CN103809183B - 一种多制式水下双向超声制导系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于目标识别技术领域，并公开了一种用于对水下物体进行探测和识别的多制式水下双向超声制导系统，其包含用于产生水下探测信号的超声波发生器，该系统还包括特征频率确定单元、存储单元、响应频率接收单元和信号处理单元，各组件分别用于确定特定目标的特征频率、存储该特征频率、接收探测到的水下物体对水下探测信号的响应频率以及根据特征频率与响应频率的比对结果确定探测到的水下物体是否为特定目标。本发明中，特征频率可反映某一特定目标的专有信息，因此通过响应频率与特征频率的相符性比对可提高利用超声在水下进行探测和识别时的准确性及可靠性；同时频率比对的灵敏度更高，可降低距离对识别的准确性的限制。

Description

一种多制式水下双向超声制导系统及方法

技术领域

本发明属于目标识别技术领域，并涉及一种水下超声制导系统。更具体地，本发明涉及一种多制式水下双向超声制导系统及方法。

背景技术

随着人类海洋活动的日趋频繁，水下目标识别在国民经济和军事上的重要作用越来越受到人们的关注。超声波由于在水中具有良好传播特性，成为应用于水下目标识别的一项重要技术手段，其对水下物体的响应音频频率和响应成像视频频率具有积极的物理扫描电子显现效果。目前，超声技术已广泛应用于民用沉船的打捞、鱼群跟踪捕捞、海底矿藏探测与开采、海上航道的测绘、沿岸港口的疏通以及应用于军用水下潜艇的搜索与追踪，在检测性能方面取得一定发展。

但是，由于超声信号在水中随着传播距离增加衰减增大，超声传播的视频频率信号因距离过远而无法满足视频成像需求、传播的音频频率信号因距离过远而无法准确反映原声，上述局限均影响了超声技术对距离较远的目标进行识别的准确性与速度。因此在实际工作中，随着距离的增加，超声信号对目标进行准确判断的困难程度也不断增加，目标判定效率也随着距离增大而不断下降。就现有技术而言，距离长短已成为限制超声信号在水下对目标进行搜索与识别的主要技术障碍。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中超声信号在水下对物体进行探测和识别时受距离长短影响导致识别的准确性与速度下降的缺陷，提供一种识别准确可靠、识别效率高且应用距离较长的多制式水下双向超声制导系统及方法。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案得以实现：提供一种多制式水下双向超声制导系统，所述系统包含用于产生水下探测信号的超声波发生器，其中，所述系统还包括：

