CN105022067B - 基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下声探测领域。为提高主动测速装置伪装隐蔽的能力的前提下，实现水下运动目标速度的测量。为此，本发明采取的技术方案是，基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速方法及装置，由测速需求分析模块，信号产生模块，功放模块，换能器，水听器，信号调理模块，数据处理与显示模块组成；测速需求分析模块接受水下目标测速的实际应用需求，并根据应用需求，选择和构造用于水下目标测速的合适的抹香鲸滴答声脉冲组合。本发明主要应用于水下声探测。
Description
技术领域
本发明属于水下声探测领域，特别是基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速方法及装置。
背景技术
传统水下运动目标(如水雷、潜艇、水下滑翔器)测速信号波形，如单频矩形脉冲(Continuous Wave,CW)、线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)脉冲等信号，具有相对简单、较为明显的时域、频域和时频域特点，例如，它们的时域包络为矩形或矩形串、LFM信号波形在频域上类似为矩形、CW脉冲的调制信号为单频信号，LFM脉冲的调制信号频率线性变化等等，因此，它们很容易被敌方的侦察系统截获、识别和定位，从而对测速装置的生存能力构成严重威胁。
海洋中的抹香鲸是群居动物(见Hal Whitehead and Linda Weilgart,Patternsof visually observable behaviour and vocalizations in groups of female spermwhales[J],Behaviour,118(3/4):275-296,1991)，它们在水下活动过程中会不间断地向水中发出不同的脉冲信号；这些脉冲信号的时域包络随机变化，没有固定规律，包络内调制信号为复杂的宽带信号，信号非平稳，时频特性复杂；因此，与常规测速脉冲信号之间存在明显区别，不易被敌方识别为主动测速脉冲信号。
针对传统测速信号波形易于被识别的问题，并组合抹香鲸滴答声脉冲的特点，本发明采用抹香鲸所发出的原始滴答声作为测量水下运动速度的发射信号，使其被敌方侦查系统误认为成真实的抹香鲸发出的滴答声脉冲信号，达到伪装自己，提高测速装置隐蔽性的目的。
发明内容
为克服技术的不足，本发明旨在提高主动测速装置伪装隐蔽的能力的前提下，实现水下运动目标速度的测量。为此，本发明采取的技术方案是，基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速装置，由测速需求分析模块，信号产生模块，功放模块，换能器，水听器，信号调理模块，数据处理与显示模块组成；
测速需求分析模块接受水下目标测速的实际应用需求，并根据应用需求，选择和构造用于水下目标测速的合适的抹香鲸滴答声脉冲组合；
信号产生模块根据测速需求分析模块的输出参数，从其存储器中选择抹香鲸滴答声脉冲信号，并按块多普勒测原理对脉冲信号进行组合和脉冲间时间间隔设置，然后，将信号输出至功放模块；功放模块对信号进行功率放大后，输出至换能器；换能器将滴答声脉冲信号发向水下；
滴答声脉冲信号经水下目标反射后，传输至水听器；水听器将声信号转换成电信号或光信号后，输出至信号调理模块；信号调理模块实现对信号的滤波、放大、模数转换等功能；信号调理模块将产生的数据传送至数据处理与显示模块；
数据处理与显示模块首先对接收到的数据进行测速计算，然后对水下目标参数进行显示。
测速需求分析模块从从抹香鲸群滴答声数据库中，以模糊函数为准则，通过计算机遍历的方法，筛选出距离分辨力高且速度容忍性好的滴答声单脉冲，组成集合C；注意应保证集合C的单脉冲都具有良好的自相关性，且集合C中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W，W根据实际应用需要，在区间(0，0.8)之间进行选择；信号产生模块产生的脉冲信号串具有：(1)从集合C中选择n个滴答声脉冲，n根据实际应用需要，在区间[2，10000]之间进行选择；(2)每两个相同的相邻脉冲之间组成一个速度测量块；(3)任何相邻单脉冲之间的时间间隔tij,i＝1,2,…,p；j＝1,2,…,p可以不相等；(4)同一个块内两个相邻脉冲之间的间隔记为tii,i＝1,2,…,p。
