Метод нахождения координат источника сигнала в подводной

Метод нахождения координат источника сигнала
в подводной среде
Шарабанова А. В.
Шарабанова А. В. Метод нахождения координат источника сигнала в подводной среде
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 (КГП).
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. Положение 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.
Рис. 1. Обозначение сторон и углов
Проекция потока акустической мощности на направление определяется через вектор Умова:
Где
– эффективные значения звукового давления и проекции скорости на направление r,
- разность фаз между давлением и колебательной скоростью.
Восстановим частотный спектр сигнала. Для каждого канала
дискретное преобразование Фурье (ДПФ) на заданной частоте .
проводим
Где
–частота дискретизации,
– оконная функция Хемминга.
После того формируем значения, пропорциональные реактивным составляющим проекций потока
акустической мощности. Эти значения характеризуют часть энергии, передаваемую в пространстве,
собственно поток акустической мощности.
Пеленг на объект горизонтальной области определяется соотношением
Где
i=1, 2 – Номер КГП
Далее находим углы
и
для первого и второго КГП соответственно.
Где
i=1, 2 – Номер КГП
Расстояние между гидроакустическими приемниками найдем, используя их координаты размещения в
пространстве.
Расстояния a и b (от проекции источника на плоскость XY до КГП1 и КГП2 соответственно) найдем по
формулам:
Высоту h от плоскости XY до источника найдем по формуле:
Расстояния
и
находим, используя высоту h и найденные ранее углы
и
Для расчета координат источника сигнала введем декартову систему координат, оси которой будут
пересекаться в точке размещения КГП1. В таком случае, координата источника будет равна расстоянию h
от плоскости XY до источника.
Для вычисления координаты источника сигнала , воспользуемся формулой:
Координату источника
, найдем по формуле:
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
Амплитуда
сигнала, дБ
Угол , °
Угол , °
Угол , °
Угол , °
Сторона a, м
Сторона b, м
x3
y3
z3
Смоделирован
ное значение
Рассчитан
ное
значение
Абсолютная
погрешность
расчета
Относительная
погрешность
расчета, %
109,542
109,127
0,415
0,379
68,199
32,005
41,909
57,544
5,385
9,434
2
5
68
31
42
56
5,215
9,387
1,953
4,835
0,199
1,005
0,091
1,544
0,17
0,047
0,047
0,165
0,292
3,14
0,217
2,683
3,157
0,498
2,35
3,3
6
5,8
0,2
3,3
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
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.