特征频率确定单元，用于确定特定目标的特征频率；

存储单元，用于存储所述确定的特定目标的特征频率；

响应频率接收单元，用于接收探测到的水下物体对所述水下探测信号的响应频率；以及

信号处理单元，用于根据所述特征频率与所述响应频率的比对结果确定探测到的所述水下物体是否为所述特定目标。

在上述多制式水下双向超声制导系统中，所述特征频率确定单元确定特定目标的特征频率包括：

接收水上探测器确定的所述特定目标的第一特征频率；

接收水下探测器确定的所述特定目标的第二特征频率；以及

对所述第一特征频率与所述第二特征频率进行混频，确定所述特定目标的特征频率。

在上述多制式水下双向超声制导系统中，所述水上探测器为卫星和/或雷达，所述水下探测器为声纳。

在上述多制式水下双向超声制导系统中，所述信号处理单元根据所述特征频率与所述响应频率的比对结果确定探测到的所述水下物体是否为所述特定目标包括：

对所述特征频率与接收到的所述响应频率进行混频检索，识别接收到的所述响应频率并判断所述响应频率与所述特征频率是否相符；

若是，则锁定所述响应频率并据此确定所述特定目标的制导频率；否则，继续由所述超声波发生器发出水下探测信号进行探测。

在上述多制式水下双向超声制导系统中，所述系统还包含以所述制导频率对探测到的水下物体进行追踪的目标追踪单元。

在上述多制式水下双向超声制导系统中，所述响应频率为所述水下物体的音频频率和/或视频频率，所述制导频率为所述特定目标的音频频率和/或视频频率。

根据本发明的另一方面，提供一种多制式水下双向超声制导方法，其中，所述方法包括以下步骤：

S1、确定特定目标的特征频率；

S2、存储所述确定的特定目标的特征频率；

S3、产生水下探测信号，对所述水下物体进行探测；

S4、接收探测到的水下物体对所述水下探测信号的响应频率；以及

S5、根据所述特征频率与所述响应频率的比对结果确定探测到的所述水下物体是否为所述特定目标。

在上述多制式水下双向超声制导方法中，所述步骤S1包括以下子步骤：

S11、接收水上探测器确定的所述特定目标的第一特征频率；

S12、接收水下探测器确定的所述特定目标的第二特征频率；以及

S13、对所述第一特征频率与所述第二特征频率进行混频，确定所述特定目标的特征频率。

在上述多制式水下双向超声制导方法中，所述步骤S5包括以下子步骤：

S51、对所述特征频率与接收到的所述响应频率进行混频检索，识别接收到的所述响应频率并判断所述响应频率与所述特征频率是否相符；若是，则执行步骤S52，否则，返回执行步骤S3；

S52、锁定所述响应频率并据此确定所述水下物体的制导频率。

在上述多制式水下双向超声制导方法中，所述方法还包括以所述制导频率对探测到的水下物体进行追踪。

实施本发明可以获得以下有益效果：特征频率可反映某一特定目标的专有信息，因此通过响应频率与特征频率的相符性比对可提高利用超声进行水下探测和识别时的准确性及可靠性；同时频率比对的灵敏度更高，可降低距离对识别准确性的限制。附图说明

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。附图中：

图1是本发明的实施例1的多制式水下双向超声制导系统的示意图；

图2是本发明的实施例2的多制式水下双向超声制导系统的示意图；

图3a是采用本发明实施例1的多制式水下双向超声制导系统进行制导的方法流程图；

图3b是采用本发明实施例1的多制式水下双向超声制导系统进行制导的方法流程图；以及

图4是采用本发明的实施例2的多制式水下双向超声制导系统进行制导的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种可对水下物体进行探测和识别的多制式水下双向超声制导系统。该系统首先利用水上和水下探测器确定属于某一特定目标的特征频率，随后在水下探测过程中，通过对接收到的响应频率与特征频率的比对结果判断产生这一响应频率的水下物体是否与特征频率所对应的特定目标相符。该系统不仅可应用于传统的沉船搜寻、鱼群跟踪等民用领域，也可以应用于潜航器追踪、定位和预防侵略等军事领域。

如图1所示，图1是本发明实施例1的多制式水下双向超声制导系统(以下简称超声制导系统)10的示意图。其包含超声波发生器101、特征频率确定单元102、存储单元103、响应频率接收单元104和信号处理单元105。其中，超声波发生器101用于产生水下探测信号的超声波发生器，特征频率确定单元102用于确定特定目标的特征频率，存储单元103用于存储该特定目标的特征频率，响应频率接收单元104用于接收探测到的水下物体对水下探测信号产生的响应频率，信号处理单元105用于根据特征频率与响应频率的比对结果确定探测到的水下物体是否为特定目标。图1所示的超声制导系统可实现快速水下探测，并可确保对探测到的水下物体进行识别的准确性与可靠性。

参见图1，超声波发生器101可产生用于水下探测的超声波信号(也即本发明的水下探测信号)。众所周知，超声波信号在水下具有良好的传播特性，当其在传播过程中遇到物体时会产生与该物体相符的频率响应，也即不同的物体对同一超声波信号可产生不同的反射型响应频率。例如，在超声波作用下，暗礁、鱼类、沉船及潜艇等均产生反映其特性的响应频率。基于此，本发明可通过响应频率接收单元104接收某一水下物体的响应频率，随后可通过该响应频率包含的物体信息对物体进行进一步识别。这里需要说明的是，水下物体对超声波所产生的响应频率包含该物体的音频频率和视频频率，分别对应于频率还原后可产生的声音和视频图像。显而易见，同时具备上述两种频率的响应频率信号可有效增强识别探测到的该水下物体是否为所需探测的特定目标的可靠性。

本发明的超声制导系统包含一特征频率确定单元102，其可确定反映特定目标的物理属性、几何形状等的特征频率，这是本发明区别于现有技术的水下单向式超声探测&识别技术的一个典型特征。这里所述的特定目标主要指根据实际需要待探测&识别的目标。例如，发生海难事故时的待救援船只、发生入侵事件时的潜艇即为这里所说的特定目标。在确定特定目标的特征频率时，特征频率确定单元102可分别接收水上探测器和水下探测器所确定的特定目标的第一特征频率和第二特征频率，随后通过对第一特征频率和第二特征频率的混频确定该特定目标的特征频率。在本发明的特征频率确定单元102中，对特定目标分别采用卫星、雷达和声纳三种制式的探测器进行扫描(其中卫星和雷达可仅使用其中一种)，并基于扫描过程中分别产生的波幅响应频率确定最终反映该特定目标专有属性的特征频率。从上述描述中可看出，本发明的水上探测器为卫星和/或雷达、水下探测器则为声纳。采用上述三种制式的探测器确定特征频率的过程在以下详细展开。

