Особенности определения пеленга на подводный объект с использованием фазовой информации дифференциального стереодатчика
Автор: Широков В.А., Баженова А.И., Милич В.Н.
Журнал: Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don) @vestnik-donstu
Рубрика: Информатика, вычислительная техника и управление
Статья в выпуске: 2 т.24, 2024 года.
Бесплатный доступ
Введение. Безопасность судоходства и разработок подводных месторождений полезных ископаемых требуют точного обнаружения различных подводных объектов. В литературе рассматриваются вопросы отслеживания их перемещений и траектории движения. Предлагаются методы гидролокации, обеспечивающие высокую точность позиционирования подводных объектов. Отмечена высокая точность пеленга стереодатчиков с ультракороткой базой. Однако такое оборудование чувствительно к частоте дискретизации сигналов, что вызывает «шум дискретизации». В открытом доступе нет публикаций, посвященных решению этой проблемы. Представленное исследование призвано восполнить данный пробел. Цель работы - изучение возможности получения данных, уточняющих информацию о пеленге подводных объектов за счет использования фазовой информации отраженных зондирующих сигналов и дополнительной процедуры передискретизации исходных данных.Материалы и методы. Местоположение объекта определяли с помощью экспериментального комплекса для исследования гидроакустических датчиков, созданного В.А. Широковым и В.Н. Милич в Удмуртском федеральном исследовательском центре Уральского отделения Российской академии наук. Использовали стереодатчик с малой базой (30 мм) по сравнению с расстоянием до объекта (≈800-900 мм). Для обработки данных применяли методы цифровой фильтрации и математический аппарат корреляционного анализа отраженных гидроакустических сигналов, полученных фазовым методом.Результаты исследования. Представлены итоги сопоставления двух способов определения пеленга на объект: по разности времени прихода передних фронтов импульсов и по максимуму кросс-корреляционной функции (ККФ). Графически показано изменение пеленга при движении объекта. Использование переднего фронта сигнала обусловило небольшие выбросы значений вдоль всей кривой пеленга (менее 0,12 рад). При максимуме ККФ выбросы фиксировались лишь в некоторых областях, но были довольно значительными (около 0,17 рад). Показано, как выбрать точки, соответствующие более гладкой и валидной траектории объекта, и как работать с ошибочными точками. Представленный метод устранения ошибки можно реализовать программно. При квазигармоничном сигнале редкие измерения исходного сигнала интерполируются частыми вычисленными значениями. Благодаря такому виртуальному увеличению частоты дискретизации (передискретизации) можно фиксировать промежуточные показатели в оцифрованных исходных данных. Интерполяция значений сигнала кубическим сплайном позволила получить 20 точек на 1 период сигнала вместо 5 точек в исходном варианте. В этом случае более корректна траектория, сформированная с максимумом ККФ.Обсуждение и заключение. Задачу пеленгации можно решить с точностью, необходимой для практического применения. Учет фактора гладкости и непрерывности траектории движения объекта позволяет качественно корректировать выбор максимума кросс-корреляционной функции сигналов стереодатчика. Предложенные методы обладают большим потенциалом для разработки систем подводного видения.
Определение местоположения объекта в гидросреде, пеленгация фазовым методом, передние фронты импульсов, кросс-корреляционная функция, шум дискретизации
Короткий адрес: https://sciup.org/142241591
IDR: 142241591 | УДК: 681.884 | DOI: 10.23947/2687-1653-2024-24-2-198-206
Features of bearing on underwater object using phase information of a differential stereo sensor
Introduction. Safety of navigation and development of underwater mineral deposits require the accurate detection of various underwater objects. The literature discusses the issues of tracking their motion and trajectory. Sonar methods are proposed to maintain high accuracy of underwater object positioning. High accuracy of the bearing of stereo sensors with an ultrashort base is noted. However, this equipment is sensitive to the sampling rate of the signals, which causes “sampling noise”. There are no publicly available publications dedicated to the solution to this problem. The presented study is designed to fill this gap. This work is aimed to study the possibility of obtaining data clarifying information about the bearing of underwater objects through using the phase information about echoed probing signals and an additional procedure for resampling the source data.Materials and Methods. The location of the object was determined using the experimental complex for studying hydroacoustic sensors created by V.A. Shirokov and V.N. Milich at the Udmurt Federal Research Center, the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. A stereo sensor with a small base (30 mm) was used compared to the distance to the object (≈800-900 mm). Digital filtering methods and mathematical apparatus of correlation analysis of return hydroacoustic signals obtained by the phase method were used for data processing.Results. The results of comparing two methods for determining the bearing on an object are presented: by the difference in the time of arrival of the pulse-leading edges and by the maximum of the cross-correlation function (CCF). The change in bearing as the object moves, is graphically shown. The use of the leading edge of the signal caused small outliers of values along the entire bearing curve (less than 0.12 rad). At the maximum CCF, emissions were recorded only in some areas, but they were quite significant (about 0.17 rad). It showed how to select points corresponding to a smoother and more valid object trajectory, and how to work with erroneous points. The presented method of error correction can be implemented programmatically. With a quasi-harmonious signal, rare measurements of the original signal are interpolated by frequent calculated values. Thanks to this virtual increase in the sampling rate (oversampling), intermediate indicators can be recorded in the digitized source data. Interpolation of the signal values by a cubic spline allowed us to obtain 20 points for 1 period of the signal instead of 5 points in the original version. In this case, the trajectory formed with the maximum CCF is more correct.Discussion and Conclusion. The direction-finding problem can be solved with the accuracy required for practical application. Taking into account the factor of smoothness and continuity of the object's trajectory makes it possible to qualitatively correct the selection of the maximum of the cross-correlation function of the stereo sensor signals. The proposed methods have great potential for the development of underwater vision systems.
