Аналіз ефективності виявлення цілі для алгоритму віконної гістограми з одним векторним гідрофоном

Аналіз ефективності виявлення цілі для алгоритму гістограми  одновекторного гідрофону 

Алгоритм гістограми одновекторного гідрофону має добру надійність і ефективність оцінки цільового азимута. У цьому документі аналізується та підсумовується ефективність виявлення цілі алгоритму гістограми, а також автономного алгоритму виявлення та відстеження для Запропоновано підводний акустичний перетворювач на основі розрахункового азимута цілі. Комп’ютерне моделювання та результати випробування безехового бака показують, що відношення сигнал/шум, необхідне для алгоритму віконної гістограми для автономного відстеження, повинно бути більше 7 дБ. За цієї умови оцінена похибка азимута та ширина променя 3 дБ становлять приблизно 8 ◦ та 20 ◦ відповідно. Результати морських випробувань показують, що за хороших гідрологічних умов у глибокому морі алгоритм віконної гістограми може досягти виявлення цілі та супроводу надводного корабля зі швидкістю 8,4 вузла в діапазоні 13,8 км. Оптимальна розрахункова азимутальна похибка може досягати 5 ◦ , а ширина променя 3 дБ може досягати близько 10 ◦ на відстані 2 км.

 

Векторний канал векторного гідрофону 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 невеликій підводній платформі, обладнаній акустичними датчиками.

 

Перевага простору. В останні роки з постійним удосконаленням технологія векторних гідрофонних датчиків , векторна технологія обробки сигналів також активно застосовується. Керуючись попитом, вона швидко розвивалася. У порівнянні зі звичайними гідрофонами звукового тиску, векторні гідрофони надають більш повну інформацію про звукове поле. Він може не тільки вимірювати скалярну величину звукового поля, але й отримувати векторні характеристики звукового поля, що значно розширює простір обробки сигналу. Існує багато алгоритмів оцінки азимута цілі на основі одновекторних гідрофонів, але загалом їх можна розділити на дві категорії відповідно до принципу пеленгації: одна — це оцінка азимута на основі потоку звукової енергії; інший полягає в розгляді кожного каналу векторного гідрофону як багатоелементного масиву, кожен п’єзоелемент розташований приблизно в одній і тій же точці простору, 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 векторних гідрофонів мають свої переваги та недоліки. Серед них алгоритм гістограми має кращу надійність і ефективність оцінки цільового азимута, ніж інші алгоритми, і має здатність пригнічувати вузькосмугові та сильні перешкоди лінійного спектру. Це особливо підходить для інженерного застосування. У цій статті аналізується та узагальнюється алгоритм пеленгації гістограми на основі одного векторного гідрофону, а також пропонується автономний алгоритм виявлення та супроводу підводних цілей на основі азимута цілі. 

На рис. 6 представлена ​​крива прапора автономного супроводу цілі з відношенням сигнал/шум відповідно до алгоритму автономного виявлення та супроводу цілі, запропонованого в розділі 1. Прапор супроводу цілі 1 означає, що алгоритм забезпечує супроводження цілі, і це означає, що супроводження цілі не досягнуто. На малюнку 6 видно, що коли відношення сигнал/шум перевищує 7 дБ, алгоритм гістограми може досягти автономного відстеження цілі.

2.2 Аналіз випробувань танка

Щоб оволодіти ефективністю виявлення цілі за допомогою алгоритму гістограми одновекторного гідрофону, продуктивність виявлення цілі одновекторним гідрофоном була виконана в безеховому басейні.

У перевірочному випробуванні UW350 використовувався як ціль джерела звуку під час випробування, а глибина становила 3 ​​метри 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 сигналу становить 60 с, а рівень звукового випромінювання джерела слабкого сигналу розраховується за формулою 20 lg (A1/A2), де A1 і A2 — розмах вихідного сигналу джерела сигналу. Рівень джерела звуку, що випромінює сигнал, можна розрахувати відповідно до відстані між векторним гідрофоном і джерелом звуку, щоб отримати відношення сигнал/шум кожного каналу векторного гідрофону. 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 При 10 мВ, 20 мВ, 25 мВ, 50 мВ, 100 мВ, 1 В і 10 В, широкосмугове середнє відношення сигнал/шум сигналу джерела звуку, отриманого векторним гідрофоном, становить 13 дБ, 7 дБ, 5 дБ відповідно, 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 показана похибка оцінки азимута та ширина спектру по азимуту 3 дБ сигналів відношення сигнал/шум, випромінюваних сімома джерелами звуку за допомогою алгоритму гістограми. Співвідношення збільшується і поступово зменшується. Похибка пеленгації збільшується, коли джерело звуку випромінює шумовий сигнал від піку до піку 10 В порівняно з 1 В від піку до піку. Це відбувається через те, що джерело звуку випромінює сигнал джерела звуку з високим рівнем.

