Аналіз ефективності виявлення алгоритму пеленгації одновекторної гістограми гідрофону

Алгоритм гістограми a одновекторний гідрофон має хорошу надійність і ефективність оцінки азимута цілі. У цій статті аналізується та узагальнюється ефективність виявлення цілей алгоритмом гістограми, а також пропонується автономне виявлення підводних цілей на основі оцінки азимута цілі. Алгоритм стеження, за допомогою цього алгоритму можна досягти автономного виявлення наявності або відсутності цілей у воді. Результати моделювання та випробувань безехового пулу показують, що відношення сигнал/шум, необхідне алгоритму гістограми для досягнення автономного відстеження цілі, повинно бути більше −7 дБ. У цей час похибка пеленгації становить приблизно 8◦, а ширина спектру за азимутом −3 дБ становить близько 20◦. Аналіз даних морських випробувань показує, що алгоритм гістограми може досягти повного виявлення та супроводу цілі на відстані 13,8 км для надводного судна зі швидкістю 8,4 уз, з оптимальною похибкою пеленгації 5◦ і пеленгом −3 дБ на відстані 2 км. Ширина спектру може досягати 10◦

 

 

Векторний канал векторний гідрофонний датчик має частотно-незалежну дипольну спрямованість і має здатність протистояти ізотропним шумовим перешкодам. Векторний гідрофон може досягати орієнтації без розмиття в повному просторі, що забезпечує рішення для виявлення цілей на малих підводних платформах, обладнаних підводними акустичними датчиками.

його перевага простору. В останні роки з безперервним удосконаленням технології векторних гідрофонів технологія обробки векторних сигналів також активно використовується. Завдяки попиту вона швидко розвивається. У порівнянні зі звичайними гідрофонами звукового тиску, векторні гідрофони надають більш повну інформацію про звукове поле. Можна виміряти лише скаляр звукового поля, а також отримати векторні характеристики звукового поля, що значно розширює простір обробки сигналу. Існує багато алгоритмів оцінки азимута цілі на основі одновекторних гідрофонів, загалом їх можна розділити на дві категорії відповідно до принципу пеленгації: одна – це оцінка азимута на основі потоку звукової енергії; інший - розглядати кожен канал векторного гідрофону. Це багатоелементний масив, кожен елемент якого знаходиться приблизно в одній позиції в просторі, і існуючий метод обробки сигналу масиву застосовується до одного векторного гідрофону з використанням характеристик схеми потоку масиву самого одного векторного гідрофону. Різні алгоритми пеленгування цілі векторного гідрофону мають свої переваги та недоліки. Порівняно з іншими алгоритмами, алгоритм середньої гістограми має кращу надійність і ефективність оцінки орієнтації цілі, а також має здатність пригнічувати вузькосмугові та сильні перешкоди лінійного спектру, що особливо підходить для інженерних застосувань. У цьому документі аналізується та підсумовується алгоритм пеленгації гістограми на основі одного векторного гідрофону та пропонується автономний алгоритм виявлення та супроводу підводних цілей на основі оцінки орієнтації цілі, використовуючи комп’ютерне моделювання, дані вимірювань безехового басейну та дані морських експериментів, проаналізовані продуктивність виявлення цілі гістограми та алгоритму графіка.

 

 

1 Теоретичний алгоритм

1.1 Алгоритм пеленгації гістограми

 

Алгоритм гістограми повинен спочатку обчислити оцінки цільового азимута в різних точках частоти, а вираз розрахунку

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

⟨Ix(i, f)⟩, (1) У формулі (1) θ(f) представляє цільовий азимут, розрахований на різних частотах f, а Pw, Vxw і Vyw представляють звуковий тиск векторного гідрофону в P і вібрацію в напрямку x відповідно. Канал швидкості та канал швидкості вібрації у напрямку збирають значення спектру сигналу, а Ix та Iy представляють потік акустичної енергії в напрямку x та y відповідно. З рівняння (1) видно, що цільовий азимут, розрахований за рівнянням (1), пов’язаний із частотою f, а оцінки цільового азимута в різних частотних точках відрізняються. Метод оцінки азимута цілі через гістограму можна використовувати для розрахунку азимута цілі в навколишньому середовищі. Придушення вузькосмугових перешкод і сильного лінійного спектру, але коли в навколишньому середовищі є кілька цілей. Коли частоти випромінюваного шуму накладаються одна на одну, метод гістограми не може отримати справжній азимут кожної цілі, лише потік звукової енергії кожної цілі.