雷达在水面和地面的较长距离内可有效传播扫描产生的音频频率和视频频率，卫星可以不受地形地貌、建筑物或距离的限制在整个地球表面任何地点对目标物体进行电子波扫描，产生并传播音频频率和视频频率，但两者在水中均会严重衰减而无法传播。因此，本发明首先采用卫星、雷达和声纳三种制式的探测器对位于避风海港、海上锚地、码头停靠补给地、海上航线上的各航行器目标进行扫描。当然，在不满足上述位置要求的情况下，可采用卫星电子频率信号对地球所有海洋面上的活动航行器目标进行扫描，采用雷达电子频率信号对海岸近海面上的活动航行器目标进行扫描，以及采用声纳超声电子信号直接对沿海岸海中近距离的水下航行器目标进行扫描。特征频率确定单元102可接收各航行器目标在扫描时响应产生的音频频率和视频频率，并对不同制式下产生的频率进行混频、检频和选频，并最终确定可特征反应各航行器目标的特征频率。由于采用三种制式的探测器确定特定目标的特征频率，该特征频率所包含的特征信息不仅更全面且更准确，有利于提高后续进行频率对比和检索时的灵敏度。优选地，某一特定目标的特征频率可实时更新，从而更好地反映该特定目标在使用过程中发生的特征信息的变化。

本发明的存储单元103用于存储确定的特定目标的特征频率。优选地，该存储单元103可同时存储水上探测器所确定的第一特征频率、水下探测器所确定的第二特征频率以及特征频率确定单元102最终确定的该特定目标的特征频率。上述独立的存储过程可使本发明的水下双向超声制导系统扩展为基于不同制式的水上或水下制导系统。例如，当确定发生海难事故时，事故初期船只可能并未沉入水中，此时可直接使用卫星进行探测，并同时使用第一特征频率和最终确定的特征频率基于频率比对的结果进行准确识别。

信号处理单元105用于根据特征频率与响应频率的比对结果确定探测到的水下物体是否为特定目标。其中，信号处理单元105对特征频率与接收到的响应频率进行混频检索，识别接收到的响应频率，并判断该响应频率与特征频率在频率波谱上是否相符、是否存在一致性。若比对结果显示响应频率中有和特征频率一致的频率波谱，则认为探测到的该水下物体为待探测&识别的特定目标。此时，信号处理单元105锁定该响应频率，并将该水下物体对超声波所产生的响应频率作为后续追踪过程中将使用的制导频率。换言之，制导过程中是以储存的特征频率为基础，在确定响应频率与特征频率相符的前提下，响应频率可以识别还原为事先已为特定目标确定的特征频率。本领域技术人员可理解的是，采用混频检索实现频率比对可使得频率比对过程的可控性更强、比对精度更高、且比对结果更为客观。

如上所述，水下物体对超声波信号所产生的响应频率由音频频率和视频频率组成，以响应频率为基础形成的制导频率同样包含音频频率和视频频率。这种构成的制导频率可有效提高后续追踪的可靠性。

另一方面，若信号处理单元105确定响应频率中并不存在与特征频率一致的频率波谱，则认为探测到的该水下物体并不是希望探测&识别的特定目标。此时信号处理单元105向超声波发生器101发出指令，控制超声波发生器101继续发出水下探测信号进行探测。

本发明的超声制导系统具有双向制导特性，这里所说的“双向”指：在探测水下物体时既有以水下物体的响应频率为基础确定的制导频率，又有多制式扫描确定的特征频率作为频率比对的标准。本发明的超声制导系统具有多制式特性，这里所说的“多制式”指：采用不同探测器、因而采用不同频率对特定目标进行扫描，从而获得更全面且更准确的特定目标的特征信息。这种“双向”和“多制式”特性使得相同的目标频率在水中的超声感应远远超出单制式和单向的超声感应距离和感应灵敏度。因而，在水下探测特定目标时，本发明的超声制导系统所需时间更短、可有效探测特定目标的距离更长、对探测到的水下物体的识别更准确可高，因此具有显著提高的探测&识别效率。