数据处理与显示模块中存储有上述所使用的n个滴答声脉冲，并将这n个滴答声脉冲作为后续进行拷贝相关处理的参考脉冲；拷贝相关处理运算是指将原信号拷贝一份作为参数信号，然后，使用接收到的信号与参数信号进行互相关运算；数据处理与显示模块对接收到的数据进行拷贝相关处理，然后，根据拷贝相关处理结果求取同一个块中相邻脉冲间的时间间隔注意，当测速装置与运动目标间存在相对运动时，有成立；进一步地，数据处理与显示模块计算得出多普勒频移因子其中，v和c分别代表水下目标在时间段内的平均运动速度和声速；利用式，就能获得水下运动目标的速度。
信号产生模块由序列组合器和序列缓存器组成；信号产生模块根据测速需求分析模块的输出参数，从其存储器中选择抹香鲸滴答声脉冲信号，并通过序列组合器按多普勒测原理对脉冲信号进行组合和脉冲间时间间隔设置并存储在序列缓存器中，然后，将信号输出至功放模块。
基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速方法，包括如下步骤：选择抹香鲸滴答声脉冲信号，并按块多普勒测原理对脉冲信号进行组合和脉冲间时间间隔设置，然后，对信号进行功率放大后，将滴答声脉冲信号发向水下；
滴答声脉冲信号经水下目标反射后，传输至水听器；
对接收到来自水听器的数据进行测速计算，然后进行显示。
符合测速要求的抹香鲸滴答声脉冲筛选方法：
从抹香鲸群滴答声数据库中，以模糊函数为准则，通过计算机遍历的方法，筛选出距离分辨力高且速度容忍性好的滴答声单脉冲，组成集合C；注意应保证集合C的单脉冲都具有良好的自相关性，且集合C中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W。
对接收到来自水听器的数据进行测速计算：产生的脉冲信号串的特点：(1)从集合C中选择n个滴答声脉冲；(2)每两个相同的相邻脉冲之间组成一个速度测量块；(3)任何相邻单脉冲之间的时间间隔tij,i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,p可不相等；(4)同一个块内两个相邻脉冲之间的间隔记为tii,i＝1,2,…,p；
对接收到的数据进行拷贝相关处理，然后，根据拷贝相关结果求取同一个块中相邻脉冲间的时间间隔有成立；计算得出多普勒频移因子其中，v和c分别代表水下目标在时间段内的平均运动速度和声速；利用式，就能获得水下运动目标的速度。
与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
(1)本发明中，采用抹香鲸滴答声脉冲信号作为实现水下运动目标测速的发射信号，使敌人误以为接收到的信号来自抹香鲸而非主动测速装置，起到伪装主动测速装置的作用，提高主动测速装置伪装隐蔽的能力，降低其被截获的概率；
(2)本发明中，首先优选出距离分辨力高且速度容忍性好的抹香鲸滴答声单脉冲，然后，对块多普勒测速方法进行改进，并将抹香鲸滴答声脉冲引入到改进的块多普勒测速方法中，实现水下运动目标速度的测量；
(3)本发明中，使用许多个不同的滴答声脉冲而不是一个或几个滴答声脉冲，来实现水下运动目标速度的测量，以进一步提高滴答声发射信号脉冲串的伪装能力，提高测速装置的隐蔽性。
附图说明
图1示出本发明中所述的抹香鲸滴答声脉冲示意图。
图2示出本发明中所述的水下运动目标隐蔽测速装置框图。
图3示出本发明中所述的用于实现水下运动目标测速为的发射信号脉冲串示意图。
图2中：1为测速需求分析模块；2为信号产生模块；3为功放模块；4为换能器；5为水下运动目标；6为水听器；7为信号调理模块；8为数据处理与显示模块。
具体实施方式
为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速方法及装置，它不仅能克服常规测速信号易于被探测、识别与定位的缺点，还能实现水下运动目标速度的隐蔽测量。
