Метод нахождения координат источника сигнала в подводной среде

Метод нахождения координат источника сигнала в подводной среде Шарабанова А. В.

Шарабанова Анастасия Вадимовна / Sharabanova Anastasia Vadimovna - студент, кафедра систем автоматического управления и контроля,

Национальный исследовательский университет, Московский институт электронной техники, г. Зеленоград

Аннотация: в статье рассматривается метод поиска координат с помощью двух комбинированных приемников. Рассмотрен алгоритм расчета координат при помощи метода триангуляции. Местоположение источника определяется как точка пересечения плоскостей, образованных углами направления на источник. Представлены результаты расчета для отношения сигнал/шум больше единицы. Оценена погрешность результатов.

Ключевые слова: векторно-фазовые методы, комбинированный приемник, триангуляция, поиск координат.

В настоящее время гидроакустическое поле, создаваемое малошумными источниками, имеет в водной среде сложную нестационарную структуру, в результате чего уровень звукового давления в двух точках, разнесенных всего на десяток метров, может различаться в одно и то же время на 30-40 дБ.

В таких условиях большое значение приобретают алгоритмы обработки сигналов, позволяющие по измерениям в ограниченной области пространства определять свойства источника, его координаты и элементы движения с последующей их идентификацией.

Сохраняя габариты приемных систем, Векторно-фазовые методы позволяют увеличить объем акустической информации за счет одновременной регистрации звукового давления и вектора колебательной скорости [1].

Исследуемая приемная система состоит из источника сигнала, аналого-цифрового преобразователя и двух комбинированных гидроакустических приемников (КГЦ).

КГП является измерительным устройством, состоящим из гидрофона и приемника колебательной скорости. Он измеряет одновременно в одной точке акустического поля четыре физические величины: акустическое давление и три ортогональные компоненты вектора колебательной скорости [2].

Для расчета координат используется метод триангуляции. Для его реализации будем использовать азимут и два угла места. Цоложение источника сигнала определится как точка пересечения плоскостей, задаваемых этими углами.

Имеется два КГП с известными координатами, и известна частота тонального источника. Требуется найти координаты источника. Вертикальные оси z КГП направим параллельно. Источник тонального сигнала на заданной частоте единственный. Расстояния до приемника и углы направления на него обозначим, согласно рисунку 1.

Проекция потока акустической мощности на направление определяется через вектор Умова: WRr =< PVr >t= Рэ-Уэ  costpiP, Vr) = ^Re

Где

Рэ, Ц, - эффективные значения звукового давления и проекции скорости на направление г, р (Р - КО - разность фаз между давлением и колебательной скоростью.

Восстановим частотный спектр сигнала. Для каждого канала р (t), vx (t) , vy (t) , vz (t) дискретное преобразование Фурье (ДПФ) на заданной частоте /0.

N-1

п=О

in ^2

— j  sin I 2п  п

Где

-частота дискретизации, wn- оконная функция Хемминга.

проводим

/2  7Г  п

wn = 0.53836 — 0.46164  cos (———

После того формируем значения, пропорциональные реактивным составляющим проекций потока акустической мощности. Эти значения характеризуют часть энергии, передаваемую в пространстве, собственно поток акустической мощности.

1 141

Wx

1

Wy

Wz

Пеленг на объект горизонтальной области определяется соотношением

Где

i=1, 2 - Номер КГП

сpi = arcsin

Wyi

^

Далее находим углы в 1 и в 2 для первого и второго КГП соответственно.

Где

i=1, 2 - Номер КГП

di = arccos

Wzi

Щ

Расстояние между гидроакустическими приемниками найдем, используя их координаты размещения в пространстве.

R = V

Расстояния a и b (от проекции источника на плоскость XY до КГП1 и КГП2 соответственно) найдем по формулам:

R  sin ср2

sin

R  sin <рг

sin

Высоту h от плоскости XY до источника найдем по формуле:

а  sin [тг — вг

h =--------Ц:-----

sin в1

Расстояния и находим, используя высоту h и найденные ранее углы и

D — h

“1 — sin | D — g-e.) h

1(2 — {к „ \

sing-02)

Для расчета координат источника сигнала введем декартову систему координат, оси которой будут пересекаться в точке размещения КГП1. В таком случае, координата источника z3 будет равна расстоянию h от плоскости XY до источника.

Для вычисления координаты источника сигнала х3, воспользуемся формулой:

а2 - Ъ2 + х\

Координату источника , найдем по формуле:

Уз = Ja2 ~

С помощью программной реализации метода для сигнала с добавлением нормально распределенного шума амплитудой 100 дБ, была оценена погрешность расчета алгоритма (таблица 1).

Таблица 1. Оценка погрешности результатов расчета

При отношении сигнал/шум больше единицы, результаты поиска координат источника тонального сигнала в подводной среде с помощью представленного алгоритма имеют максимальную погрешность расчета 3,3 %.

Литература

Смоделирован Рассчитан Абсолютная Относительная

ное значение ное погрешность погрешность

значение расчета расчета, %

Амплитуда сигнала, дБ 109,542 109,127 0,415 0,379

Угол (р -1 , ° 68,199 68 0,199 0,292

Угол р7 , ° 32,005 31 1,005 3,14

Угол вь ° 41,909 42 0,091 0,217

Угол в 2, ° 57,544 56 1,544 2,683

Сторона а, м 5,385 5,215 0,17 3,157

Сторона b,м 9,434 9,387 0,047 0,498

х3 2 1,953 0,047 2,35

у3 5 4,835 0,165 3,3

z3 6 5,8 0,2 3,3

1. Гордиенко В. А. Векторно-фазовые измерения в гидроакустике. - М.: ВНИИФТРИ, 2007. - 451 с.: ил.

2. Щуров В. А. Векторная акустика океана [Текст]. / В. А. Щуров. - Владивосток: Дальнаука, 2003. - 307 с.