بخشی از مقاله
چکیده
تشخیص و دنبال کردن هدف، یکی از بخشهای عمده در سیستمهای نظیر سیستم نظارتی، امنیتی و نظامی برای جلوگیری از برخورد کردن به موانع در آب یا فضا میباشد. در تشخیص هدف زیرآب با توجه بهسرعت کم انتشار امواج آکوستیکی در زیرآب و از طرفی سیگنالهای نویز ناخواسته ناشی از عوامل محیطی و سروصدای کشتیها، مسئله تشخیص و ردیابی دشوار است.
در این مقاله با استفاده از سونار غیرفعال، به تشخیص چندهدف رویدادهای آکوستیکی زیرآب پرداختهشده است که این عمل بر اساس پردازش سیگنالهای آکوستیکی زیرآب، ساطعشده از هدف میباشد. سیگنال آکوستیکی پس از ساطع شدن از هدف، با نویز پسزمینه ترکیب و به کمک الگوریتم تشخیص چندهدف صافی موجکی شبیهسازیشده است.
مقدمه ردیابی غیرفعال:
امروزه سیستمهای سونار درزمینههای مختلف نظامی و غیرنظامی بکار میرود و اهمیت آنها در مسائل حفاظتی به گونه-ایی است که جزو سیستمهای استراتژیک هر کشور محسوب میشوند. جستجو و ردیابی اهداف ازجمله وظایف اصلی این سیستمها محسوب میشود. در سیستمهای سونار مهمترین مسئله پس از دریافت سیگنال شناسایی هدف است که برمبنای پردازش دادههای دریافتی و بهمنظور آشکارسازی وجود هدف و استخراج اطلاعاتی در مورد آن انجام میشود
برای آشکارسازی و ردگیری اهداف نیاز به یک سری ابزار جهت اندازهگیری خصوصیات حرکتی هدف میباشد که میتوان از سونار بهعنوان یکی از ابزارهای قوی جهت ردیابی اهداف زیرآب نام برد. واژه سونار مخفف عبارت Sound Navigation And Ranging بوده و به معنای فاصلهیابی و ناوبری با صوت میباشد و تعریف علمی آن عبارت است ازسیستمی که در آن از انرژی انتشاریافته یا منعکسشده - بهصورت امواج آکوستیکی - در زیرآب بهمنظور آشکار ساختن اهداف و اجسام از راه دور، تعیین فاصله، جهت و موقعیت آنها، ردیابی و ارتباطات استفاده میگردد. سونار چشم زیردریایی، در فضاهای تاریک دریاها و اقیانوسهاست و زیردریایی بدون برخورداری از آن نسبت به محیطی که در آن شناور استکاملاً بیاطلاع میباشد؛ بنابراین سونار مهمترین سیستم ناوبری شناورهای سطحی و زیرسطحی میباشد چراکه به کمک آن نهتنها هدایت و کنترل شناورها انجام میپذیرد بلکه امکان آشکارسازی و ردیابی موانع و اهداف نیز فراهم میگردد. در یک تقسیمبندی کلی سونارها، شامل دو نوع متفاوت می-باشد که عبارتاند از:
الف- سونار فعال
ب- سونار غیرفعال
در سونار فعال، جهت آشکارسازی و ردیابی اهداف به ترتیب ارسال امواج، بازگشت انعکاس از هدف و آشکارسازی انجام میشود، درصورتیکه در سونارهای غیرفعال تنها از تحلیل، بررسی و پردازش امواج صادرشده از اهداف زیرآب جهت آشکارسازی و ردیابی استفاده میشود. نکته قابلتوجه در سونارها، استفاده از امواج آکوستیکی - که از جنس امواج مکانیکی میباشند - ، جهت آشکارسازی و ردیابی اهداف زیرآب میباشد.
درحالیکه در رادارها از امواج الکترومغناطیسی استفاده میشود بهصورت عمده علت عدم استفاده از امواج الکترومغناطیسی برای عملیات ارسال و دریافت زیرآب ومتعاقباً آشکارسازی و ردیابی اهداف، میرا شدن فوقالعاده سریع این امواج در زیرآب میباشد. به طور کلی کار یک سیستم تشخیص و ردگیری استخراج اطلاعات دقیق مربوط به اهداف از روی دادههای نویزی غیردقیق میباشد. روند به این صورت است که در ابتدا هیچ اطلاعاتی در مورد هدف در دسترس نمیباشد، اولین پردازش بر روی دادههای دریافتی، پردازش آشکارسازی هدف برای تصمیم گیری بین دوفرضیه وجود و یا عدم وجود هدف میباشد.
دیدگاه کلاسیک برای طراحی آشکارساز بر مبنای صافی است که نسبت سیگنال به نویز خروجی را بیشینه میکند و دیدگاه دیگر برمبنای کمینه کردن احتمال خطا میباشد که برای این منظور آزمونهای متعددی وجود دارد. بههرحال در طراحی آشکارساز بهینه نوع فرضیاتی که برای سیگنال و تداخل بکار میرود تاثیر بهسزایی دارد. ردیابی ودستهبندی کارکرد سیگنالهای سونار، بهخصوص سیستم سونار غیرفعال یکی از زمینههای چالشبرانگیز میباشد. در سیستمهای سونار غیرفعالمعمولاً به علت نویزی بودن محیط نسبت سیگنال به نویز کم - -15db - میباشد
یکی از روشهای مناسب پردازشی سونار در دوره کلاسیک، پردازش میدان تطبیقی - MFP - میباشد که در ابتدا برای پردازش سیگنال سونار طراحیشده بود اما بعد از مدتی به برنامههای کاربردی رادار انتقال پیدا کرد و در آنجا مورداستفاده قرار گرفت
روش دیگر در این زمینه، بر اساس مدل مخفی مارکوف - HMM - با الهام از پردازش گفتار میباشد که بهمنظور تشخیص نویز از اهداف در سیستمهای سونار مورداستفاده قرارگرفته است
ایده اصلی در این کار، تعیین شباهتهای میان سیگنالهای تشخیص داده که در طول پردازش تقویت و نویز جداسازی شده از آن بهعنوان سیگنال جدید در نظر گرفته میشود. در برخی از مطالعات خاص سیستمهای سونار باید از دادههای واقعی استفاده شود که این کاری پرهزینه و زمانبر میباشد، به همین دلیل از داده-های شبیهسازیشده استفاده میشود. در ]بابایی,[1394 از صافی موجکی به منظور تشخیص تک هدف سیگنالهای آکوستیک استفاده شد که این نوع صافی موجکی دارای عملکرد مناسبی برای تشخیص و ردیابی میباشد.
روشهای پردازش:
در سیستمهایی که با پردازش سیگنال آکوستیک زیرآب سرکار دارند معمولاً سیگنال محیط توسط گیرندهای که هیدروفون نام دارد، دریافت و تبدیل به سیگنال الکتریکی میشود، این سیگنال میتواند به طریق دیجیتال پردازش میشود. در این مقاله روشهایی را معرفی خواهیم کرد که بیشترین کارایی را داشته باشند و در چند سال اخیر موردتحقیق و پژوهش بوده است و در ادامه موردبحث قرار میگیرند:
تبدیل فوریه
تبدیل فوریه هر سیگنال را به یک سری توابع نمایی مختلط با فرکانسهای متفاوت تجزیه میکند.
بنابراین کاری که درواقع صورت میگیرد، ضرب سیگنال اصلی در یک عبارت مختلط است که شامل سینوسها و کسینوسهای فرکانس f میباشد، سپس این حاصلضربها باهم جمع میشوند. اگر حاصلضرب مقدار بزرگی بود، میتوان گفت که سیگنال x - t - ، در فرکانس f دارای یک جز طیفی غالب است. بدین معناست که سیگنال f قسمت عمدهای از سیگنال را تشکیل داده است. اگر این رابطه صفر شد،یعنی سیگنال اصلاً دارای فرکانس f نیست.