本发明具有如下优点：(1)利用抹香鲸滴答声脉冲(如图1所示)对水下运动目标测速装置进行伪装，提高其隐蔽性；(2)将抹香鲸滴答声脉冲与块多普勒测速方法进行巧妙结合，实现水下运动目标的隐蔽有效测量；(3)使用许多个不同的滴答声脉冲而不是一个或几个滴答声脉冲，来实现水下运动目标速度的测量，以进一步提高滴答声发射信号脉冲串的伪装能力，提高测速装置的隐蔽性。
本发明采取的技术方案是，利用基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速方法及装置，包括：
第一步：水下运动目标隐蔽测速装置总体方案。
水下运动目标隐蔽测速装置如图2所示，它主要由测速需求分析模块1，信号产生模块2，功放模块3，换能器4，水听器6，信号调理模块7，数据处理与显示模块8组成；5代表水下运动目标；
进一步地，测速需求分析模块1接受水下目标测速的实际应用需求，并根据应用需求，选择和构造用于水下目标测速的合适的抹香鲸滴答声脉冲组合；
进一步地，信号产生模块2根据测速需求分析模块1的输出参数，从其存储器中选择抹香鲸滴答声脉冲信号，并按块多普勒测原理对脉冲信号进行组合和脉冲间时间间隔设置，然后，将信号输出至功放模块3；功放模块3对信号进行功率放大后，输出至换能器4；换能器4将滴答声脉冲信号发向水下；
进一进地，滴答声脉冲信号经水下目标5反射后，传输至水听器6；水听器6将声信号转换成电信号或光信号后，输出至信号调理模块7；信号调理模块7实现对信号的滤波、放大、模数转换等功能；信号调理模块7将产生的数据传送至数据处理与显示模块8；
进一步地，数据处理与显示模块8首先对接收到的数据进行测速计算，然后，通过显示模块对水下目标参数进行显示；
第二步：符合测速要求的抹香鲸滴答声脉冲筛选方法。
从抹香鲸群滴答声数据库中，以模糊函数为准则，通过计算机遍历的方法，筛选出距离分辨力高且速度容忍性好的滴答声单脉冲，组成集合C；注意应保证集合C的单脉冲都具有良好的自相关性，且集合C中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W；
第三步：利用抹香鲸滴答声脉冲且基于块多普勒测速原理的水下目标测速方法。
信号产生模块2产生的脉冲信号串具有如图3所示的特点：(1)从集合C中选择n个滴答声脉冲，注意，n应尽可能的大，这样能进一步提高发射滴答声脉冲串的伪装隐蔽性；(2)每两个相同的相邻脉冲之间组成一个速度测量块；(3)任何相邻单脉冲之间的时间间隔tij,i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,p可以不相等；(4)同一个块内两个相邻脉冲之间的间隔记为tii,i＝1,2,…,p；
进一步地，在数据处理与显示模块8中存储有上述所使用的n个滴答声脉冲作为拷贝相关参考脉冲；
进一步地，数据处理与显示模块中存储有上述所使用的n个滴答声脉冲，并将这n个滴答声脉冲作为后续进行拷贝相关处理的参考脉冲；拷贝相关处理运算是指将原信号拷贝一份作为参数信号，然后，使用接收到的信号与参数信号进行互相关运算；数据处理与显示模块对接收到的数据进行拷贝相关处理，然后，根据拷贝相关处理结果求取同一个块中相邻脉冲间的时间间隔当测速装置与运动目标间存在相对运动时，有成立；进一步地，数据处理与显示模块8可计算得出多普勒频移因子其中，v和c分别代表水下目标在时间段内的平均运动速度和声速；而声速一般变化缓慢且已知，因此，利用式，就能获得水下运动目标的速度；
本发明所述基于抹香鲸叫声的水下运动目标伪装隐蔽测速方法及装置的优点是：(1)采用抹香鲸滴答声脉冲信号作为实现水下运动目标测速的发射信号，使敌人误以为接收到的信号来自抹香鲸而非主动测速装置，起到伪装主动测速装置的作用，提高主动测速装置伪装隐蔽的能力，降低其被截获的概率；(2)将抹香鲸滴答声脉冲与块多普勒测速方法进行巧妙结合，实现水下运动目标的隐蔽有效测量；(3)使用许多个不同的滴答声脉冲而不是一个或几个滴答声脉冲，来实现水下运动目标速度的测量，以进一步提高滴答声发射信号脉冲串的伪装能力，提高测速装置的隐蔽性。
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。
