CC BY
97
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(PV;)
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)
/2 ■ 7Г ■ п
wn = 0.53836 — 0.46164 ■ cos (———
(3)
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(f0)=-Re(P(f0)-v;(f0)) У)
1 (5)
Wy(f0)=-Re(P(f0)-v;(f0))
Wz(f0)=^Re(P(f0)-V;(f0)) (6)
Пеленг на объект горизонтальной области определяется соотношением
Где
i=1, 2 - Номер КГП
сpi = arcsin
Wyi(fo)
^(/о) + И^СГо)
(7)
Далее находим углы в 1 и в 2 для первого и второго КГП соответственно.
Где
i=1, 2 - Номер КГП
di = arccos
Wzi(f0)
Щ(Го) + Wytifo) + Wz2i(fo)
(8)
Расстояние между гидроакустическими приемниками найдем, используя их координаты размещения в пространстве.
R = V(x2 - xj2 + (y2 - yi)2 + (z2 - zj2 (9)
Расстояния a и b (от проекции источника на плоскость XY до КГП1 и КГП2 соответственно) найдем по формулам:
R ■ sin ср2
sin(7r - ср2 - срг)
R ■ sin <рг
sin(7r - ср2 - срг)
Высоту h от плоскости XY до источника найдем по формуле:
а ■ sin [тг — вг
h =--------Ц:-----
sin в1
(10)
(Н)
(12)
Расстояния и находим, используя высоту h и найденные ранее углы и
D — h (13)
“1 — sin | D — g-e.) h (14)
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
(15)
(16)
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.