 

Комбінована орієнтація буде зміщена в бік більш інтенсивної цільової орієнтації. Статистика азимута гістограми полягає в підрахунку цільового розрахункового азимута θ(f) у відповідному азимутальному інтервалі відповідно до кількості частотних точок. Якщо азимутальний інтервал поділити на 1◦, тоді k = [θ(f) × 180/π], φ (k) = φ(k) + 1, (2) У формулі (2) [] представляє операцію округлення, k є значенням, отриманим шляхом округлення θ(f), наприклад θ(f) 60, тоді θ( f) = θ(f)+ 360◦, так, щоб розрахунковий азимут цілі припадав на інтервал [0◦ 360◦), φ – частота оцінки азимута на кожному куті, а значення кута, що відповідає максимальному значенню, є розрахунковим азимутом цілі.

 

1.2

Алгоритм автономного виявлення та супроводу цілей

Алгоритм автономного виявлення та супроводу підводних цілей на основі оцінки орієнтації цілі. Основна ідея полягає в тому, щоб виконати статистичний аналіз орієнтації цілі, оціненої за допомогою алгоритму гістограми, і порівняти статистику орієнтації з попередньо встановленими пороговими значеннями, що, нарешті, може реалізувати автономне виявлення підводних цілей і супроводження. Блок-схема автономного виявлення та супроводу цілі включає наступні п’ять кроків: (1) Спочатку використовуйте алгоритм одновекторної гістограми гідрофону для сканування всього просторового напрямку для отримання розрахункового азимута Ag отриманого сигналу; (2) Використовуйте постійний віртуальний детектор тривоги (детектор CA-CFAR) виконує постійну обробку помилкових тривог щодо цільової орієнтації, отриманої на кроці (1); (3) Якщо детектор CA-CFAR визначає Ag як орієнтацію цільового сигналу, значення Ag призначається матриці AgT[i], інакше призначається −1 матриці AgT[i] (i = 1, 2, ·, N); (4) Якщо кількість значень матриці AgT = −1 більша за AT (AT – заданий поріг, AT

 

Обчислення середньоквадратичної помилки StdAT, якщо StdAT менше порогового значення StdDT, вважається, що ціль є, і цільове положення відстежується, інакше повторіть кроки (1) ~ (4). За допомогою вищевказаних 5 кроків можна досягти автономного виявлення та супроводу підводних цілей. Принцип обробки CA-CFAR полягає в тому, що під час виявлення та супроводу певної азимутальної цілі через нестаціонарну природу морського середовища ймовірність помилкової тривоги є нестабільною поблизу певної ймовірності виявлення, а відстеження рівня шуму навколишнього середовища в режимі реального часу встановлює змінний у часі поріг, що дозволяє досягти постійного ефекту виявлення з постійною ймовірністю помилкової тривоги для азимутальної цілі. Загалом, поріг є функцією ймовірності виявлення та ймовірності помилкової тривоги. Технологія обробки CA-CFAR — це алгоритм обробки сигналу, який забезпечує поріг виявлення в системі автоматичного виявлення та мінімізує вплив шумів і перешкод на ймовірність помилкової тривоги системи виявлення. У технології обробки CA-CFAR, коли необхідно протестувати певний блок, тестований блок називається тестовим блоком (Cell under test, CUT), а одиниця зразка, що використовується для виділення потужності шуму навколо тестового блоку, називається еталонним блоком (Reference). клітини, RC). Щоб запобігти витоку цільового сигналу в еталонний блок, який негативно вплине на оцінку потужності шуму, частина зразка повинна бути зарезервована як охоронна комірка (GC) між еталонним блоком і тестовим блоком. Наведено зв’язок між тестовою одиницею, контрольною одиницею та блоком захисту.

2 Аналіз ефективності виявлення цілей

У цьому розділі надано результати комп’ютерного моделювання ефективності виявлення цілі за допомогою алгоритму гістограми, а також використані дані безехового басейну та морських тестів для аналізу

Алгоритм пеленгації та автономного супроводу цілі. Для простоти ця стаття аналізує лише одну цільову ситуацію.

2.1 Аналіз моделювання

Умови моделювання такі: враховуючи, що широкосмуговий цільовий сигнал падає на один векторний гідрофон з азимутом падіння 100◦, а відношення сигнал/шум (відношення сигнал/шум (SNR)) у тій самій смузі частот встановлено на −20 ~ 16 дБ з інтервалами 2 дБ, додатковий шум є білим шумом Гауса, який не пов’язаний з падаючим сигналом, а частота дискретизації 20 кГц. Тривалість даних кожного процесу обчислення становить 5 с, і 75% даних відтворюється в часовому вікні.