Список литературы Особенности определения пеленга на подводный объект с использованием фазовой информации дифференциального стереодатчика
- Meng Joo Er, Jie Chen, Yani Zhang, Wenxiao Gao. Research Challenges, Recent Advances, and Popular Datasets in Deep Learning-Based Underwater Marine Object Detection: A Review. Sensors. 2023;23(4):1990. https://doi.org/10.3390/s23041990
- Андреев М.Я., Охрименко С.Н., Паршуков В.Н., Рубанов И.Л., Козловский С.В., Илларионов А.А. Бистатическая система обнаружения подводной цели (бистатический гидролокатор). Датчики и системы. 2019;233(2):50-56.; Andreev MYa, Ochrimenko SN, Parshukov VN, Rubanov IL, Kozlovsky SV, Illarionov AA. Bistatic System for Searching Underwater Objects (Bistatic Hydrolocator). Sensors & Systems. 2019;233(2):50-56.
- Матвеева И.В., Шейнман Е.Л. Определение текущих координат цели в бистатическом режиме гидролокации при неопределенности оценки пеленга на цель. Гидроакустика. 2017;31(3):9-12.; Matveeva IV, Shejnman EL. Determination of Current Target Coordinates in Bistatic Echo Ranging Mode at Uncertainty of Bearing Estimation. Hydroacoustics. 2017;31(3):9-12.
- Matveeva IV, Sheinman EL, Shkol'nikov IS. Efficiency of Determination of Coordinates and Motion of Sea Objects at Bistatic Location of Moving Observing Systems. Hydroacoustics. 2016;26(2):28-32.; Матвеева И.В., Шейнман Е.Л., Школьников И.С. Эффективность определения координат и параметров движения морских объектов при бистатической локации перемещающихся систем наблюдения. Гидроакустика. 2016;26(2):28-32.
- Арсентьев В.Г., Криволапов Г.И. Позиционирование объектов в гидроакустической навигационной системе с ультракороткой базой. Вестник Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики. 2018;(4):66-75.; Arsent'ev V, Krivolapov G. Positioning of Objects in Hydroacoustic Navigation System with Ultrashort Base. The Herald of the Siberian State University of Telecommunications and Information Science. 2018;(4):66-75.
- Матвиенко Ю.В., Хворостов Ю.А., Кулешов В.П. Особенности применения скалярно-векторных приемников звука в системах контроля подводной обстановки локальных районов. Подводные исследования и робототехника. 2022;42(4):4-15. https://doi.org/10.37102/1992-4429 2022 42 04 01; Matvienko YuV, Khvorostov YuA, Kuleshov VP. Peculiarities of Application of Scalar-Vector Sound Receivers in Systems for Control of Underwear Situation in Local Areas. Underwater Investigations and Robotics. 2022;42(4):4-15. https://doi.org/10.37102/1992-4429 2022 42 04 01
- Terrachiano DS, Costanzi R, Manzari V, Stifani M, Caiti A. Passive Bearing Estimation Using a 2-D Acoustic Vector Sensor Mounted on a Hybrid Autonomous Underwater Vehicle. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2022;47(3):799-814. https://doi.org/10.1109/J0E.2021.3132647
- Yanhou Zhang, Chao Wang, Qi Zhang, Lianglong Da, Zhaozhen Jiang. Bearing-only Motion Analysis of Target Based on Low-Quality Bearing-Time Recordings Map. IET Radar, Sonar & Navigation. 2024;18(5):765-781. https://doi.org/10.1049/rsn2.12519
- Профатилова Г.А., Соловьев Г.Н. Измерение малых углов места фазовым методом в условиях интерференции. ВестникМГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2013;90(1):3-12.; Profatilova GA, Soloviev GN. Low Elevation Measurements Using Phase Method in the Presence of Interference. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Instrument Engineering. 2013;90(1):3-12.