本发明提供一种基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速方法及装置。
本发明具有如下优点：(1)采用抹香鲸滴答声脉冲信号作为实现水下运动目标测速的发射信号，使敌人误以为接收到的信号来自抹香鲸而非主动测速装置，起到伪装主动测速装置的作用，提高主动测速装置伪装隐蔽的能力，降低其被截获的概率；(2)将抹香鲸滴答声脉冲与块多普勒测速方法进行巧妙结合，实现水下运动目标的隐蔽有效测量；(3)使用许多个不同的滴答声脉冲而不是一个或几个滴答声脉冲，来实现水下运动目标速度的测量，以进一步提高滴答声发射信号脉冲串的伪装能力，提高测速装置的隐蔽性。
本发明是这样实现的：
第一步：水下运动目标隐蔽测速装置总体方案。
水下运动目标隐蔽测速装置如图2所示，它主要由沿速需求分析模块1，信号产生模块2，功放模块3，换能器4，水听器6，信号调理模块7，数据处理与显示模块8组成；5代表水下运动目标；
进一步地，测速需求分析模块1接受水下目标测速的实际应用需求，并根据应用需求，选择和构造用于水下目标测速的合适的抹香鲸滴答声脉冲组合；
进一步地，信号产生模块2根据测速需求分析模块1的输出参数，从其存储器中选择抹香鲸滴答声脉冲信号，并按块多普勒测原理对脉冲信号进行组合和脉冲间时间间隔设置，然后，将信号输出至功放模块3；
进一步地，功放模块3对信号进行功率放大后，输出至换能器4；换能器4将滴答声脉冲信号发向水下；
进一进地，滴答声脉冲信号经水下目标5反射后，传输至水听器6；
进一步地，水听器6将声信号转换成电信号或光信号后，输出至信号调理模块7；
进一步地，信号调理模块7实现对信号的滤波、放大、模数转换等功能；信号调理模块7将产生的数据传送至数据处理与显示模块8；
进一步地，数据处理与显示模块8首先对接收到的数据进行测速计算，然后，通过显示模块对水下目标参数进行显示；
第二步：符合测速要求的抹香鲸滴答声脉冲筛选方法。
从抹香鲸群滴答声数据库中，以模糊函数为准则，通过计算机遍历的方法，筛选出距离分辨力高且速度容忍性好的滴答声单脉冲，组成集合C；注意应保证集合C的单脉冲都具有良好的自相关性，且集合C中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W；
第三步：利用抹香鲸滴答声脉冲且基于块多普勒测速原理的水下目标测速方法。
信号产生模块2产生的脉冲信号串具有如图3所示的特点：(1)从集合C中选择n个滴答声脉冲，注意，n应尽可能的大，这样能进一步提高发射滴答声脉冲串的伪装隐蔽性；(2)每两个相同的相邻脉冲之间组成一个速度测量块；(3)任何相邻单脉冲之间的时间间隔tij,i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,p可以不相等；(4)同一个块内两个相邻脉冲之间的间隔记为tii,i＝1,2,…,p；
进一步地，在数据处理与显示模块8中存储有上述所使用的n个滴答声脉冲作为拷贝相关参考脉冲；
进一步地，数据处理与显示模块8对接收到的数据进行拷贝相关处理，然后，根据拷贝相关结果求取同一个块中相邻脉冲间的时间间隔注意，当测速装置与运动目标间存在相对运动时，有成立；进一步地，数据处理与显示模块8可计算得出多普勒频移因子其中，v和c分别代表水下目标在时间段内的平均运动速度和声速；而声速一般变化缓慢且已知，因此，利用式，就能获得水下运动目标的速度。
Claims (5)
1.一种基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速装置，其特征是，由测速需求分析模块，信号产生模块，功放模块，换能器，水听器，信号调理模块，数据处理与显示模块组成；
测速需求分析模块接受水下目标测速的实际应用需求，并根据应用需求，选择和构造用于水下目标测速的合适的抹香鲸滴答声脉冲组合；
信号产生模块根据测速需求分析模块的输出参数，从其存储器中选择抹香鲸滴答声脉冲信号，并按块多普勒估计原理对脉冲信号进行组合和脉冲间时间间隔设置，然后，将信号输出至功放模块；功放模块对信号进行功率放大后，输出至换能器；换能器将滴答声脉冲信号发向水下；