Швидкість стеку підрозділяється на 17 фрагментів даних тривалістю 1 с, і 32768-точкове швидке перетворення Фур’є (швидке перетворення Фур’є) виконується для кожного фрагмента data.form, ШПФ). Частотний діапазон обробки становить 200 Гц ~ 3 кГц, 17 груп спектрів інтенсивності звуку обчислюються та усереднюються, а потім використовується алгоритм гістограми для мета.

Розрахункова стандартна орієнтація. На рисунку 3 показано результати оцінки азимута алгоритму гістограми з використанням наведених вище умов моделювання як функції відношення сигнал/шум (тобто нормалізований спектр азимута змінюється залежно від сигналу. Співвідношення шуму змінюється, а спектр азимута є амплітудою в різних азимутах), і 200 незалежних експериментів моделювання Монте-Карло виконуються під кожним Відношення сигнал/шум. Можна побачити, що розрахункова історія азимута поступово стає зрозумілою, коли відношення сигнал/шум збільшується. Щоб кількісно описати продуктивність оцінки орієнтації цілі алгоритму гістограми, малюнок 4 і малюнок 5. Наведено відповідно криву похибки пеленгації та ширини спектра азимута −3 дБ від SNR. Можна побачити, що коли відношення сигнал/шум дорівнює −7 дБ, похибка пеленгації становить близько 8◦, а ширина спектру за азимутом −3 дБ становить близько 19◦; коли відношення сигнал/шум перевищує 0 дБ, похибка пеленгації та ширина спектру за азимутом −3 дБ відповідно менше 3◦ та 7◦

На рисунку 6 представлена ​​крива прапора автономного відстеження цілі з відношенням сигнал/шум відповідно до алгоритму автономного виявлення та відстеження цілі, запропонованого в Розділі 1. Прапор 1 відстеження цілі означає, що алгоритм досягає відстеження цілі, а 0 означає, що відстеження цілі не досягнуто. На малюнку 6 видно, що коли відношення сигнал/шум перевищує −7 дБ. Алгоритм гістограми часу може досягти автономної мети.

2.2 Аналіз випробувань танка

Для того, щоб оволодіти ефективністю виявлення цілі алгоритму одновекторної гістограми гідрофону, було проведено тест верифікації ефективності виявлення цілі одновекторним гідрофоном у безеховому басейні. UW350 використовувався як ціль джерела звуку під час випробування, а глибина використовувалася для 3 м під водою. Сигнал, який використовується в тесті, є шириною виходу джерела сигналу. З білим гаусовим шумом вихідне розмах напруги встановлюється на 10 мВ, 20 мВ, 25 мВ, 50 мВ, 100 мВ, 1 В і 10 В відповідно. Час передачі кожного сигналу становить 60 с, а рівень випромінювання малого сигналу джерела звуку проходить за формулою 20 lg (A1/A2), де A1 і A2 є розмахом налаштувань джерела сигналу. З рівня звукового джерела випромінювання сигналу можна розрахувати відношення сигнал/шум кожного каналу векторного гідрофону на основі відстані між векторним гідрофоном і джерелом звуку. У таблиці 1 наведено результати широкосмугового середнього відношення сигнал/шум сигналу джерела звуку, отриманого кожним каналом векторного гідрофону, і наведено середнє значення відношення сигнал/шум кожного каналу при різних інтенсивностях випромінювання джерела звуку. Можна побачити, що амплітудне значення вихідного сигналу джерела сигналу становить відповідно При 10 мВ, 20 мВ, 25 мВ, 50 мВ, 100 мВ, 1 В і 10 В, широкосмуговий акустичний перетворювач середнє відношення сигнал/шум сигналу джерела звуку, прийнятого векторним гідрофоном, становить -13 дБ, -7 дБ, -5 дБ, 1 дБ, 7 дБ, 27 дБ і 47 дБ.

 

Сім сигналів співвідношення сигнал/шум обробляються окремо за допомогою алгоритму гістограми. Розраховані результати оцінки азимута змінюються з часом, як показано на малюнку 7. На малюнку також позначено амплітудне значення вихідного сигналу та векторного гідрофону за кожен період часу. Відношення сигнал/шум приймача. З рисунка 7 видно, що розрахунковий азимут цілі джерела звуку поступово стабілізується в міру збільшення співвідношення сигнал/шум і в основному збігається з справжнім азимутом. На рисунках 8 і 9 відповідно показано похибку оцінки азимута та ширину спектру азимута −3 дБ сигналів відношення сигнал/шум, випромінюваних сімома джерелами звуку за допомогою алгоритму гістограми. Співвідношення збільшується і поступово зменшується. Помилка пеленгації збільшується, коли джерело звуку випромінює шумовий сигнал напругою 10 В порівняно з 1 В. Це тому, що джерело звуку випромінює сигнал джерела звуку з високим рівнем.