- Каевицер В.И., Кривцов А.П., Смольянинов И.В., Элбакидзе А.В. Частотный метод измерения угловых координат подводного аппарата гидроакустической системой локального позиционирования. Журнал радиоэлектроники. 2021;3:11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.1; Kaevitser VI, Krivtsov AP, Smolyaninov IV, Elbakidze AV. Frequency Method for Measuring the Angular Coordinates of an Underwater Vehicle by a Hydroacoustic System of Local Positioning. Journal of Radio Electronics. 2021;3:11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.1
- Арсентьев В.Г., Криволапов В.И. О характеристиках фазового пеленгатора гидроакустической системы приведения автономного необитаемого подводного аппарата. Вестник Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики. 2021;53(1):23-35. https://doi.org/10.55648/1998-6920-2021-15-1-23-35; Arsent'ev V, Krivolapov G. On the Characteristics of Phase Direction Finder of the Hydroacoustic System Drive for § Delivering Autonomous Uninhabited Underwater Vehicle. The Herald of the Siberian State University of Telecommunications and Information Science. 2021;53(1):23-35. https://doi.org/10.55648/1998-6920-2021-15-1-23-35
- Широков В.А., Милич В.Н. Экспериментальный комплекс для исследования возможностей § использования гидроакустических датчиков в системах подводного видения. Вестник ИжГТУ им. « М.Т. Калашникова. 2021;24(4):54-64. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2021-4-54-64; Shirokov VA, Milich VN. Experimental Complex for Studying the Possibilities of Using Hydroacoustic Sensors in Underwater Vision Systems. Vestnik IzhGTU named after M.T. Kalashnikov. 2021;24(4):54-64. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2021-4-54-64 |
- Арсентьев В.Г., Криволапов Г.И. Гидроакустический фазовый пеленгатор с амплитудно-модулированным ис навигационным сигналом. Вестник Сибирского государственного университета телекоммуникаций и чы информатики. 2021;54(2):14-26. https://doi.org/10.55648/1998-6920-2021-15-2-14-26"; Arsent'ev V, Krivolapov G. Hydroacoustic Phase Direction Finder with Amplitude-Modulated Navigation Signal. The Herald of the Siberian State University of Telecommunications and Information Science. 2021;54(2):14-26. https://doi.org/10.55648/1998-6920-2021-15-2-14-26 о
- Матвиенко Ю.В. Оценка практически достижимой точности современных гидроакустических навигационных и систем с ультракороткой измерительной базой для подводных роботов. Гироскопия и навигация. 2023;31(2): 106-120.; Matvienko YuV. Estimation of the Practically Attainable Accuracy of Modern Ultrashort Baseline Hydroacoustic Navigation Systems for Underwater Robots. Gyroscopy and Navigation. 2023;14(2):166.
- Егоров С.Б., Горбачев Р.И. Определение порогов селекции по уровню и длительности в обнаружителях с нормализованным индикаторным процессом. Морские интеллектуальные технологии. 2020;2(2):144-147. https://doi.Org/10.37220/MIT.2020.48.2.056; Egorov SB, Gorbachev RI. Determination of Level and Time Thresholds for Detectors with Normalized Indicator Process. Marine Intellectual Technologies. 2020;2(2):144-147. https://doi.Org/10.37220/MIT.2020.48.2.056
- Abraham DA. Underwater Acoustic Signal Processing. Modeling, Detection, and Estimation. Cham: Springer; 2019. P. 457-619. https://doi.org/10.1007/978-3-319-92983-5
- Денисов В.П., Дубинин Д.В., Крутиков М.В., Мещеряков А.А. Алгоритм отбраковки аномально больших ошибок пеленгования фазовым пеленгатором. Доклады ТУСУР. 2012;26(2):36-42.
