CN104459699A - 一种基于目标航深的水面与水下目标分类识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于目标航深的水面与水下目标分类识别方法，属于水中目标识别技术领域。该方法主要是在水面垂直方向上设置上探测单元和下探测单元，目标分为水面目标或水下目标两类；对上探测单元接收到的目标辐射声信号s₁(t)和下探测单元接收到的目标辐射声信号s₂(t)，采用相关法求二者之间的时间延迟τ₁₂；计算目标航深区间为[d₂,d₁]，d₁和d₂分别为该目标航深区间的上限和下限；最后根据步骤二计算的目标航深区间[d₂,d₁]对目标进行分类。该方法能够适应由于海流等环境因素引起的上、下两个探测单元之间相对位置变化的情况，识别准确率高、应用范围广。

Description

一种基于目标航深的水面与水下目标分类识别方法

技术领域

本发明涉及水中目标识别技术领域，尤其涉及一种基于目标航深的水面与水下目标分类识别方法。

背景技术

基于水声被动探测的水面目标与水下目标分类识别方法一直是水中目标识别技术领域关注的重要问题之一，其分类识别结果可直接用于水下预警，也可作为必要的辅助信息，服务于具有对目标的定位、跟踪等功能的大型水下目标探测系统等。现有技术主要是基于目标辐射噪声的频域特征对水面目标和水下目标进行识别，不仅需要搜集大量的数据样本进行训练学习，前期投入工作量大，而且对新类型目标、尤其是非合作目标一般难以直接适用，识别准确率较低，需要重新补充学习。基于目标航深对水面目标和水下目标进行识别的方法，更少地依赖于目标自身的特征，识别过程直观，不需学习，避免了现有技术存在的上述问题。

在垂直方向上具有上、下两个分布式探测单元的潜标、海床基等，可以测得目标航深，常用的方法是由上、下两个探测单元所测量目标俯仰角之间的空间几何交汇方法求出。这种方法要求上、下两个探测单元之间的距离必须足够大(探测精度与两探测单元间距离成正比)，并且二者之间的相对位置需要精确已知等，使得这种方法在实际应用中易受使用条件及环境条件的限制，存在实施难度大、成本高甚至无法实现的困难，例如上、下两个探测单元之间的距离越大，则实现它们的水下系留、锚定和通信将变得更复杂，二者之间不仅难以采用刚性连接，而且难以采用有缆方式通信；当二者之间采用普遍应用的柔性方式连接时，海流又会引起偏降、漂离，引起上、下两个探测单元之间相对位置的变化，而相对位置一般是难以测量或精确已知的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于目标航深的水面与水下目标分类识别方法，其目的是为了减少对上、下两个探测单元之间的距离间隔大小、相对位置测量精度等条件的限制要求，能够适应由于海流等环境因素引起的上、下两个探测单元之间相对位置变化的情况，识别准确率高、应用范围广。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种基于目标航深的水面与水下目标分类识别方法，在水面垂直方向上设置上探测单元和下探测单元，目标分为水面目标或水下目标两类；该方法包括如下步骤：

步骤一：对上探测单元接收到的目标辐射声信号s₁(t)和下探测单元接收到的目标辐射声信号s₂(t)，采用相关法求二者之间的时间延迟τ₁₂。

步骤二：根据下式计算目标航深区间为[d₂,d₁]，d₁和d₂分别为该目标航深区间的上限和下限：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=h_2-\frac{(L^2-{\mathrm{\ΔR}}^2)\cos \mathrm{\β}}{2\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β}+2\mathrm{\ΔR}+2\sqrt{L^2-{\mathrm{\Δh}}^2}\sin \mathrm{\β}}\\ d_2=h_2-\frac{(L^2-{\mathrm{\ΔR}}^2)\cos \mathrm{\β}}{2\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β}+2\mathrm{\ΔR}-2\sqrt{L^2-{\mathrm{\Δh}}^2}\sin \mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中，时间延迟所产生的距离差ΔR＝cτ₁₂，c是水中的声速；β是下探测单元测得的目标俯仰角；L是上、下探测单元之间的连接装置的长度；上、下探测单元之间的深度差为Δh＝h₂-h₁，h₁和h₂分别是上、下探测单元的深度。