Пул має неповне зменшення шуму в смузі низьких частот і є сильне відображення інтерфейсу; при відношенні сигнал/шум -7 дБ похибка пеленгації становить близько 8°, а ширина спектру по азимуту -3 дБ становить близько 23°; і коли відношення сигнал/шум більше At 1 дБ, похибка пеленгації та азимутальна ширина спектру −3 дБ менше 4◦ та 19◦ відповідно. На рис. 10 представлена ​​крива знака супроводу цілі з інтенсивністю сигналу випромінювання джерела звуку, розрахованого за алгоритмом автономного виявлення та супроводу цілі. Можна побачити, що коли відношення сигнал/шум становить −7 дБ, алгоритм гістограми може досягти автономного відстеження цільового джерела звуку.

 

 

2.3 Аналіз морських випробувань

 

Використовуючи дані перевірки ефективності виявлення цілей за допомогою підводного акустичного буя, проведеного в північних водах Південно-Китайського моря в серпні 2019 року, для аналізу ефективності виявлення морських цілей було використано одновекторний алгоритм гістограми гідрофона. Глибина досліджуваного району моря становить близько 1500 м. Під час тестового періоду хороші погодні умови та вітер.

 

 

Швидкість становить приблизно рівень 2. Результати вимірювань термосолевого приладу для вимірювання глибини залишення судна показують, що профіль швидкості звуку є рівномірним шаром на глибині 40 м, а основний катастрофічний шар швидкості звуку знаходиться на глибині 40 ~ 200 м, а вісь звукового каналу знаходиться на 1000 м. Близько глибини. Протягом дня тестування з 12:33 до 14:02 біля підводного акустичного буя під курсом 301° пройшло надводне судно довжиною 42 м, шириною 6 м і швидкістю 8,4 вузла. Протягом періоду надводне судно та підводна акустика Відстань буя становить близько 2 км за найкоротший час і 13,8 км за найдальший час. Наведено порівняльну діаграму результату оцінки цільового азимута, розрахованого за алгоритмом гістограми, та реального азимута надводного корабля, з якої видно, що алгоритм гістограми знаходиться у всьому часовому проміжку 12:33-14:02.

 

На рисунках 13 і 14 відповідно показано алгоритм гістограми для похибки пеленгації цілі надводного корабля та кривої зміни ширини спектру азимута −3 дБ з часом у період часу 12:33-14:02. Можна побачити, що похибка пеленгації є найкращою. Вона може досягати в межах 5°, а ширина спектру азимута −3 дБ може досягати приблизно 10° поблизу точки близького розташування; крім того, через відхилення підводного розрахункового положення підводного акустичного буя відстань між надводним кораблем і платформою буя зближується. Похибка пеленгації в часі збільшується. На малюнку 15 представлена ​​крива мітки супроводу цілі в часі, розрахована за допомогою алгоритму автономного виявлення та супроводу цілі. Видно, що алгоритм може забезпечити автономне супроводження цілі на всій дальності для надводного судна зі швидкістю 8,4 вузла на відстані 13,8 км.

 

3 Висновок

Націлюючись на вимоги інженерного застосування одновекторних гідрофонів на підводних безпілотних платформах, у цьому документі пропонується автономне виявлення та супроводження підводних цілей. Метод відстеження та використання розрахунку імітації, випробування безехової ємності та аналіз морських випробувань для підсумовування алгоритму гістограми на основі одновекторного гідрофону. Стандартна продуктивність виявлення. Результати комп’ютерного моделювання та дані випробування безехової ємності показують, що алгоритм гістограми досягає співвідношення сигнал/шум, необхідного для автономного стеження. Якщо воно перевищує −7 дБ, похибка пеленгації становить приблизно 8°, а ширина спектру за азимутом −3 дБ становить приблизно 20°. Дані морських випробувань показують, що глибоке море має хороші гідрологічні умови, алгоритм гістограми може досягти повного виявлення цілі та супроводу надводного судна зі швидкістю 8,4 вузла на відстані 13,8 км. Найкраща похибка пеленгації може досягати 5°, а ширина спектру за азимутом −3 дБ може досягати 10° поблизу близького положення.