Analiza performanței de detectare a țintei pentru un algoritm de histogramă cu fereastră hidrofon cu un singur vector

Analiza performanței de detectare a țintei pentru un algoritm de histogramă al  hidrofonului cu un singur vector 

Algoritmul histogramei hidrofonului cu un singur vector are o robustețe bună și performanță de estimare a azimutului țintă. Această lucrare analizează și rezumă performanța de detectare a țintei a algoritmului de histogramă și un algoritm autonom de detectare și urmărire pentru a fost propus un traductor acustic subacvatic bazat pe azimutul estimat al țintei. Simularea pe computer și rezultatele testelor de rezervor anechoic arată că raportul semnal-zgomot cerut de algoritmul histogramei ferestre pentru urmărirea autonomă trebuie să fie mai mare de 7 dB. În această condiție, eroarea de azimut estimată și lățimea fasciculului de 3 dB sunt de aproximativ 8 ◦ și, respectiv, 20 ◦ . Rezultatele testelor pe mare arată că, în condiții hidrologice bune în mare adâncime, algoritmul histogramei ferestre poate realiza detectarea și urmărirea țintei pentru o navă de suprafață cu o viteză de 8,4 kn într-un interval de 13,8 km. Eroarea optimă de azimut estimată poate ajunge la 5 ◦ , iar lățimea fasciculului de 3 dB poate ajunge la aproximativ 10 ◦ la o distanță de 2 km.

 

Canalul vectorial al hidrofonului vectorial are o 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 o platformă subacvatică mică echipată cu senzori acustici.

 

Avantajul spațiului. În ultimii ani, cu îmbunătățirea continuă a tehnologia senzorului de hidrofon vectorial , tehnologia de procesare a semnalului vectorial este, de asemenea, aplicată puternic. Conducerea la cerere, s-a dezvoltat rapid. În comparație cu hidrofoanele convenționale cu presiune sonoră, hidrofoanele vectoriale oferă informații mai cuprinzătoare despre câmpul sonor. Nu numai că poate măsura cantitatea scalară a câmpului sonor, dar poate obține și caracteristicile vectoriale ale câmpului sonor, care extinde foarte mult spațiul de procesare a semnalului. Există mulți algoritmi de estimare a azimutului țintă bazați pe hidrofoane cu un singur vector, dar, în general, aceștia pot fi împărțiți în două categorii conform principiului găsirii direcției: una este estimarea azimutului bazată pe fluxul de energie sonoră; celălalt este de a considera fiecare canal al hidrofonului vectorial ca fiind o matrice cu mai multe elemente, fiecare element piezo este situat aproximativ în același punct în spațiu, iar metoda existentă de procesare a semnalului matricei este aplicată hidrofonului cu un singur vector folosind caracteristicile modelului de flux al matricei hidrofonului cu un singur vector în sine. Diferiți algoritmi de găsire a direcției țintei ai hidrofoanelor vectoriale au propriile avantaje și dezavantaje. Printre ei, algoritmul de histogramă are o robustețe mai bună și o performanță de estimare a azimutului țintă mai bună decât alți algoritmi și are capacitatea de a suprima interferența în bandă îngustă și a spectrului de linii puternice. Este potrivit în special pentru aplicații 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 azimutul țintei. 

Fig. 6 este curba indicatorului de urmărire autonomă țintă cu raportul semnal-zgomot conform algoritmului de urmărire țintă autonomă și de urmărire propus în Secțiunea 1. Indicatorul de urmărire țintă 1 reprezintă că algoritmul realizează urmărirea țintei și înseamnă că urmărirea țintei nu este atinsă. Din figura 6 se poate observa că atunci când raportul semnal-zgomot este mai mare de 7 dB, algoritmul histogramei poate realiza urmărirea țintă autonomă.

2.2 Analiza testului rezervorului

Pentru a stăpâni performanța de detecție a țintei a algoritmului de histogramă a hidrofonului cu un singur vector, performanța de detecție a țintei a hidrofonului cu un singur vector a fost efectuată în bazinul anechoic.

În testul de verificare, UW350 a fost folosit ca țintă sursă de sunet în timpul testului, iar adâncimea a fost de 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 a semnalului este de 60 s, iar nivelul emisiei de semnal mic al sursei de sunet este calculat prin formula 20 lg (A1/A2), unde A1 și A2 sunt valoarea de la vârf la vârf a ieșirii de setare a sursei de semnal. Nivelul sursei de sunet care emite semnal poate fi calculat în funcție de distanța dintre hidrofonul vectorial și sursa de sunet pentru a obține raportul semnal-zgomot al fiecărui canal al hidrofonului vectorial. 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 La 10 mV, 20mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V și 10 V, raportul mediu semnal/zgomot în bandă largă al semnalului sursei de sunet primit de hidrofonul vector este de 13 dB, 7 dB, respectiv 7 dB, dB, dB 27 dB și 47 dB. 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 vârf la vârf de 10 V comparativ 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.

 

 

Bazinul acustic este incomplet atenuat în banda de joasă frecvență și există o reflexie puternică a interfeței; când raportul semnal-zgomot este de 7 dB, eroarea de găsire a direcției este de aproximativ 8 ◦, 3 dB pătrat

Lățimea spectrului de biți este de aproximativ 23◦; atunci când raportul semnal-zgomot este mai mare de 1 dB, eroarea de găsire a direcției și lățimea spectrului azimut de 3 dB sunt mai mici de 4◦, respectiv 19◦. Figura 10 este curba marcajului de urmărire a țintei calculată în funcție de algoritmul de detectare și urmărire autonomă a țintei cu intensitatea semnalului de sunet care poate fi văzut. raportul semnal-zgomot este de 7 dB, algoritmul histogramei poate realiza urmărirea autonomă a țintei sursei de sunet.

 

2.3 Analiza testelor marine

Folosind date de la Datele de testare a performanței de detectare a țintei de geamandură cu senzor acustic subacvatic efectuate în apele de nord ale Mării Chinei de Sud în august 2019, algoritmul de histogramă al 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 timpul testului, condițiile meteorologice sunt bune, iar viteza vântului este de aproximativ nivelul 2. Rezultatele măsurătorilor de la termosare pentru abandonarea navei arată că profilul vitezei sunetului este un strat uniform pe o adâncime de 40 m și o adâncime de 40 200 m. În interior se află stratul de tranziție principal al vitezei sunetului, iar axa tractului vocal se află la o adâncime de aproape 1000 m. 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, nava 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. Diagrama situației este prezentată în Figura 11. Figura 12 arată comparația dintre rezultatele estimate ale azimutului azimutului țintă al navei de suprafață calculate de algoritmul de histogramă și azimutul real. Se poate observa că algoritmul de histogramă poate atinge obiectivul navei de suprafață pe întreaga perioadă de timp 12:33-14:02.

Figura 13 și, respectiv, Figura 14 arată algoritmul de histogramă pentru eroarea de găsire a direcției țintei navei de suprafață și curba de lățime a spectrului azimut de 3 dB în funcție de timp în perioada de timp 12:33-14:02. Se poate observa că eroarea de găsire a direcției este cea mai bună. Poate ajunge în 5 ◦, iar lățimea spectrului azimutal de 3 dB poate ajunge la aproximativ 10 ◦ în apropierea punctului de locație apropiată; în plus, din cauza abaterii poziției subacvatice a geamandurii acustice subacvatice, distanța dintre nava de suprafață și platforma geamandurii este relativ apropiată. Eroarea de găsire 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

Vizând cerințele aplicațiilor inginerești ale hidrofoanelor cu un singur vector pe platforme subacvatice fără pilot, această lucrare propune o metodă de detectare și urmărire autonomă a senzor cu ultrasunete subacvatic și utilizează calcule de simulare, teste de rezervoare anechoice și analize de teste marine pentru a rezuma pe baza apei cu un singur vector. Algoritmul de histogramă al ascultătorului a avut performanțe standard de detectare. Rezultatele simulării pe computer și ale datelor de testare a grupului anecoic arată că raportul semnal-zgomot necesar algoritmului de histogramă pentru a obține urmărirea 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◦. Datele testelor marine arată că, în condiții hidrologice bune în mare adâncime, algoritmul de histogramă 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, iar cea mai bună eroare de găsire a direcției poate ajunge la 5◦. Lățimea spectrului de azimut de 3 dB poate atinge aproximativ 10◦ în apropierea punctului de poziție apropiată.