مقاله ارایه یک روش جدید پرتوسازی برای سامانه های سوناری

word قابل ویرایش
16 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

ارایه یک روش جدید پرتوسازی برای سامانه های سوناری
چکیده
کشف و تعیین موقعیت موانع و اهداف در محیط زیرآب با استفاده از سامانه های سوناری انجام می شود. سونارها اغلب با مشکل حضور سیگنالهای تداخلی مواجه می شوند. در این شرایط ، راه حل پیشنهادی استفاده از روشهای پرتوسازی است . روشهای بهینه آماری، تحت شرایط وجود اختلال قوی در نزدیکی سیگنال مطلوب عملکرد مطلوبتری نسبت به روشهای معمولی دارند و بصورت هوشمند سعی می کنند تداخلها را حذف نمایند. با اینحال در شرایط وجود خطا، عملکرد روشهای بهینه و هوشمند پرتوسازی با مشکل مواجه می شود.
بطور معمول در سامانه های سونار فضای اطراف با استفاده از روشهای جهت یابی جستجو می شود و مکان (جهت ) منابع سیگنال در محیط مشخص می گردد. در این مقاله یک روش جدید برای پرتوسازی بهینه و مقاوم معرفی شده است که در آن با استفاده از اطلاعات بدست آمده از روشهای جهت یابی ، ماتریس همبستگی فضایی نویز و تداخل بازسازی می شود. بر اساس روش پیشنهادی دو پرتوساز بهینه و مقاوم پیشنهاد شده اند. در پرتوساز اول فرض شده است که در سامانه سونار از روش جهت یابی MUSIC برای تعیین مکان سیگنالها استفاده شده است . در پرتوساز دوم، فرض شده است که در سامانه سونار برای جهت یابی از پرتوساز معمولی استفاده شده است . با استفاده از شبیه سازی در شرایط مختلف عملکرد پرتوسازهای پیشنهادی اول و دوم با برخی پرتوسازهای بهینه و مقاوم مقایسه شده اند. نتایج عملکرد هر دو پرتوساز پیشنهادی به ازای مقادیر مختلف نسبت سیگنال به نویز و با وجود خطا در جهت سیگنال مطلوب و نیز کم بودن تعداد نمونه ها، بهتر از سایر روشها می باشد.
واژههای کلیدی
سونار، پرتوساز مقاوم، ماتریس همبستگی فضایی نویز و تداخل
١- مقدمه
کشف و تعیین موقعیت موانع و اهداف در محیط زیرآب بـا اسـتفاده از سامانه های سـوناری انجـام مـی شـود. سـونارها اغلـب بـا مشـکل حضـور سیگنالهای تداخلی مواجه می شوند. اگر سیگنال مطلوب و تداخل هـا بانـد فرکانسی یکسانی را اشغال کنند، فیلترهای حوزه زمان بتنهـایی قـادر بـه تفکیک سیگنال از تداخل نخواهند بود، هر چنـد کـه سـیگنال مطلـوب و تداخلها از موقعیت های مکانی متفاوتی منتشـر شـده باشـند [١]. در ایـن شرایط راه حل پیشنهادی استفاده از روشهای پرتوسازی (شکل دهی پرتـو) است که در واقع بصورت یک فیلتر فضـایی عمـل مـی کننـد[٢]. روشـهای پرتوسازی زمانی عملکرد مناسبی در برابر تداخل دارنـد کـه بتواننـد بطـور هوشمند آن را حذف کنند. روشـهای پرتوسـازی روی آنـتن هـای آرایـه ای اعمال می شوند. آنتن های آرایه ای در حوزه سـونار مجموعـه ای از مبـدلهای آکوستیکی هستند که با چیـدمان و هندسـه مشخصـی در کنـار هـم قـرار گرفته اند.
روشهای پرتوسازی را می توان به دو دسته روشهای معمولی (CBF) و بهینه آماری تقسیم بندی نمود. روش کاپون[٣] یا MVDR معروفترین روش پرتوسازی بهینه آماری است . در این روش نیاز است که ماتریس همبستگی فضایی نویز و تداخل معلوم باشد. در عمل این ماتریس معلوم نمی باشد و از ماتریس همبستگی نمونه [۴] استفاده می شود. ماتریس همبستگی نمونه از داده های دریافتی تخمین زده می شود.