如图2所示，图2是本发明实施例2的多制式水下双向超声制导系统(以下简称超声制导系统)20的示意图。其包含超声波发生器201、特征频率确定单元202、存储单元203、响应频率接收单元204和信号处理单元205；除此之外，其还包含目标追踪单元206。经信号处理单元205确定探测到的水下物体即为待探测&识别的特定目标时，信号处理单元205可向目标追踪单元206发出追踪指令，由后者实时追踪该水下物体。

如上所述，本发明的制导频率基于探测到该水下物体对超声波所产生的响应频率，其信号包含音频频率和视频频率部分。目标追踪单元206以信号处理单元205确定的制导频率对探测到的水下物体进行追踪。一方面，其可以采用制导频率进行导航追踪，从而直达该水下物体；另一方面，其可以采用该制导频率制导潜航器，进而使潜航器自动追踪并抵达该水下物体。

实施例2的超声制导系统可在搜寻探测过程中对接收到的各回波(即响应频率)迅速做出判断，并发出准确的制导信号导航潜水器或制导自航装置，确保其及时到达目标物体所在地点进行救援、或采取措施阻止外来侵略。需要说明的是，实施例1的超声制导系统虽然未包含该目标追踪单元，但其信号处理单元可与系统外的相关导航和/或追踪装置信号通信，实现与目标追踪单元相似的追踪功能。

在本发明的另一实施方式中，超声制导系统还可包含显示单元或与远程显示单元通信。这种情况下，当确定探测到的水下物体与待探测&识别的特定目标相符时，信号处理单元可进一步处理接收到的响应频率，导出与其所包含的视频频率对应的频率数据，并发往显示单元由显示单元处成像。成像处理有助于追踪过程中实时了解水下物体的动态。

如图3a所示，图3a是采用本发明实施例1的多制式水下双向超声制导系统进行制导的方法流程图。该方法开始于步骤S101。在步骤S102，确定特定目标的特征频率。特征频率包含反映某一特定目标各专有属性的特征信息，例如物理属性、几何形状等。该步骤的实施是本发明的制导方法区别于现有技术中制导方法的一个典型特征。随后在步骤S103存储上一步骤中确定的该特定目标的特征频率。如上所述，特定目标的特征频率可实时更新，以更好地动态、客观反映对应特定目标。在步骤S104，，发出水下探测信号，在一定区域内探测水下物体。本发明所说的水下探测信号为超声波信号，其在水中具有良好传播特性。在步骤S105，接收探测到的水下物体对水下探测信号产生的响应频率。不同物体对同一水下探测信号产生不同反射型响应频率，响应频率因而富含与该水下物体对应的特征信息。在步骤S106，根据特征频率与响应频率的比对结果确定探测到的水下物体是否为特定目标。可以理解的是，同一物体所产生的响应频率由该物体的自身特征信息决定，通过频率比对可实现精确且灵敏的目标识别。

如图3b所示，图3b是采用本发明实施例1的多制式水下双向超声制导系统进行制导的另一方法流程图。该方法开始于步骤S201。在步骤S202，接收水上探测器确定的特定目标的第一特征频率；在步骤S203，接收水下探测器确定的特定目标的第二特征频率；在步骤204，对第一特征频率与第二特征频率进行混频，确定特定目标的特征频率。本发明的水上探测器优选采用卫星和/或雷达，水下探测器优选采用声纳。优选地，本发明对位于避风海港、海上锚地、码头停靠补给地、海上航线上的各航行器目标进行扫描，采用三种制式确定其特征频率。随后在步骤S205存储上一步骤中确定的该特定目标的特征频率。在步骤S206,，发出水下探测信号，在一定区域内探测水下物体。本发明所说的水下探测信号为超声波信号，其在水中具有良好传播特性。在步骤S207，接收探测到的水下物体对水下探测信号产生的响应频率。在步骤S208，对特征频率与接收到的响应频率进行混频检索，识别接收到的响应频率并判断响应频率与特征频率是否相符。若确定相符，则在步骤S209锁定该响应频率，并以响应频率作为水下物体的制导频率；否则返回执行步骤S206。

如图4所示，图4是采用本发明实施例2的多制式水下双向超声制导系统进行制导的方法流程图。该方法包括步骤S301-S311，其中步骤S301-S309与步骤S201-S209相同，在此不再重复叙述；以下仅对步骤S310和S311进行详细说明。