 

 

Акустичний пул неповністю ослаблений у смузі низьких частот і є сильне відбиття поверхні поверхні; коли відношення сигнал/шум становить 7 дБ, похибка пеленгації становить близько 8 ◦, 3 дБ квадрат

Ширина бітового спектру становить близько 23◦; коли відношення сигнал/шум перевищує 1 дБ, похибка пеленгації та ширина спектру за азимутом 3 дБ менші за 4◦ та 19◦ відповідно. На малюнку 10 представлена крива мітки супроводу цілі, розрахована згідно з алгоритмом автономного виявлення та супроводу цілі з інтенсивністю сигналу випромінювання джерела звуку, який можна побачити. Коли відношення сигнал/шум становить 7 дБ, алгоритм гістограми може реалізувати автономне відстеження цільового джерела звуку.

 

2.3 Аналіз морських випробувань

Використовуючи дані з Дані перевірки ефективності виявлення цілей підводного акустичного буя, проведеного в північних водах Південно-Китайського моря в серпні 2019 року, алгоритм гістограми одновекторного гідрофону використовувався для аналізу ефективності виявлення морських цілей. Глибина досліджуваного району моря становить близько 1500 м. Під час випробування погодні умови були сприятливими, а швидкість вітру становила близько 2 рівня. Результати вимірювань термосольового вимірювача глибини на судні показують, що профіль швидкості звуку є рівномірним шаром на глибині 40 м і 40 200 м. Всередині знаходиться основний перехідний шар швидкості звуку, а вісь голосового тракту знаходиться на глибині близько 1000 м. Протягом дня тестування з 12:33 до 14:02 біля підводного акустичного буя під курсом 301° пройшов надводний корабель довжиною 42 м, шириною 6 м і швидкістю 8,4 вузла. У період надводна корабельна і підводна акустика. Відстань буя становить близько 2 км за найменший час і 13,8 км за найдальший час. Діаграма ситуації показана на малюнку 11. На малюнку 12 показано порівняння розрахункових результатів азимута цілі надводного корабля, розрахованого за алгоритмом гістограми, з реальним азимутом. Видно, що алгоритм гістограми може досягати мети надводного корабля протягом усього періоду часу 12:33-14:02.

На рисунках 13 і 14 відповідно показано алгоритм гістограми для похибки пеленгації цілі надводного корабля та криву залежності ширини спектру азимута 3 дБ від часу в період часу 12:33-14:02. Можна побачити, що похибка пеленгації є найкращою. Вона може досягати в межах 5 ◦, а ширина спектру за азимутом 3 дБ може досягати приблизно 10 ◦ поблизу точки близького розташування; крім того, через відхилення підводного положення підводного акустичного буя відстань між надводним кораблем і платформою буя є відносно малою. Похибка пеленгації з часом зростає. 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

У цьому документі запропоновано метод автономного виявлення та відстеження. підводний ультразвуковий датчик і використовує симуляційні розрахунки, випробування безехової ємності та аналіз морських випробувань для підсумовування на основі одновекторної води. Алгоритм гістограми слухача мав стандартну ефективність виявлення. Результати комп’ютерного моделювання та дані випробування безехового басейну показують, що відношення сигнал/шум, необхідне алгоритму гістограми для досягнення автономного відстеження, повинно перевищувати 7 дБ, у цей час похибка пеленгації становить близько 8°, а ширина спектру за азимутом 3 дБ становить близько 20°. Дані морських випробувань показують, що за хороших гідрологічних умов у глибокому морі алгоритм гістограми може досягти повного виявлення та супроводу цілі на відстані 13,8 км для надводного судна зі швидкістю 8,4 вузла, а найкраща похибка пеленгації може досягати 5°. Ширина спектра за азимутом 3 дБ може досягати приблизно 10◦ поблизу найближчої точки розташування.