步骤三：根据步骤二计算的目标航深区间[d₂,d₁]对目标进行分类。

进一步地，步骤三具体为：若d₁≤20m，目标为水面目标；若d₂≥20m，目标为水下目标；若不满足条件d₁≤20m和d₂≥20m，识别目标为待分类目标。

进一步地，上探测单元或者下探测单元为单个基元或者由多个基元组成的阵列，则s₁(t)和s₂(t)分别为上探测单元和下探测单元中单个基元的接收信号或者一个阵列波束的接收信号。

有益效果：

1.本发明所提供的方法突破了现有方法的上述限制，对上、下两个探测单元之间距离间隔大小的要求低，不需要准确已知上、下两个探测单元的相对位置，只需求出二者接收信号之间的时间延迟即可，能够适应由于海流等环境因素引起的上、下两个探测单元之间相对位置变化的情况，识别准确率高、应用范围广。

2.本发明利用上、下两个探测单元所接收的目标辐射声信号之间的时间延迟、两探测单元的深度、下探测单元处的目标俯仰角等信息联合求出目标的航深区间，将目标分为水面目标或水下目标两类，可满足潜标、海床基等载体在水下警戒等方面的需求。

附图说明

图1是本发明一种具体实施例的示意图；

图2是本发明的信号处理流程框图；

图3为上探测单元和下探测单元对目标的各观测量之间的几何关系。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示：图1中下探测单元的载体是海床基，上探测单元的载体是潜标，二者共同在垂直方向上构成了上、下两个分布式的探测单元。根据图2的信号处理流程，利用上、下两个探测单元所接收的目标辐射声信号之间的时间延迟、两探测单元的深度、下探测单元处的目标俯仰角等，通过以下步骤实现对目标的分类识别。

步骤一：对上探测单元接收到的目标辐射声信号s₁(t)和下探测单元接收到的目标辐射声信号s₂(t)，采用相关法求二者之间的时间延迟τ₁₂。其中：s₁(t)和s₂(t)可以是单个基元的接收信号或者一个阵列波束的接收信号；

步骤二：根据式(1)计算目标的航深区间为[d₂,d₁]：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=h_2-\frac{(L^2-{\mathrm{\ΔR}}^2)\cos \mathrm{\β}}{2\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β}+2\mathrm{\ΔR}+2\sqrt{L^2-{\mathrm{\Δh}}^2}\sin \mathrm{\β}}\\ d_2=h_2-\frac{(L^2-{\mathrm{\ΔR}}^2)\cos \mathrm{\β}}{2\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β}+2\mathrm{\ΔR}-2\sqrt{L^2-{\mathrm{\Δh}}^2}\sin \mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，ΔR＝cτ₁₂，c是水中的声速，τ₁₂是步骤一所求的时间延迟；β是下探测单元测得的目标俯仰角；L是连接上、下探测单元的承力缆或连接杆等装置的长度；Δh＝h₂-h₁，h₁和h₂分别是上、下探测单元由深度传感器所测量的深度。

式(1)的推导过程如下：

建立如图1所示的直角坐标系，令下探测单元所在位置处为空间坐标原点O，深度垂直方向为z轴的正向。其中，A点是上探测单元的位置，B点是A点在xoy平面上的投影；C点是目标的位置，D点是C点在xoy平面上的投影；直线OC与z轴正向的夹角β是下探测单元测得的目标俯仰角；直线OB和OD的夹角α是上探测单元由于海流作用偏移垂直方向后在水平平面内产生的相对于目标方位的偏移角(以下简称水平偏移角)。根据图3中各观测量之间的几何关系，有勾股定理和余弦定理可得如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{h}_2-d=(R+\mathrm{\ΔR})\cos \mathrm{\β}\\ {\left[(R+\mathrm{\ΔR})\sin \mathrm{\β}\right]}^2+(L^2-{\mathrm{\Δh}}^2)-2(R-\mathrm{\ΔR})\sqrt{L^2-{\mathrm{\Δh}}^2}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}=R^2-{(h_1-d)}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，d是目标的航深。解方程组式(2)可得：

$d=h_2-\frac{(L^2-{\mathrm{\ΔR}}^2)\cos \mathrm{\β}}{2\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β}+2\mathrm{\ΔR}+2\sqrt{L^2-{\mathrm{\Δh}}^2}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}}---\left(3\right)$

水平偏移角α一般难以精确测量。但从式(3)中可以看出目标的航深与cosα之间满足单调增函数关系，那么根据余弦函数的性质，可以计算得到目标航深满足的区间范围(即最大值和最小值)：

当cosα＝1时，目标航深有最大值： $d_1=h_2-\frac{(L^2-{\mathrm{\ΔR}}^2)\cos \mathrm{\β}}{2\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β}+2\mathrm{\ΔR}+2\sqrt{L^2-{\mathrm{\Δh}}^2}\sin \mathrm{\β}};$

当cosα＝-1时，目标航深有最小值： $d_2=h_2-\frac{(L^2-{\mathrm{\ΔR}}^2)\cos \mathrm{\β}}{2\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β}+2\mathrm{\ΔR}+2\sqrt{L^2-{\mathrm{\Δh}}^2}\sin \mathrm{\β}}.$

证明完毕。

步骤三：根据步骤二计算的目标航深区间[d₂,d₁]，将目标分为水面目标和水下目标两类，具体的分类准则为：

(1)若d₁≤20m，目标被分类为水面目标；

(2)若d₂≥20m，目标被分类为水下目标；

(3)若不满足条件(1)和(2)，识别目标为待分类目标。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于目标航深的水面与水下目标分类识别方法，在水面垂直方向上设置上探测单元和下探测单元，目标分为水面目标或水下目标两类；其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：对上探测单元接收到的目标辐射声信号s₁(t)和下探测单元接收到的目标辐射声信号s₂(t)，采用相关法求二者之间的时间延迟τ₁₂；

步骤二：根据下式计算目标航深区间为[d₂,d₁]，d₁和d₂分别为该目标航深区间的上限和下限：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=h_2-\frac{(L^2-\mathrm{\Δ}{R}^2)\cos \mathrm{\β}}{2\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β}+2\mathrm{\ΔR}+2\sqrt{L^2-\mathrm{\Δ}{h}^2}\sin \mathrm{\β}}\\ d_2=h_2-\frac{(L^2-\mathrm{\Δ}{R}^2)\cos \mathrm{\β}}{2\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β}+2\mathrm{\ΔR}-2\sqrt{L^2-\mathrm{\Δ}{h}^2}\sin \mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中，时间延迟所产生的距离差ΔR＝cτ₁₂，c是水中的声速；β是下探测单元测得的目标俯仰角；L是上、下探测单元之间的连接装置的长度；上、下探测单元之间的深度差为Δh＝h₂-h₁，h₁和h₂分别是上、下探测单元的深度；

步骤三：根据步骤二计算的目标航深区间[d₂,d₁]对目标进行分类。

2.如权利要求1所述的一种基于目标航深的水面与水下目标分类识别方法，其特征在于，所述步骤三具体为：

若d₁≤20m，目标为水面目标；

若d₂≥20m，目标为水下目标；

若不满足条件d₁≤20m和d₂≥20m，识别目标为待分类目标。

3.如权利要求1所述的一种基于目标航深的水面与水下目标分类识别方法，其特征在于，上探测单元或者下探测单元为单个基元或者由多个基元组成的阵列，则s₁(t)和s₂(t)分别为上探测单元和下探测单元中单个基元的接收信号或者一个阵列波束的接收信号。