CN105388481A - 一种吊放式小目标探测声呐系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种吊放式小目标探测声呐系统及探测方法。分为水下和水上两部分，通过铠装光电复合电缆连接和吊放。水下部分包括发射换能器、双层圆柱形的接收基阵、水下信号处理机和串口服务器；水上部分是显控机，通过水面光端机与水下部分进行数据交换。通过显控上位机配置好水下信号处理机和发射控制板的相关参数后，将水下部分吊放到合适的深度，通过信号处理机处理接收基阵输出的数据，执行波束形成、目标检测和目标定位等运算，并将探测结果、基阵姿态、深度等数据上传至上位机进行实时显示，实现360度的全景探测。本发明为海上各种操作平台提供了一种成本低、体积小、重量轻、可灵活布放和探测性能良好的小目标探测声呐系统及方法。

Description

一种吊放式小目标探测声呐系统及探测方法

技术领域

本发明涉及的是一种适用于小目标探测的声呐系统。本发明也涉及一种以及小目标探测方法。

背景技术

随着我国海洋资源的不断开发，海上出现各类操作平台，开展海洋环境和资源等的调查研究、勘探和开采等活动，例如石油钻井平台、各类科考船只、远海岛礁等，正面临着各类小目标的威胁，迫切需要一种成本低、可灵活布放和探测性能良好的小目标探测声呐。

声呐是目前是水下目标远距离探测的最有效手段。小目标由于具有尺度比较小，机动性强，隐蔽性高等特点，探测难度较高，是当前水下探测急需解决的重要技术问题。由于小目标的目标尺度相对较小，目标强度较弱，探测难度很高，传统的探测声呐不适合对小目标进行探测。一方面传统声呐场主要针对较大尺度的水面和水下目标的探测，探测频率较低，通常固定在舰艇、岸基或水底等；另一方面，现有的小目标探测声呐常采用高分辨率图像声呐或者在水底布放水听器基阵进行过顶探测等方式，但通常体积较大，不易灵活布放，制造和施工成本都相对较高，有时一旦布放就很难移动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、可灵活布放和探测性能良好的吊方式小目标探测声呐系统。本发明的目的还在于提供一种基于吊放式小目标探测声呐系统的探测方法。

本发明的吊放式小目标探测声呐系统包括水下、水上、吊放线缆三部分，水下部分由发射换能器、接收基阵、耐压仓、深度计、姿态仪连接组成，水上部分由水面光端机和上位机组成；水下部分通过吊放线缆吊放到水下，耐压仓的串口服务器与水面光端机进行通信，水面光端机与上位机进行通信，

所述接收基阵为双层圆柱形水听器接收阵，每个柱面等间隔分布M个垂直线阵，每个线阵等间隔分布N个阵元，阵元为无指向性水听器，阵元间距d可用公式(1)计算，即:

d＝c/2f₀(1)

接收基阵的外径r₁由公式(2)计算：

$r_1=\frac{2c\mathrm{\π}}{{\mathrm{Mf}}_0}---\left(2\right)$

内层直径r₂由公式(3)计算：

$r_2=\frac{4c\mathrm{\π}-cM}{2{\mathrm{Mf}}_0}---\left(3\right)$

其中，c为水声声速。

M一般取4,8,12，N一般取2或4，阵元数和工作频率确定后，根据公式(1)-(3)确定阵的尺寸和阵元分布。系统的工作频率f₀根据目标强度、探测距离和发射换能器性能等参数综合选择，一般在10kHz-20kHz之间。

水下耐压仓内的信号处理机，负责采集接收基阵的数据、接收深度计和姿态仪的数据，目标检测和测向、与水面端进行数据交换。信号处理机通过串口接收深度计和姿态的数据，通过网口与串口服务器相连。信号处理机对基阵信号放大、滤波和增益控制等处理以后，进行A/D转换、波束形成、信号检测、测向和测距处理，并将处理结果通过串口服务器上传到水面。