滴答声脉冲信号经水下目标反射后，传输至水听器；水听器将声信号转换成电信号或光信号后，输出至信号调理模块；信号调理模块实现对信号的滤波、放大、模数转换功能；信号调理模块将产生的数据传送至数据处理与显示模块；
数据处理与显示模块首先对接收到的数据进行测速计算，然后对水下目标参数进行显示；
测速需求分析模块从抹香鲸群滴答声数据库中，以模糊函数为准则，通过计算机遍历的方法，筛选出距离分辨力高且速度容忍性好的滴答声单脉冲，组成集合C；注意应保证集合C的单脉冲都具有自相关性，且集合C中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W，W根据实际应用需要，在区间(0，0.8)之间进行选择；信号产生模块产生的脉冲信号串具有：(1)从集合C中选择n个滴答声脉冲，n根据实际应用需要，在区间[2，10000]之间进行选择；(2)每两个相同的相邻脉冲之间组成一个速度测量块；(3)任何相邻单脉冲之间的时间间隔记为tij,i＝1,2,…,p；j＝1,2,…,p；(4)同一个块内两个相邻脉冲之间的间隔记为tii,i＝1,2,…,p。
2.如权利要求1所述的基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速装置，其特征是，数据处理与显示模块中存储有所使用的n个滴答声脉冲，并将这n个滴答声脉冲作为后续进行拷贝相关处理的参考脉冲；拷贝相关处理运算是指将原信号拷贝一份作为参数信号，然后，使用接收到的信号与参数信号进行互相关运算；数据处理与显示模块对接收到的数据进行拷贝相关处理，然后，根据拷贝相关处理结果求取同一个块中相邻脉冲间的时间间隔注意，当测速装置与运动目标间存在相对运动时，有成立；进一步地，数据处理与显示模块计算得出多普勒频移因子其中，v和c分别代表水下目标在时间段内的平均运动速度和声速；利用式，就能获得水下运动目标的速度；同一个块内两个相邻脉冲之间的间隔记为tii,i＝1,2,…,p。
3.如权利要求1所述的基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速装置，其特征是，信号产生模块由序列组合器和序列缓存器组成；信号产生模块根据测速需求分析模块的输出参数，从其存储器中选择抹香鲸滴答声脉冲信号，并通过序列组合器按块多普勒估计原理对脉冲信号进行组合和脉冲间时间间隔设置并存储在序列缓存器中，然后，将信号输出至功放模块。
4.一种基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速方法，其特征是，包括如下步骤：选择抹香鲸滴答声脉冲信号，并按块多普勒估计原理对脉冲信号进行组合和脉冲间时间间隔设置，然后，对信号进行功率放大后，将滴答声脉冲信号发向水下；
滴答声脉冲信号经水下目标反射后，传输至水听器；
对接收到来自水听器的数据进行测速计算，然后进行显示；
符合测速要求的抹香鲸滴答声脉冲筛选方法：从抹香鲸群滴答声数据库中，以模糊函数为准则，通过计算机遍历的方法，筛选出距离分辨力高且速度容忍性好的滴答声单脉冲，组成集合C；注意应保证集合C的单脉冲都具有良好的自相关性，且集合C中任意两个单脉冲之间的互相关结果都小于阈值W；
对接收到来自水听器的数据进行测速计算：产生的脉冲信号串的特点：(1)从集合C中选择n个滴答声脉冲；(2)每两个相同的相邻脉冲之间组成一个速度测量块；(3)任何相邻单脉冲之间的时间间隔记为tij,i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,p；(4)同一个块内两个相邻脉冲之间的间隔记为tii,i＝1,2,…,p。
5.如权利要求4所述的基于抹香鲸滴答声的水下运动目标隐蔽测速方法，其特征是，对接收到的数据进行拷贝相关处理，然后，根据拷贝相关结果求取同一个块中相邻脉冲间的时间间隔有成立；计算得出多普勒频移因子其中，v和c分别代表水下目标在时间段内的平均运动速度和声速；利用式，就能获得水下运动目标的速度；同一个块内两个相邻脉冲之间的间隔记为tii,i＝1,2,…,p。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |