Adaptiv støykansellering av egenstøy på sonar

Abstract

Denne hovedfagsoppgaven er basert på et reelt problem ved den parametriske sonaren på Forsvarets Forskningsinstitutts forskningsskip H. U. Sverdrup. Sonarens mottakende frekvensområde 500-5000Hz er overlagret med frekvenskomponenter fra skipets egenstøy. Problemet er av en slik art at frekvensområdet 500-1000Hz nå er filltrert bort før signalprosesseringen i sonaren. Det er ønskelig åredusere støykomponentene i dette frekvensområdet, fordi informasjonen som ligger der er spesielt interessant. For å løse problemet er det tatt utgangspunkt i adaptive støykanselleringsteknikker. Utgangen av filteret i støykanselleringssystemet er et estimat av støykomponentene. Dette blir trukket fra sonarsignalet, og man får et forbedret sonarsignal med reduserte støykomponenter. 3 adaptive algoritmer basert på 2 filterstrukturer er valgt ut for evaluering på bakgrunn av et sett kriterier; minste midlere kvadrats metode og transversalt filter (LMS),rekursiv minste kvadrats metode og transversalt filter (RLS) og gradient adaptiv gitter metode og gitterfilter (GAL). For å få en grunnleggende forståelse av algoritmenes fordeler og ulemper, er utledningen av disse algoritmene vist. En adaptiv støykansellerer er avhengig av godt samsvar (korrelasjon) mellom referansesignal og støy i primærsignal. Derfor er det utført målinger ombord på H. U. Sverdrup for å finne en plassering av referanseføleren som tilfredstiller et slikt krav. En plassering av referanseføleren ble funnet, der støykomponentene viste høy korrelasjon med støyen i sonarsignalet (primærsignalet). Opptak av signalene med tanke på senere simuleringer ble også gjort. Filtersimuleringene med de tre algoritmene er gjort på kunstige og reelle data. Simuleringene på kunstige stasjonære data ble utført for å sammenligne algoritmene og bekrefte de teoretiske forhold fra litteraturen. Simuleringene ble utført med forskjellig filterorden og konvergeringsfaktor. Det ble vist at RLS hadde meget rask konvergensrate, og LMS og GAL algoritmene hadde omtrent like gode konvergensegenskaper. Med bakgrunn i litteraturen kunne man forvente at GAL algoritmen ville konvergere raskere enn LMS algoritmen. Med det gitte støysignalet, en sinuskomponent, viste det seg imidlertid at LMS algoritmen hadde optimale konvergensegenskaper, tilnærmet lik egenskapene til GAL algoritmen. Simuleringene med reelle data ble utført med signaler fra opptakene på H. U. Sverdrup. Det ble vist i simuleringene at forskjellene mellomalgoritmene ble mindre ved reelle signaler. LMS algoritmen hadde like bra, om ikke bedre, egenskaper enn de andre algoritmene ved reelle ikke-stasjonære signaler. Alle algoritmenes støykansellering hadde en positiv effekt på sonarsignalet; støyen ble redusert og det ønskede signalet fra returnert bunnekko ble tydeligere. Andre egenskaper, slik som kompleksitet og stabilitet ble diskutert, og LMS algoritmen ble foreslått valgt til videre arbeid på bakgrunn av denne vurderingen. Til slutt er det gitt et forslag til implementering av det adaptive støykanselleringssystemet, med vekt på forståelse og vurdering av aktuelle digitale signalprosessorer. Det er vist at den adaptive støykanselleringsprosessen holder seg innenfor tiden bestemt av samplingsintervallet.