水下耐压仓内的串口服务器，也可用以太网交换机，用于上传水下接收基阵的姿态、深度和目标检测与定位的结果数据，接收来自上位机的参数设置等指令。

水面光端机可以为光纤以太网卡，实现水面上位机和水下数字信号处理机的通信。

水面上位机可以使用笔记本电脑或台式机，负责向水下数字信号处理机发送指令以及参数等数据，接收水下信号处理机传输的数据，实时显示水下接收基阵的三维姿态图像和显示深度，并根据水下处理机的处理结果，显示目标的运动轨迹和距离等信息。

姿态仪可选用数字电子罗经或磁罗经，可测量基阵相对姿态，以及相对地磁方向的夹角。

吊放线缆可定制铠装的水密光电复合电缆，负责水下信号处理机的承重吊放、供电和数据传输，为了避免电源干扰，可选用电池组供电。

基于本发明的吊放式小目标探测声呐系统的探测方法为：

步骤1：利用绞车将水下部分(包括发射换能器、接收基阵和耐压仓)吊放到水面以下，通过上位机指令让系统开始工作，利用深度计和上位机显示控制，将水下部分吊放到合适的深度；

步骤2：通过上位机设置发射换能器发射脉冲的参数，包括脉冲类型、脉冲宽度，发射周期等。

步骤3：接收基阵接收回波信号；

步骤4：水下信号处理机对接收基阵输出的信号进行调理后，进行同步采集，执行波束形成、信号检测、测向和测距等运算；

步骤5：用姿态仪的数据对测向结果进行补偿；

步骤6：将检测、定位、深度和基阵姿态等数据通过串口服务器和水面光端机上传至上位机进行显示，以观察探测结果和控制系统工作。

步骤7：根据探测结果情况，可适当改变探测波形、探测深度和测向算法等相关参数，上述探测，直到满意结果为止。

步骤8：探测结束后，关闭系统，并通过绞车将水下部分回收。

上行和下行数据通过光电转换接口和光电复合电缆负责实时传输。

水下信号处理机、发射控制板和串口服务器等被封装在水密耐压仓中，通过水密接插件与深度计、姿态仪和接收基阵连接。耐压仓、接收基阵和发射换能器刚性连接，并通过铠装光电复合电缆与上位机进行数据交换和承重吊放。声呐系统具有主被动两种工作方式，可通过上位机进行控制切换。目标探测、定位等运算都在水下信号处理机中运行，并将深度、姿态和方位与距离等数据上传至上位机进行实时显示。上位机实时绘制目标轨迹图和接收基阵的三维姿态的图像，显示深度和姿态的数据。被动探测模式下显示目标方位历程图。

本发明的有益效果在于：国内对小目标进行探测主要采用高分辨率图像声呐，主要布放在水底，目前还没有用于水上平台的小目标探测的专用声纳，图像声呐因为工作频率较高，探测距离较近，且成本高、体积和重量较大，不利于推广和灵活吊放。发明的吊放式小目标探测声呐系统是专门针对水下小目标特点进行设计的，具有体积小、重量轻和吊放灵活的优点，能够应用于水上的各类工作平台，采用双层圆柱形结构的基阵，综合考虑了目标强度弱和探测距离等因素，对基阵的结构进行了优化，能够对弱强度的小目标实现全景360°的探测。结合波束形成和测向定位的算法可大大提高接收增益，并能够对水下小目标进行定位和跟踪，通过上位机的显控界面监控探测结果，可满足当前海上平台探测小目标的需求。该声呐系统也可对能辐射噪声的被动小目标进行探测，也可多台联合工作。基于该系统的探测方法简单、操作灵活。

附图说明

图1吊放式小目标探测声呐系统框图；

图2目标探测方法流程图；

图3信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步的描述。

结合图1，本发明的吊放式水下小目标探测系统由水面显示和控制上位机1、水面光端机2、光电复合电缆3、水下耐压仓4、串口服务器41、发射控制板42、水下信号处理机43、发射换能器5、接收基阵6、姿态仪7和深度计8组成。

水面上位机1和水面光端机2之间通过光缆连接，水面光端机2和耐压仓4内部装载的串口服务器41通过以太IP网络相连接，用于上传深度计8、姿态仪7以及数字信号处理机43处理结果数据。电源线和网线被封装在铠装复合电缆3中，水下部分光电复合缆3吊放到水下。水面光端机2可以是光纤以太网卡，实现水面显控主机1与水下耐压仓4的通信连接。水面上位机1可以是笔记本或台式机，负责下发命令和参数，控制发射信号的波形，接收水下处理分机的数据并进行显示，实时绘制目标的运动轨迹和接收基阵的三维姿态，显示深度数据等。

本发明的接收基阵6的设计，其结构和尺寸的设计必须综合考虑小目标的特性及探测性能的影响，接收基阵的尺寸要根据系统工作频率来设计，在10-20kHz之间选择，具体是哪一个工作频率要结合发射换能器的共振频率点来选择，基阵尺寸根据公式(1)-(3)计算。

例如，外层直径200mm，内层直径148mm，每个柱面等间隔分布12个垂直线阵，每个线阵4个阵元，阵元间距为52mm，总的阵元数为96个，阵元为无指向性水听器，此时最佳的工作频率为14.3kHz，发射信号为CW脉冲或LFM脉冲，脉冲宽度100ms-200ms，发射周期1.5s。

结合附图2和图3，目标探测的实施方案1如下：

步骤1：通过绞车将水下部分吊放到水面以下，开机运行系统，通过上位机配置发射波形参数，并把参数发送给耐压仓的发射控制板，发射所需波形，例如发射CW脉冲，脉宽100ms，频率14.3kHz，发射周期1.5s，以便探测2000m以内的目标。上位机将配置好的相关参数发送给水下数字信号处理机。

步骤2：利用深度计和显控，控制水下部分吊放到水下所需深度，例如20m处。

步骤3：数字信号处理机采集基阵输出的信号，并执行波束形成和信号检测算法；

首先对内外圈每个柱面上的12个线阵的每一个阵元的输出求和，即:

$y_i\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{x}_{ij}\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，x_ij(t)代表柱面上第i个线阵的第j个阵元输出，M代表每个线阵的阵元数。该计算使每个线阵等效成一个阵元，内外两个圆柱阵等效成2个圆阵。

对内外两个圆阵分别预成16个波束，公式如下：

$s_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_i\[t-{\mathrm{\τ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_j\right)\]---\left(5\right)$

其中x_i代表基阵输入信号，θ_j代表j号波束的预成角度，τ_i(θ_j)代表对应预成波束的时延，s_j(t)代表第j号波束的输出，j＝1,…16，N代表圆阵的阵元数。将内外两圈的波束形成结果，按照波束号对应相加，用s'_j(t)表示。

检测算法，根据发射信号的不同，所用检测算法不同，分为CW和LFM两种情况：

对CW脉冲，采用频率检测方法，具体方案是：

A.分别对内圈和外圈的16路波束输出结果进行正交解调，然后进行降采样和低通滤波处理，每路输出1024点数据；

B.利用FFT算法，计算处理后的每路波束数据的幅度谱，获得512点的幅度谱，相邻四点相加后获得128点的数据幅度谱；

C.将内外圈所有波束的幅度谱按照频率对应相加；

D.将幅度谱特征作为检测统计量，利用Neyman-Pearson准则，对信号进行检测。

对LFM脉冲信号，采用频域匹配滤波检测方法：

A.分别对内圈和外圈的16路波束进行正交解调，然后进行降采样和低通滤波处理，每路输出1024点数据；

B.对每路数据执行FFT运算，并与发射信号的拷贝信号的FFT结果共轭相乘，然后计算IFFT，将计算结果取模；

C.截取数据中心点左右的128点数据；

D.将各路128点数据对应相加，并对路数求平均，计算峰值；

E.将峰值作为统计值，利用Neyman-Pearson准则，对信号进行检测。

步骤4：如果检测到有目标信号，执行目标测向算法和测距算法，目标距离可根据水声测距的原理，利用回波返回时间计算，回波返回时间可根据检测到信号与发射脉冲信号的时间间隔计算。

