Analiza performanței de detecție a algoritmului de găsire a direcției histogramei hidrofonului cu un singur vector

Algoritmul histogramei a hidrofonul cu un singur vector are robustețe bună și performanță de estimare a azimutului țintă. Acest articol analizează și rezumă performanța de detectare a țintei a algoritmului de histogramă și propune o detectare autonomă a țintelor subacvatice pe baza estimării azimutului țintei. Algoritm de urmărire, acest algoritm poate realiza detectarea autonomă a prezenței sau absenței țintelor în apă. Rezultatele testelor de simulare și de bazin anechoic arată că raportul semnal-zgomot necesar algoritmului de histogramă pentru a realiza urmărirea țintă autonomă trebuie să fie mai mare de -7 dB. În acest moment, eroarea de găsire a direcției este de aproximativ 8◦, iar lățimea spectrului azimut de -3 dB este de aproximativ 20◦. Analiza datelor testelor marine arată că algoritmul histogramei poate realiza detectarea și urmărirea completă a țintei pe o distanță de 13,8 km pentru o navă de suprafață cu o viteză de 8,4 kn, cu o eroare optimă de găsire a direcției de 5◦ și o direcție de -3 dB la o distanță de 2 km. Lățimea spectrală poate ajunge la 10◦

 

 

Canalul vectorial al Senzorul hidrofon vectorial are directivitate dipol independentă de frecvență și are capacitatea de a rezista interferențelor de zgomot izotrop. Un hidrofon vectorial poate obține o orientare fără neclarități în spațiu complet, ceea ce oferă o soluție pentru detectarea țintei pe platforme subacvatice mici echipate cu senzori acustici subacvatici.

avantajul său de spațiu. În ultimii ani, odată cu îmbunătățirea continuă a tehnologiei hidrofonelor vectoriale, tehnologia de procesare a semnalelor vectoriale este, de asemenea, aplicată cu putere. În funcție de cerere, s-a dezvoltat rapid. În comparație cu hidrofoanele convenționale cu presiune sonoră, hidrofoanele vectoriale oferă informații mai cuprinzătoare despre câmpul sonor. Se poate măsura doar scalarul câmpului sonor și pot fi obținute și caracteristicile vectoriale ale câmpului sonor, ceea ce lărgește mult spațiul de procesare a semnalului. Există mulți algoritmi de estimare a azimutului țintă bazați pe hidrofoane cu un singur vector, în general, aceștia pot fi împărțiți în două categorii în funcție de principiul găsirii direcției: una este estimarea azimutului bazată pe fluxul de energie sonoră; celălalt este de a privi fiecare canal al hidrofonului vectorial. Este o matrice cu mai multe elemente, fiecare element se află aproximativ în aceeași poziție în spațiu, iar metoda existentă de procesare a semnalului matricei este aplicată hidrofonului cu un singur vector utilizând caracteristicile modelului de flux de matrice al hidrofonului cu un singur vector. Diferiți algoritmi de găsire a direcției țintei ai hidrofonului vectorial au propriile avantaje și dezavantaje. În comparație cu alți algoritmi, algoritmul histogramei medii are o robustețe mai bună și o performanță mai bună de estimare a orientării țintei și are capacitatea de a suprima interferența în bandă îngustă și a spectrului de linii puternice, ceea ce este potrivit în special pentru aplicațiile de inginerie. Această lucrare analizează și rezumă algoritmul de găsire a direcției histogramei bazat pe un singur hidrofon vectorial și propune un algoritm autonom de detectare și urmărire pentru ținte subacvatice bazat pe estimarea orientării țintei, folosind simulare computerizată, date de măsurare a bazinului anechoic și date de experimente marine analizate histogramei și performanța de detectare a țintei algoritmului grafic.