روشهای بهینه آماری، تحت شرایط وجود اختلال قوی در نزدیکی سیگنال مطلوب عملکرد مطلوبتری نسبت به روشهای معمولی دارند و بصورت هوشمند سعی می کنند تداخلها را حذف نمایند. مقاوم نبودن نسبت به خطا و زیاد بودن حجم محاسبات روشهای بهینه آماری می تواند استفاده از آنها را در عمل با مشکل مواجه نماید. استفاده از روشهایی مانند تجزیه آرایه [۵] که باعث کاهش حجم محاسبات می شود و همچنین پیشرفت در زمینه پردازنده های سریع و چند هسته ای، پیاده سازی روشهای بهینه آماری را در سامانه های سوناری امکانپذیر نموده است .
بااینحال باید توجه داشت بخصوص هنگامیکه سیگنال مطلوب نیز در دادههای دریافتی وجود داشته باشد، افت عملکرد روشهای بهینه در شرایط وجود خطا می تواند بسیار زیاد باشد. در طول دو دهه گذشته روشهای مختلفی برای افزایش مقاومت پرتوسازهای بهینه آماری مطرح شده اند.
روش بارگذاری قطری ماتریس همبستگی فضایی و سپس استفاده از آن در پرتوساز کاپون(LMVDR) یکی از معروفترین این روشها می باشد. استفاده از این روش باعث افزایش مقاومت پرتوساز در برابر انواع خطاها می شود. با این حال انتخاب یک مقدار مناسب برای بارگذاری کار ساده ای نیست . در روش LCMV از شرطهای خطی برای مقاوم سازی پرتوساز در برابر خطای جهت استفاده می شود[۶]. این شرطها باعث افزایش پهنای باند در اطراف جهت پرتو می شود. روش معروف دیگر استفاده از پرتوسازهای مبتنی بر EIG) می باشد[٧و٨]. در این روش می بایست ابعاد زیرفضای فضای ویژه(نویز مشخص باشد. این روش زمانی که نسبت سیگنال به نویز به اندازه کافی زیاد باشد، عملکرد مطلوبی دارد [٩]. در روش MXMR بردار جهت دهی بصورت یک بردار تصادفی با آمارگان مرتبه دوم در نظر گرفته شده است . میانگین برابر با بردار جهت دهی ایدهآل و مقدار واریانس بیانگر میزان خطا در در بردار جهت دهی می باشد[١٠].
در سالهای اخیر روشهای جدیدی بر مبنای بازسازی ماتریس همبستگی نویز و تداخل ارایه شدهاند. این روشها نسبت به روشهای سنتی مقاوم سازی عملکرد بهتری دارند. در [١١] بازسازی ماتریس همبستگی نویز و تداخل با استفاده از مکان صفرها در الگوی پرتو ایجاد شده با روش کاپون انجام می شود. در این روش توان تداخلها معلوم نیست و مکان صفرها لزوما به معنای وجود تداخل نیستند و در نتیجه این روش عملکرد مطلوبی ندارد.
در [١٢] از توزیع طیف فضایی در همه جهت های ممکن برای بازسازی ماتریس همبستگی نویز و تداخل استفاده شده است . برای بدست آوردن طیف فضایی از پرتوساز کاپون استفاده شده است . این روش بار محاسباتی بسیار زیادی دارد زیرا در همه جهت ها باید پرتو شکل دهی شود.
در سامانه های سونار ابتدا کل فضای اطراف جستجو می شود و مکان منابع سیگنال در محیط مشخص می گردد و سپس برای دریافت سیگنال از یک مکان مشخص می توان از شکل دهی پرتو استفاده کرد. در روش پیشنهادی، ماتریس همبستگی فضایی نویز و تداخل با استفاده از اطلاعات مربوط به مکان سیگنالها بازسازی می شود و عملکرد آن در شرایط مختلف بررسی و با دیگر روشها مقایسه می شود.
در روش پیشنهادی فرض شده است که در سامانه سونار از روش پرتوسازی معمولی یا روش جهت یابی MUSIC [١٣] برای تعیین مکان تداخلها استفاده شده است . به علت کم بودن بار محاسباتی و مقاومت ذاتی روشهای پرتو سازی معمولی استفاده از این روش برای جستجوی محیط اطراف روش مناسبی می باشد. در مورد روش MUSIC درست است که بار محاسباتی آن نسبتا زیاد است با این حال توانایی تفکیک بسیار خوبی دارد.
۲- مروری بر روشهای پرتوسازی بهینه و مقاوم
فرض می کنیم یک آرایه دلخواه با M عنصر داشته باشیم . بردار مجموع سیگنالها و نویز دریافتی در هر بین فرکانسی را می توان بصورت رابطه (١) نوشت .

S بیانگر سیگنال مطلوب، i بیانگر تداخل (ها) و n بیانگر نویز می باشد. با فرض اینکه سیگنال، تداخل و نویز ناهمبسته باشند می توان ماتریس همبستگی را بصورت رابطه (٢) نوشت .

در این رابطه Vs بردار هدایت و مقدار توان سیگنال مطلوب می باشد.
عملگر مزدوج ترانهاده مختلط با نشان داده شده است . R+n بیانگر ماتریس همبستگی نویز و تداخل می باشد. y بیانگر خروجی پرتوساز است که آنرا می توان بصورت رابطه (٣) بیان نمود.

بردار ضرایب پرتوساز w می باشد. برای یک پرتوساز معمولی w برابر با بردار هدایت سیگنال مطلوب می شود.

نسبت توان سیگنال به نویز و تداخل را می توان بصورت رابطه (۵) نوشت .

بطور معمول پرتوسازهای بهینه بر اساس بیشینه کردن نسبت توان سیگنال به نویز و تداخل بدست آورده می شوند. بردار ضرایب پرتوساز MVDR از رابطه (۶) قابل تعیین می باشد.

در این رابطه ماتریس همبستگی فضایی نویز و تداخل معلوم نمی باشد و بطور معمول از ماتریس همبستگی نمونه استفاده می شود. این ماتریس با استفاده از داده های دریافتی تعیین می شود.

در رابطه (٧) L تعداد نمونه هایی است که برای تعیین ماتریس همبستگی نمونه از آنها استفاده شده است . استفاده از این ماتریس به جای ماتریس همبستگی نویز و تداخل ممکن است در صورت وجود خطا باعث افت عملکرد شدید پرتوساز بهینه شود، بخصوص هنگامیکه سیگنال مطلوب نیز در داده های دریافتی وجود داشته باشد یا اینکه تعداد داده ها برای تعیین ماتریس همبستگی نمونه محدود باشد.
برای حفظ عملکرد پرتوساز در برابر خطاهای مختلف روشهای مقاوم پرتوسازی مطرح شدهاند. بارگذاری قطری ماتریس همبستگی نمونه یکی از روشهایی است که باعث افزایش مقاومت پرتوساز در برابر خطاهای مختلف می شود. ماتریس همبستگی بارگذاری شده را می توان بصورت رابطه (٨) نوشت .

در این رابطه μ بیانگر مقدار بارگذاری قطری و I ماتریس یکه می باشد.
مسایل مختلفی مطرح شدهاند که حل آنها در نهایت به بارگذاری قطری ماتریس همبستگی نمونه می رسد. برای تعیین مقدار بارگذاری قطری روشهای مختلفی مطرح شده اند. در [١۴] بیان شده است که مقدار بارگذاری قطری را می توان ده برابر کوچکترین مقدار ویژه ماتریس همبستگی نمونه انتخاب کرد. بردار ضرایب پرتوساز LMVDR که از ماتریس همبستگی بارگذاری شده در آن استفاده می شود بصورت رابطه (٩) می باشد.

LCMV از شرطهای خطی برای مقاوم سازی پرتوساز در در روش برابر خطای جهت سیگنال استفاده می شود.

در رابطه (١٠) ماتریس C یک ماتریس M×S است که از S شرط خطی تشکیل شده است و b نیز بردار پاسخ می باشد. بردار ضرایب این روش از رابطه (١١) بدست می آید.

پرتوساز مبتنی بر فضای ویژه از تجزیه ویژه ماتریس همبستگی نمونه استفاده می کند.

ماتریس U1 شامل ۱+q عدد بردار ویژه زیرفضای سیگنال مطلوب و تداخل است و ماتریس قطری Σ شامل مقدارهای ویژه متناظر با آنها است .
ماتریس U2 نیز شامل عدد بردار ویژه زیرفضای نویز می باشد و ماتریس قطری Σ نیز شامل مقادیر ویژه متناظر با این بردارها می باشد. در این روش ابعاد زیرفضاها می بایست معلوم باشند. بردار ضرایب این پرتوساز از رابطه (١٣) بدست می آید.

در روش MXMR بردار هدایت بصورت یک برد ار تصادفی با آمارگان مرتبه دوم در نظر گرفته شده است . مقدار میانگین با m و مقدار واریانس با نشان داده شده است . میانگین برابر با بردار جهت دهی مفروض و مقدار واریانس بیانگر میزان خطای ممکن در بردار جهت دهی می باشد.

در این روش با فرض اینکه U یک حد بالا برای اندازه سیگنال باشد یعنی بردار ضرایب بصورت رابطه (١۵) بدست می آید. در عمل U را می توان با استفاده از پرتوساز معمولی بدست آورد.

پرتوساز مطرح شده در [٩] بر مبنای بازسازی ماتریس همبستگی نویز و تداخل ارایه شده است . در این روش از توزیع طیف فضایی در همه جهت های ممکن برای بازسازی ماتریس همبستگی نویز و تداخل استفاده شده است . برای بدست آوردن طیف فضایی از پرتوساز کاپون استفاده شده است .

برای بازسازی ماتریس همبستگی نویز و تداخل از رابطه (١٧) استفاده شده است .

شامل مکانهایی است که سیگنال مطلوب ممکن است در آنها قرار گیرد و بطور معمول نواحی نزدیک به جهت اعلام شده برای سیگنال را شامل می شود. شامل کلیه مکانها غیر از می باشد. باید توجه داشت در عمل نمی توان با انتگرالگیری روی کلیه نقاط، ماتریس همبستگی بازسازی شده را بدست آورد و تنها می توان با استفاده از تعداد نقاط محدودی از فضا، آنرا تعیین نمود. بردار ضرایب پرتوساز با استفاده از این ماتریس بصورت رابطه (١٨) می باشد.

۳- روش پیشنهادی
در سامانه های سونار فضای اطراف جستجو می شود و مکان منابع سیگنال در محیط مشخص می گردد. در این سامانه ها یا با استفاده از روشهای پرتوسازی و یا با استفاده از روشهای خاص جهت یابی مانند MUSIC مکان منابع سیگنال مشخص می شود. در روش پیشنهادی سعی شده است از این اطلاعات مربوط به مکان سیگنالها در محیط ، برای تشکیل پرتوساز مقاوم استفاده شود.
با فرض اینکه کلیه سیگنالها و نویز محیط ناهمبسته باشند می توان ماتریس همبستگی نویز و تداخل را بصورت رابطه (١٩) بیان نمود.