在步骤S310，以制导频率对探测到的水下物体进行追踪。具体地，在该步骤选择特定追踪模式对探测到的水下物体进行追踪。在步骤S311a，采用制导频率进行导航追踪，从而直达该水下物体，并对其进行实时观测。在步骤S311b，采用该制导频率制导潜航器，进而使潜航器自动追踪并抵达该水下物体。该情况下可制导潜航器实施救援目标命令或展开防御行为。

在本发明中，特征频率可反映某一特定目标的专有信息，因此通过响应频率与特征频率的相符性比对可提高利用超声进行水下探测和识别时的准确性及可靠性；同时频率比对的灵敏度更高，可降低距离对识别的准确性的限制。本发明的超声制导系统具有“双向”和“多制式”特性，使得相同的目标频率在水中的超声感应远远超出单制式和单向的超声感应距离和感应灵敏度。因而，在水下探测特定目标时，本发明的超声制导系统所需时间更短、可有效探测特定目标的距离更长、对探测到的水下物体的识别更准确可高，因此具有显著提高的探测&识别效率。每种物体对于电子扫描和超声扫描都有固有的频率响应，并同时显现其视频和声频的频率固有特征；无论是电子波频率还是水下超声波频率其还原应是其目标物体形状特征的频率。本发明实现了将水上物体的电子响应的特征频率和水下物体所对应的响应特征频率进行搜索对比的寻揽鉴别。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明。在没有背离本发明的精神和范围的前提下，对本发明所做的任何修改、调整或等同替换均应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种多制式水下双向超声制导系统，包含用于产生水下探测信号的超声波发生器，其特征在于，所述系统还包括：

特征频率确定单元，用于确定特定目标的特征频率；

存储单元，用于存储所述确定的特定目标的特征频率；

响应频率接收单元，用于接收探测到的水下物体对所述水下探测信号的响应频率；以及

信号处理单元，用于根据所述特征频率与所述响应频率的比对结果确定探测到的所述水下物体是否为所述特定目标；

所述特征频率确定单元确定特定目标的特征频率包括：

接收水上探测器确定的所述特定目标的第一特征频率；

接收水下探测器确定的所述特定目标的第二特征频率；以及

对所述第一特征频率与所述第二特征频率进行混频，确定所述特定目标的特征频率。

2.根据权利要求1所述的多制式水下双向超声制导系统，其特征在于，所述水上探测器为卫星和/或雷达，所述水下探测器为声纳。

3.根据权利要求1所述的多制式水下双向超声制导系统，其特征在于，所述信号处理单元根据所述特征频率与所述响应频率的比对结果确定探测到的所述水下物体是否为所述特定目标包括：

对所述特征频率与接收到的所述响应频率进行混频检索，识别接收到的所述响应频率并判断所述响应频率与所述特征频率是否相符；

若是，则锁定所述响应频率并据此确定所述水下物体的制导频率；否则，继续由所述超声波发生器发出水下探测信号进行探测。

4.根据权利要求3所述的多制式水下双向超声制导系统，其特征在于，所述系统还包含以所述制导频率对探测到的水下物体进行追踪的目标追踪单元。

5.根据权利要求3所述的多制式水下双向超声制导系统，其特征在于，所述响应频率为所述水下物体的音频频率和/或视频频率，所述制导频率为所述水下物体的音频频率和/或视频频率。

6.一种多制式水下双向超声制导方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、确定特定目标的特征频率；

S2、存储所述确定的特定目标的特征频率；

S3、产生水下探测信号，对所述水下物体进行探测；

S4、接收探测到的水下物体对所述水下探测信号的响应频率；以及

根据所述特征频率与所述响应频率的比对结果确定探测到的所述水下物体是否为所述特定目标；

所述步骤S1包括以下子步骤：

S11、接收水上探测器确定的所述特定目标的第一特征频率；

S12、接收水下探测器确定的所述特定目标的第二特征频率；以及

S13、对所述第一特征频率与所述第二特征频率进行混频，确定所述特定目标的特征频率。

7.根据权利要求6所述的多制式水下双向超声制导方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下子步骤：

S41、对所述特征频率与接收到的所述响应频率进行混频检索，识别接收到的所述响应频率并判断所述响应频率与所述特征频率是否相符；若是，则执行步骤S42，否则，返回执行步骤S3；

S42、锁定所述响应频率并据此确定所述水下物体的制导频率。

8.根据权利要求7所述的多制式水下双向超声制导方法，其特征在于，所述方法还包括以所述制导频率对探测到的水下物体进行追踪。