 

 

1 Algoritm teoretic

1.1 Algoritm de găsire a direcției histogramei

 

Algoritmul histogramei trebuie să calculeze mai întâi estimările azimutului țintă la diferite puncte de frecvență, iar expresia de calcul este

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

⟨Ix(i, f)⟩, (1) În formula (1), θ(f) reprezintă azimutul țintă calculat la diferite frecvențe f, iar Pw, Vxw și Vyw reprezintă presiunea sonoră a vectorului hidrofon în P și, respectiv, vibrația în direcția x. Canalul de viteză și canalul de viteză de vibrație în direcția y colectează valorile spectrului de semnal, iar Ix și Iy reprezintă fluxul de energie acustică în direcția x și, respectiv, în direcția y. Din ecuația (1) se poate observa că azimutul țintă calculat prin ecuația (1) este legat de frecvența f, iar estimările azimutului țintă la diferite puncte de frecvență sunt diferite. Metoda de estimare a azimutului țintă prin histogramă poate fi utilizată pentru a calcula azimutul țintă în mediu. Interferență în bandă îngustă și suprimare puternică a interferenței spectrului de linii, dar atunci când există mai multe ținte în mediu. Când frecvențele de zgomot radiat se suprapun, metoda histogramei nu poate obține azimutul real al fiecărei ținte, ci doar fluxul de energie sonoră al fiecărei ținte.

 

Orientarea combinată va fi orientată către orientarea țintă mai intensă. Statistica azimutului histogramei este de a număra azimutul estimat țintă θ(f) în intervalul de azimut corespunzător în funcție de numărul de puncte de frecvență. Dacă intervalul azimut este împărțit la 1◦, atunci k = [θ(f) × 180/π], φ (k) = φ(k) + 1, (2) În formula (2), [] reprezintă operația de rotunjire, k este valoarea obținută prin rotunjirea θ(f), cum ar fi θ(f)+ = θ(f)+ = θ(f)+ 360◦, astfel încât azimutul estimat al țintei să cadă pe intervalul [0◦ 360◦), φ este frecvența estimării azimutului la fiecare unghi, iar valoarea unghiului corespunzătoare valorii maxime este azimutul estimat al țintei.

 

1.2

Un algoritm pentru detectarea și urmărirea țintelor autonome

Algoritmul autonom de detectare și urmărire pentru ținte subacvatice bazat pe estimarea orientării țintei. Ideea de bază este de a efectua o analiză statistică asupra orientării țintei estimată de algoritmul de histogramă și de a compara statisticile de orientare cu praguri prestabilite, care pot realiza în sfârșit detectarea autonomă a țintelor subacvatice și urmărirea. Diagrama fluxului de detectare și urmărire autonomă a țintei include următorii cinci pași: (1) În primul rând, utilizați algoritmul histogramei hidrofon vector unic pentru a scana întreaga direcție spațială pentru a obține azimutul estimat Ag al semnalului primit; (2) Utilizare constantă virtuală Detectorul de alarmă (detectorul CA-CFAR) efectuează procesare constantă de alarmă falsă pe orientarea țintei obținută în pasul (1); (3) Dacă detectorul CA-CFAR consideră Ag ca orientare a semnalului țintă, valoarea Ag este atribuită matricei AgT[i], în caz contrar, atribuiți −1 matricei AgT[i] (i = 1, 2, ·, N); (4) Dacă numărul de valori ale matricei AgT = −1 este mai mare decât AT (AT este pragul prestabilit, AT

 

Calculând eroarea pătratică medie StdAT, dacă StdAT este mai mică decât pragul StdDT, se consideră că există o țintă și poziția țintă este urmărită, altfel repetați pașii (1) ~ (4). Prin cei 5 pași de mai sus, se poate realiza detectarea și urmărirea autonomă a țintelor subacvatice. Principiul prelucrării CA-CFAR este că atunci când se detectează și se urmărește o anumită țintă de azimut, din cauza naturii nestaționare a mediului marin, probabilitatea de alarmă falsă este instabilă în apropierea unei anumite probabilități de detectare, iar urmărirea în timp real a nivelului de zgomot ambiental stabilește un prag care variază în timp poate obține un efect de detectare constant cu o țintă constantă a unei alarme false. În general, pragul este o funcție a probabilității de detectare și a probabilității de alarmă falsă. Tehnologia de procesare CA-CFAR este un algoritm de procesare a semnalului care asigură pragul de detectare în sistemul automat de detectare și minimizează influența zgomotului și interferențelor asupra probabilității de alarmă falsă a sistemului de detectare. În tehnologia de procesare CA-CFAR, atunci când o anumită unitate trebuie testată, unitatea testată este numită unitate de testare (Cell under test, CUT), iar unitatea de probă folosită pentru a extrage puterea de zgomot din jurul unității de testare este numită unitate de referință (Reference). celule, RC). Pentru a preveni scurgerea semnalului țintă în unitatea de referință, ceea ce va afecta negativ estimarea puterii de zgomot, o parte a eșantionului trebuie rezervată ca o celulă de gardă (GC) între unitatea de referință și unitatea de testare. Este dată relația dintre unitatea de testare, unitatea de referință și unitatea de protecție.

2 Analiza performanței de detectare a țintei

Această secțiune va oferi rezultatele simulării pe computer ale performanței de detecție a țintei a algoritmului de histogramă și va folosi datele de analiză a bazinului anecoic și a testului pe mare pentru a analiza

Găsirea direcției țintei algoritmului și performanța de urmărire autonomă. Din motive de simplitate, acest articol analizează doar situația țintă unică.

2.1 Analiza de simulare

Condițiile de simulare sunt următoarele: având în vedere că un semnal țintă de bandă largă este incident pe un singur hidrofon vectorial cu un azimut incident de 100◦, iar raportul semnal-zgomot (Raportul semnal-zgomot (SNR)) în aceeași bandă de frecvență este setat la −20 ∼ 16 dB, cu 2 dB intervalele de zgomot incidente, semnalul alb și zgomotul incident suplimentar nu este legat de Gaussian. frecvența de eșantionare este de 20 kHz. Durata datelor fiecărui proces de calcul este de 5 s, iar 75% din date sunt reproduse în fereastra de timp.

Rata stivei este subîmpărțită în 17 bucăți de date cu o lungime de 1 s, iar Transformarea Fourier rapidă (Fast Fourier Transform) de 32768 de puncte este efectuată pentru fiecare calcul de date.form, FFT, banda de frecvență de procesare este de 200 Hz ∼3 kHz, 17 grupuri de sunet se calculează apoi intensitatea sunetului și se calculează spectrul mediu pentru algoritmul utilizat. scopul.

Orientare standard estimată. Figura 3 prezintă rezultatele estimării azimutului algoritmului histogramei utilizând condițiile de simulare de mai sus ca o funcție a raportului semnal-zgomot (adică spectrul azimut normalizat variază în funcție de semnal. Raportul de zgomot se modifică, iar spectrul azimutal este amplitudinea în diferite azimuturi), iar raportul de simulare Monte Carlo poate fi efectuat independent de 200 de semnale în cadrul fiecărui experiment Monte Carlo. se vede că istoricul azimutului estimat devine treptat clar pe măsură ce raportul semnal-zgomot crește. Pentru a descrie cantitativ performanța de estimare a orientării țintei a algoritmului de histogramă, Figura 4 și Figura 5. Sunt date curba erorii de găsire a direcției și, respectiv, lățimea spectrului de azimut -3 dB față de SNR. Se poate observa că atunci când raportul semnal/zgomot este de −7 dB, determinarea direcției . Eroarea este de aproximativ 8◦, iar lățimea spectrului de azimut de −3 dB este de aproximativ 19◦; când raportul semnal-zgomot este mai mare de 0 dB, eroarea de găsire a direcției și lățimea spectrului de azimut de -3 dB sunt mai mici de 3◦ și, respectiv, 7◦

Figura 6 este curba indicatorului de urmărire autonomă țintă cu raportul semnal-zgomot conform algoritmului de urmărire și detecție autonomă țintă propus în Secțiunea 1. Indicatorul de urmărire țintă 1 reprezintă că algoritmul realizează urmărirea țintei, iar 0 înseamnă că urmărirea țintă nu este atinsă. Se poate observa din Figura 6 că atunci când raportul semnal-zgomot este mai mare de -7 dB. Algoritmul histogramei timp poate atinge obiectivul autonom.

2.2 Analiza testului rezervorului

Pentru a stăpâni performanța de detecție a țintei a algoritmului de histogramă a hidrofonului cu un singur vector, a fost efectuat un test de verificare a performanței de detecție a țintei cu hidrofon cu un singur vector într-un bazin anechoic. UW350 a fost folosit ca sursă de sunet țintă în timpul testului, iar adâncimea a fost folosită pentru 3 m sub apă. Semnalul utilizat în test este lățimea de ieșire a sursei de semnal. Cu zgomotul alb gaussian, valoarea de ieșire de la vârf la vârf este setată la 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V și, respectiv, 10 V. Timpul de transmisie al fiecărui semnal este de 60 s, iar nivelul sursei de sunet al emisiei de semnal mic trece de formula 20 lg (A1/A2), unde A1 și A2 sunt valorile vârf-la-vârf ale setărilor sursei de semnal. Din nivelul sursei de sunet emisie de semnal, raportul semnal-zgomot al fiecărui canal al hidrofonului vectorial poate fi calculat pe baza distanței dintre hidrofonul vectorial și sursa de sunet. Tabelul 1 prezintă rezultatele raportului semnal/zgomot mediu în bandă largă al semnalului sursei de sunet primit de fiecare canal al hidrofonului vectorial și oferă valoarea medie a raportului semnal/zgomot al fiecărui canal la diferite intensități de emisie a surselor de sunet. Se poate observa că valoarea vârf-la-vârf a sursei de semnal de ieșire este, respectiv, La 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V și 10 V, traductorului acustic de bandă largă al semnalului sursei de sunet recepționat de hidrofonul vector este de −13 dB, −7 dB, −5 dB, 1 dB, 7 dB, 27 dB și 47 dB. Raportul mediu semnal/zgomot al

 

Cele șapte semnale raport semnal-zgomot sunt procesate separat folosind algoritmul histogramei. Rezultatele estimării azimutului calculate se modifică în timp, așa cum se arată în Figura 7. Figura marchează, de asemenea, valoarea de la vârf la vârf a semnalului de ieșire și a hidrofonului vectorial în fiecare perioadă de timp. Raportul semnal-zgomot al receptorului. Se poate observa din Figura 7 că azimutul estimat al țintei sursei de sunet se stabilizează treptat pe măsură ce raportul semnal/zgomot recepționat crește și, practic, coincide cu azimutul adevărat. Figura 8 și, respectiv, Figura 9 arată eroarea de estimare a azimutului și lățimea spectrului azimut de -3 dB a semnalelor raportului semnal-zgomot emise de cele șapte surse de sunet de către algoritmul histogramei. Raportul crește și scade treptat. Eroarea de găsire a direcției crește atunci când sursa de sunet emite un semnal de zgomot de 10 V vârf la vârf în comparație cu 1 V vârf la vârf. Acest lucru se datorează faptului că sursa de sunet emite un semnal de nivel ridicat al sursei de sunet.

Piscina are o reducere incompletă a zgomotului în banda de frecvență joasă și există o reflexie puternică a interfeței; când raportul semnal-zgomot este de -7 dB, eroarea de găsire a direcției este de aproximativ 8°, iar lățimea spectrului de azimut de -3 dB este de aproximativ 23°; iar când raportul semnal-zgomot este mai mare decât La 1 dB, eroarea de găsire a direcției și lățimea spectrului de azimut de −3 dB sunt mai mici de 4◦, respectiv 19◦. Figura 10 este curba marcajului de urmărire a țintei cu intensitatea semnalului de emisie a sursei de sunet calculată conform algoritmului de detectare și urmărire autonomă a țintei. Se poate observa că atunci când raportul semnal-zgomot este de -7 dB, algoritmul histogramei poate realiza urmărirea autonomă a țintei sursei de sunet.

 

 

2.3 Analiza testelor marine

 

Folosind datele din datele testului de verificare a performanței de detecție a țintei de geamanduri acustice subacvatice, efectuate în apele de nord ale Mării Chinei de Sud în august 2019, algoritmul histogramei hidrofonului cu un singur vector a fost utilizat pentru a analiza performanța de detectare a țintelor maritime. Adâncimea zonei marine de testare este de aproximativ 1500 m. În perioada de testare, condițiile meteo sunt bune și vântul.

 

 

Viteza este de aproximativ nivelul 2. Rezultatele măsurătorilor instrumentului de adâncime a termosării de abandonare la bord arată că profilul vitezei sunetului este un strat uniform pe o adâncime de 40 m, iar stratul catastrofal principal al vitezei sunetului este la o adâncime de 40 ~ 200 m, iar axa canalului de sunet este la 1000 m. Aproape de adâncime. În timpul zilei de testare de la 12:33-14:02, o navă de suprafață cu o lungime de 42 m, o lățime de 6 m și o viteză de 8,4 kn a trecut pe lângă geamandura acustică subacvatică la o direcție de 301°. În timpul perioadei, vasul de suprafață și acustica subacvatică Distanța geamandurii este de aproximativ 2 km în cel mai scurt timp și de 13,8 km în cel mai îndepărtat timp. Se oferă o diagramă de comparație a rezultatului estimării azimutului țintă calculat de algoritmul histogramei și azimutul real al navei de suprafață și se poate observa că algoritmul histogramei este în întregul timp 12:33-14:02.

 

Figura 13 și, respectiv, Figura 14 arată algoritmul histogramei pentru eroarea de găsire a direcției țintei navei de suprafață și curba de modificare a lățimii spectrului azimut de -3 dB cu timpul în perioada de timp 12:33-14:02. Se poate observa că eroarea de găsire a direcției este cea mai bună. Poate ajunge la 5°, iar lățimea spectrului azimut de -3 dB poate ajunge la aproximativ 10° lângă punctul de locație apropiată; în plus, datorită abaterii poziției estimate subacvatice a geamandurii acustice subacvatice, distanța dintre nava de suprafață și platforma geamandurii este mai apropiată Eroarea de stabilire a direcției în timp crește. Figura 15 este curba marcajului de urmărire a țintei în timp calculată de algoritmul de detectare și urmărire autonomă a țintei. Se poate observa că algoritmul poate realiza urmărirea autonomă a țintei pe întregul interval pentru o navă de suprafață cu o viteză de 8,4 kn pe o distanță de 13,8 km.

 

3 Concluzie

Având în vedere cerințele aplicațiilor de inginerie ale hidrofoanelor cu un singur vector pe platforme subacvatice fără pilot, această lucrare propune o detectare și urmărire autonomă a țintelor subacvatice. Metoda de urmărire și utilizarea calculului de simulare, testul tancului anechoic și analiza testului pe mare pentru a rezuma algoritmul histogramei bazat pe hidrofonul cu un singur vector. Performanță standard de detectare. Rezultatele simulării pe computer și ale testului de rezervor anechoic arată că algoritmul histogramei atinge raportul semnal-zgomot necesar pentru urmărirea autonomă. Dacă este mai mare de -7 dB, eroarea de găsire a direcției este de aproximativ 8°, iar lățimea spectrului azimut de -3 dB este de aproximativ 20°. Datele testelor pe mare arată că marea adâncă este în condiții hidrologice bune, algoritmul de histogramă poate realiza detectarea și urmărirea completă a țintei pentru o navă de suprafață cu o viteză de 8,4 kn pe o distanță de 13,8 km. Cea mai bună eroare de găsire a direcției poate ajunge la 5◦, iar −3 dB azimut poate atinge lățimea spectrului apropiat de 10◦.