Analys av måldetekteringsprestanda för en hydrofonförsedd histogramalgoritm med en enda vektor

Analys av måldetektionsprestanda för en histogramalgoritm för  enkelvektorhydrofon 

Histogramalgoritmen för enkelvektorhydrofon har god robusthet och prestanda för uppskattning av målazimut. Denna artikel analyserar och sammanfattar måldetekteringsprestandan för histogramalgoritmen och en autonom detekterings- och spårningsalgoritm för akustisk undervattensgivare baserad på målets uppskattade azimut föreslogs. Datorsimulering och ekofria tanktestresultat visar att signal-brusförhållandet som krävs av den fönsterbaserade histogramalgoritmen för autonom spårning måste vara större än 7 dB. Under detta tillstånd är det uppskattade azimutfelet och 3 dB strålbredden cirka 8 ◦ respektive 20 ◦ . Sjöförsöksresultaten visar att under goda hydrologiska förhållanden i djuphavet kan den fönsterbaserade histogramalgoritmen uppnå måldetektering och spårning för ett ytfartyg med en hastighet av 8,4 kn inom en räckvidd av 13,8 km. Det optimala uppskattade azimutfelet kan nå 5 ◦ och strålbredden på 3 dB kan nå cirka 10 ◦ på ett avstånd av 2 km.

 

Vektorhydrofonens vektorkanal har frekvensoberoende dipoldirektivitet och har förmågan att motstå isotropisk brusinterferens. En vektorhydrofon kan uppnå oskärpa utan utrymme, vilket ger en lösning för måldetektering på en liten undervattensplattform utrustad med akustiska sensorer.

 

Fördelen med utrymme. Under de senaste åren, med ständig förbättring av vektorhydrofonsensorteknik , vektorsignalbehandlingsteknik tillämpas också kraftfullt. Den har utvecklats snabbt efter behov. Jämfört med konventionella ljudtryckshydrofoner ger vektorhydrofoner mer omfattande ljudfältsinformation. Den kan inte bara mäta den skalära mängden av ljudfältet, utan också erhålla vektoregenskaperna för ljudfältet, vilket kraftigt utökar signalbehandlingsutrymmet. Det finns många målazimutuppskattningsalgoritmer baserade på enkelvektorhydrofoner, men i allmänhet kan de delas in i två kategorier enligt principen för riktningsbestämning: den ena är azimutuppskattning baserad på ljudenergiflöde; den andra är att betrakta varje kanal i vektorhydrofonen som att det är en array med flera element, varje piezoelement är placerat ungefär på samma punkt i rymden, och den befintliga arraysignalbehandlingsmetoden tillämpas på enkelvektorhydrofonen genom att använda egenskaperna hos arrayflödesmönstret för själva enkelvektorhydrofonen. Olika målriktningssökningsalgoritmer för vektorhydrofoner har sina egna fördelar och nackdelar. Bland dem har histogramalgoritmen bättre robusthet och prestanda för uppskattning av målazimut än andra algoritmer, och har förmågan att undertrycka smalbandig och stark linjespektruminterferens. Den är särskilt lämplig för teknisk tillämpning. Denna artikel analyserar och sammanfattar histogrammets riktningssökningsalgoritm baserad på en enkel vektorhydrofon, och föreslår en autonom detekterings- och spårningsalgoritm för undervattensmål baserad på målazimut 

Fig. 6 är kurvan för målspårningsflagga med signal-brusförhållande enligt den autonoma måldetektions- och målföljningsalgoritmen som föreslagits i sektion 1. Målspårningsflagga 1 representerar att algoritmen uppnår målspårning, och det betyder att målspårning inte uppnås. Det kan ses från figur 6 att när signal-brusförhållandet är större än 7 dB, kan histogramalgoritmen uppnå autonom målspårning.

2.2 Tanktestanalys

För att bemästra måldetekteringsprestandan för enkelvektorhydrofonhistogramalgoritmen, utfördes måldetekteringsprestandan för enkelvektorhydrofonen i den ekofria poolen.

I verifieringstestet användes UW350 som ljudkällasmål under testet, och djupet var 3 m under vattnet. Signalen som används i testet är bredden på signalkällans utgång. Med Gaussiskt vitt brus är utgångens topp-till-toppvärde inställd på 10 mV, 20 mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V respektive 10 V.

 

Signalöverföringstiden är 60 s, och ljudkällans låga signalemissionsnivå beräknas med formeln 20 lg (A1/A2), där A1 och A2 är topp-till-topp-värdet för signalkällans inställningsutgång. Den signalemitterande ljudkällans nivå kan beräknas enligt avståndet mellan vektorhydrofonen och ljudkällan för att erhålla signal-brusförhållandet för varje kanal i vektorhydrofonen. Tabell 1 visar resultaten av det bredbandiga genomsnittliga signal-brusförhållandet för ljudkällans signal som tas emot av varje kanal i vektorhydrofonen, och ger medelvärdet för signal-brusförhållandet för varje kanal under olika ljudkällas emissionsintensiteter. Det kan ses att topp-till-topp-värdet för signalkällans utsignal är Vid 10 mV, 20mV, 25 mV, 50 mV, 100 mV, 1 V och 10 V, är bredbandsmedelvärdet för signal-brusförhållandet för ljudkällans signal som tas emot av vektorhydrofonen 13 dB, 7 dB, 7 dB, 7 dB, 7 dB, 7 dB, respektive 27 dB och 47 dB. De sju signal-brusförhållandesignalerna behandlas separat med hjälp av histogramalgoritmen. De beräknade azimutuppskattningsresultaten ändras med tiden som visas i figur 7. Figuren markerar också topp-till-topp-värdet för utsignalen och vektorhydrofonen under varje tidsperiod. Mottagarens signal-brusförhållande. Det kan ses från figur 7 att den uppskattade azimuten för ljudkällans mål gradvis stabiliseras när det mottagna signal-brusförhållandet ökar och i princip sammanfaller med den verkliga azimuten. Figur 8 och figur 9 visar azimutuppskattningsfelet och 3 dB azimutspektrumbredd för signal-brusförhållandesignalerna som emitteras av de sju ljudkällorna av histogramalgoritmen. Förhållandet ökar och minskar gradvis. Riktningsfelet ökar när ljudkällan avger en topp-till-topp brussignal på 10 V jämfört med 1 V topp-till-topp. Detta beror på att ljudkällan avger en signal med hög ljudkälla.