در حالت کلی می توان گفت که در رابطه (١٩) مقادیر توان نویز تعداد تداخلها q ، توان هریک از تداخلها و بردار جهت دهی آنها vi مجهول می باشند. برای بازسازی این ماتریس لازم است این مقادیر تخمین زده شوند. واضح است که با دانستن مکان سیگنالها می توان مقادیر vi و q را تخمین زد. تخمین q با ˆq نشان داده می شود و ١+ ˆq برابر با تعداد کل منابع سیگنال می باشد. جهت مربوط به سیگنال نیز از جهت تداخلها قابل جداسازی می باشد زیرا منطقی است که فرض کنیم جهت واقعی سیگنال در نزدیکی جهت مفروض آن قرار دارد. با داشتن جهت مربوط به تداخلها و مشخص بودن هندسه آرایه می توان viˆ ، که تخمینی از vi می باشد، را تعیین نمود. در ادامه مطالب ، روش تخمین توانهای نویز و تداخلها در دو پرتوساز پیشنهاد شده در این مقاله نیز بیان می گردد. در پرتوساز پیشنهادی اول که بر پایه روش پیشنهادی در [١۵] می باشد، فرض شده است که در سامانه سونار از روش جهت یابی MUSIC برای تعیین مکان سیگنالها استفاده شده است . این روش توانایی تفکیک بسیار خوبی دارد. البته بار محاسباتی این روش نسبتا زیاد است ولی با پیشرفتهای حاصل شده در خصوص پردازشگرهای دیجیتال، بکارگیری و پیاده سازی این روش یا روشهای مشابه آن در سامانه های سوناری امکان پذیر شده است . در این روش از تجزیه مقدار ویژه ماتریس همبستگی نمونه استفاده می شود و بنابراین مقادیر ویژه این ماتریس نیز مشخص می باشند.
بزرگترین مقدار ویژه را می توان به عنوان تخمینی از توان کلیه تداخلها در نظر گرفت . یعنی فرض شده است توان کلیه تداخلها یکسان باشند. در اینصورت پرتوساز سعی می کند بطور یکسان روی کلیه تداخلها min…نیز به عنوان تخمینی از توان صفر ایجاد کند. کوچکترین مقدار ویژه نویز در نظر گرفته می شود. با توجه به آنچه که بیان شد می توان ماتریس همبستگی نویز و تداخل را بازسازی نمود.

بردار ضرایب پرتوساز پیشنهادی اول بصورت رابطه (٢١) تعیین می شود.

در پرتوساز پیشنهادی دوم، فرض شده است که در سامانه سونار برای جهت یابی از پرتوساز معمولی استفاده شده است . در این حالت ابتدا توزیع طیف فضایی با استفاده از پرتوساز معمولی تعیین می شود و سپس مکان سیگنالهای موجود در محیط از روی این طیف فضایی مشخص می شود.
کم بودن بار محاسباتی و مقاومت ذاتی روشهای پرتوسازی معمولی از مزیتهای این روش می باشند. البته باید توجه داشت حد تفکیک زاویه سنجی این روش نسبت به روش MUSIC بسیار کمتر می باشد.
در این روش بیشترین مقدار طیف فضایی در خارج از ناحیه مربوط به سیگنال مطلوب pmax به عنوان تخمینی از توان کلیه تداخلها در نظر گرفته شده است . مانند پرتوساز پیشنهادی اول در اینجا هم فرض شده است توان کلیه تداخلها یکسان باشند. کمترین مقدار طیف فضایی در خارج از ناحیه مربوط به سیگنال مطلوب pmin به عنوان تخمینی از توان نویز در نظر گرفته شده است .

بردار ضرایب پرتوساز پیشنهادی دوم بصورت رابطه (٢٣) تعیین می شود.

۴- مطالعات شبیه سازی
در این قسمت با استفاده از شبیه سازی عملکرد روشهای پرتوسازی در شرایط مختلف بررسی و با دیگر روشها مقایسه می شود. برای شبیه سازی از یک آرایه خطی یکنواخت شامل ١٠ عدد مبدل همه جهتی استفاده شده است که فاصله آنها نصف طول موج است .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 16 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد