przy użyciu algorytmu histogramu. Obliczone wyniki estymacji azymutu zmieniają się w czasie, jak pokazano na rysunku 7. Na rysunku zaznaczono także wartość międzyszczytową sygnału wyjściowego i hydrofonu wektorowego w każdym okresie czasu. Stosunek sygnału do szumu odbiornika. Z rysunku 7 wynika, że ​​szacowany azymut celu źródła dźwięku stopniowo stabilizuje się wraz ze wzrostem stosunku odbieranego sygnału do szumu i zasadniczo pokrywa się z azymutem rzeczywistym. Figury 8 i 9 pokazują odpowiednio błąd estymacji azymutu i szerokość widma azymutu 3 dB sygnałów stosunku sygnału do szumu emitowanych przez siedem źródeł dźwięku za pomocą algorytmu histogramu. Stosunek ten wzrasta i stopniowo maleje. Błąd wyszukiwania kierunku wzrasta, gdy źródło dźwięku emituje sygnał szumu międzyszczytowy o napięciu 10 V w porównaniu z sygnałem międzyszczytowym o napięciu 1 V. Dzieje się tak dlatego, że źródło dźwięku emituje sygnał o wysokim poziomie głośności.

 

 

Basen akustyczny jest niecałkowicie tłumiony w paśmie niskich częstotliwości i występuje silne odbicie na granicy faz; gdy stosunek sygnału do szumu wynosi 7 dB, błąd wyszukiwania kierunku wynosi około 8 ◦, 3 dB kwadrat

Szerokość widma bitowego wynosi około 23◦; gdy stosunek sygnału do szumu jest większy niż 1 dB, błąd wyszukiwania kierunku i szerokość widma azymutalnego 3 dB są mniejsze niż odpowiednio 4◦ i 19◦. Rysunek 10 przedstawia krzywą znacznika śledzenia celu obliczoną zgodnie z algorytmem autonomicznego wykrywania i śledzenia celu z intensywnością sygnału emisji źródła dźwięku, którą można zobaczyć. Gdy stosunek sygnału do szumu wynosi 7 dB, algorytm histogramu może realizować autonomiczne śledzenie celu źródła dźwięku.

 

2.3 Analiza testów morskich

Korzystając z danych z dane z testu weryfikacji skuteczności wykrywania celów podwodnego czujnika akustycznego boi przeprowadzonego na północnych wodach Morza Południowochińskiego w sierpniu 2019 r., do analizy skuteczności wykrywania celów morskich wykorzystano algorytm histogramu hydrofonu jednowektorowego. Głębokość testowego obszaru morskiego wynosi około 1500 m. Podczas testu warunki pogodowe są dobre, a prędkość wiatru oscyluje wokół poziomu 2. Wyniki pomiarów głębokościomierza termosolnego do opuszczenia statku pokazują, że profil prędkości dźwięku stanowi jednolitą warstwę na głębokości 40 m i 40 200 m. Wewnątrz znajduje się główna warstwa przejściowa prędkości dźwięku, a oś przewodu głosowego znajduje się na głębokości bliskiej 1000 m. W dniu testów w godzinach 12:33-14:02 statek nawodny o długości 42 m, szerokości 6 m i prędkości 8,4 węzła przepłynął w pobliżu podwodnej pławy akustycznej z kursem 301°. W tym okresie statek nawodny i akustyka podwodna. Odległość boi wynosi w najkrótszym czasie około 2 km, a w najdalszym 13,8 km. Diagram sytuacji pokazano na rysunku 11. Rysunek 12 przedstawia porównanie szacunkowych wyników azymutu celu statku nawodnego obliczonego za pomocą algorytmu histogramu i azymutu rzeczywistego. Można zauważyć, że algorytm histogramu może osiągnąć cel statku nawodnego w całym okresie czasu 12:33-14:02.

Figury 13 i 14 przedstawiają odpowiednio algorytm histogramu dla błędu znalezienia kierunku celu statku nawodnego oraz szerokość widma azymutu 3 dB w funkcji krzywej czasu w przedziale czasowym 12:33-14:02. Można zauważyć, że błąd wyszukiwania kierunku jest najlepszy. Może sięgać w granicach 5 ◦, a szerokość widma azymutalnego 3 dB może sięgać około 10 ◦ w pobliżu bliskiego punktu lokalizacji; dodatkowo, ze względu na odchylenie podwodnego położenia podwodnej boi akustycznej, odległość pomiędzy statkiem nawodnym a platformą boi jest stosunkowo mała. Zwiększa się błąd wyznaczania kierunku w czasie. Figura 15 przedstawia krzywą znacznika śledzenia celu w czasie obliczoną przez algorytm autonomicznego wykrywania i śledzenia celu. Można zauważyć, że algorytm może osiągnąć autonomiczne śledzenie celu w całym zakresie dla statku nawodnego z prędkością 8,4 węzła na dystansie 13,8 km.

 

3 Wniosek

Mając na celu spełnienie wymagań zastosowań inżynieryjnych hydrofonów jednowektorowych na podwodnych platformach bezzałogowych, w artykule zaproponowano metodę autonomicznego wykrywania i śledzenia podwodny czujnik ultradźwiękowy i wykorzystuje obliczenia symulacyjne, testy zbiorników bezechowych i analizę testów morskich w celu podsumowania w oparciu o wodę jednowektorową. Algorytm histogramu słuchacza miał standardową skuteczność wykrywania. Wyniki symulacji komputerowej i dane z testu puli bezechowej pokazują, że stosunek sygnału do szumu wymagany przez algorytm histogramu do osiągnięcia autonomicznego śledzenia musi być większy niż 7 dB, w tym momencie błąd wyszukiwania kierunku wynosi około 8◦, a szerokość widma azymutalnego 3 dB wynosi około 20◦. Dane z testów morskich pokazują, że w dobrych warunkach hydrologicznych na głębokim morzu algorytm histogramu może osiągnąć pełne wykrywanie i śledzenie celu w odległości 13,8 km dla statku nawodnego o prędkości 8,4 węzła, a najlepszy błąd wyznaczania kierunku może sięgać 5◦. Szerokość widma azymutalnego 3 dB może sięgać około 10◦ w pobliżu najbliższego punktu pozycji.