 

 

Den akustiska poolen är ofullständigt dämpad i lågfrekvensbandet och det finns stark gränssnittsreflektion; när signal-brusförhållandet är 7 dB, är riktningsavkänningsfelet cirka 8 ◦, 3 dB kvadrat

Bitspektrumets bredd är cirka 23◦; när signal-brusförhållandet är större än 1 dB, är riktningsavkänningsfelet och azimutspektrumbredden på 3 dB mindre än 4◦ respektive 19◦. Figur 10 är kurvan för målspårningsmärket beräknad enligt den autonoma måldetektions- och spårningsalgoritmen med signalens intensitet, vilken ljudkälla kan vara semissionen. signal-brusförhållandet är 7 dB, histogramalgoritmen kan realisera autonom spårning av ljudkällans mål.

 

2.3 Marin testanalys

Använda data från undervattens akustisk sensor boj måldetektering prestanda verifiering testdata utförda i de norra vattnen i Sydkinesiska havet i augusti 2019, histogramalgoritmen för enkelvektorhydrofon användes för att analysera detektionsprestanda för maritima mål. Djupet av testhavsområdet är ca 1500 m. Under testet är väderförhållandena goda och vindstyrkan är cirka nivå 2. Mätresultaten av den fartygsburna termosaltdjupmätaren visar att ljudhastighetsprofilen är ett enhetligt lager inom ett djup av 40 m och ett djup av 40 200 m. Inuti finns det huvudsakliga övergångsskiktet för ljudhastighet, och röstkanalens axel är på ett djup nära 1000 m. Under testdagen från 12:33-14:02 passerade ett ytfartyg med en längd av 42 m, en bredd på 6 m och en hastighet av 8,4 kn nära den akustiska undervattensbojen med en kurs på 301°. Under perioden, ytfartyget och undervattensakustik. Bojens avstånd är ca 2 km vid kortast tid och 13,8 km längst bort. Situationsdiagrammet visas i figur 11. Figur 12 visar jämförelsen mellan de uppskattade azimutresultaten för ytfartygets målazimut beräknade av histogramalgoritmen och den verkliga azimuten. Det kan ses att histogramalgoritmen kan uppnå målet för ytfartyget under hela tidsperioden 12:33-14:02.

Figur 13 respektive Figur 14 visar histogramalgoritmen för riktningssökningsfel för ytfartygs målriktning och kurvan för azimutspektrumbredden mot tiden på 3 dB under tidsperioden 12:33-14:02. Det kan ses att riktningsavkänningsfelet är det bästa. Det kan nå inom 5 ◦ och azimutspektrumbredden på 3 dB kan nå cirka 10 ◦ nära den närliggande punkten; Dessutom, på grund av avvikelsen i undervattenspositionen för den akustiska undervattensbojen, är avståndet mellan ytfartyget och bojplattformen relativt nära. Felet att hitta riktningen vid tidpunkten ökar. Figur 15 är kurvan för målspårningsmärket över tid beräknad av den autonoma måldetektions- och spårningsalgoritmen. Det kan ses att algoritmen kan uppnå autonom målspårning över hela räckvidden för ett ytfartyg med en hastighet av 8,4 kn inom ett avstånd av 13,8 km.

 

3 Slutsats

Med sikte på tekniska tillämpningskrav för enkelvektorhydrofoner på obemannade undervattensplattformar, föreslår detta dokument en metod för autonom detektering och spårning av undervattens ultraljudssensor och använder simuleringsberäkningar, ekofria tanktester och marin testanalys för att sammanfatta baserat på envektorvatten. Lyssnarens histogramalgoritm hade standarddetekteringsprestanda. Resultaten av datorsimulering och ekofria pooltestdata visar att signal-brusförhållandet som krävs av histogramalgoritmen för att uppnå autonom spårning måste vara större än 7 dB, vid denna tidpunkt är riktningsavkänningsfelet cirka 8◦ och azimutspektrumbredden på 3 dB är cirka 20◦. De marina testdata visar att under goda hydrologiska förhållanden i djuphavet kan histogramalgoritmen uppnå full måldetektering och spårning inom ett avstånd av 13,8 km för ett ytfartyg med en hastighet på 8,4 kn, och det bästa riktningsavkänningsfelet kan nå 5◦. 3 dB azimutspektrumbredden kan nå cirka 10◦ nära närpositionspunkten.