测向算法：

A.利用公式(5)的结果，按照公式(6)计算基阵的归一化指向性函数：

$D\left({\mathrm{\θ}}_j\right)=\frac{1}{N}{\left\{E{\[{\left(s_j^{\′}\right(t\left)\right)}^2\]}^2\right\}}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right)$

B.计算指向性函数D(θ_j)的最大值坐标,用(θ_m,D_m)表示，则其左右相邻两个波束的坐标分别为(θ_m-1,D_m-1)和(θ_m+1,D_m+1)；

C.利用上面的三个坐标做多项式插值，插值多项式如下：

y＝ax²+bx+c(7)

D.将三个坐标代入公式(7),通过求解方程组，计算插值多项式的系数，根据多项式系数计算目标的水平方位角，即：

θ＝-b/2a(8)

步骤5：结合姿态仪数据对测向结果进行补偿。

步骤6：将检测结果、方位和距离、姿态仪数据、深度数据通过串口服务器上传给水面上位机，进行显示，实时绘制目标的运动轨迹图和基阵的三维姿态图像；

步骤7：根据上位机的显示结果，综合判断探测效果。可适当调整吊放深度、发射波形和测向算法参数等，并通过以太网发送给水下耐压仓的相关处理板，使探测结果达到最佳。重复步骤4-6；

步骤8：如果检测算法未检测到目标信号，则重复步骤3，直到有目标出现，则执行步骤4-7；

步骤9：探测结束后，关闭系统，并通过绞车将水下部分回收。

实施方案2：本实施方案与上面目标探测实施方案1的不同之处在于：一是采用被动探测方式，不需要步骤2发射主动脉冲信号，而是利用目标辐射的噪声信号进行探测，这种方式只能获得目标的方位信息，因此在上位机上显示的是目标方位历程曲线。两种探测方式可以通过上位机显控切换；二检测算法与CW脉冲的检测方法相似，不同之处在于步骤A中不需要正交解调，直接进行降采样和低通滤波。三是由于小目标辐射噪声声级较低，依靠被动方式探测的探测距离远低于主动方式，但被动方式具有隐蔽性好的优点，因此可根据具体需求选择相应的探测方式。

假设目标强度TS＝-15dB，发射声级SL＝195dB，噪声级NL＝80dB，检测域DT＝0dB，根据主动声呐方程，理论上的探测距离为：

R＝10^{(SL+TS-NL+DI)/40}≈988m

其中DI为阵增益。

对于被动探测来说，假设目标辐射声级SL＝108dB，噪声级NL＝80dB，检测域0dB，根

据被动声呐方程，理论上的探测距离为：

R＝10^{(SL+TS-NL+DI)/15}≈153m

提高发射声源级或者噪声级较低时探测距离更远。对于慢速小目标来说，无论主动还是被动方式都能满足海上平台的小目标探测的具体需求。

Claims (8)

1.一种吊放式小目标探测声呐系统，包括水下、水上、吊放线缆三部分，水下部分由发射换能器、接收基阵、耐压仓、深度计、姿态仪连接组成，水上部分由水面光端机和上位机组成；水下部分通过吊放线缆吊放到水下，耐压仓的串口服务器与水面光端机进行通信，水面光端机与上位机进行通信，其特征是：所述接收基阵为双层圆柱形水听器接收阵，每个柱面等间隔分布M个垂直线阵，每个线阵等间隔分布N个阵元，阵元为无指向性水听器。

2.根据权利要求1所述的吊放式小目标探测声呐系统，其特征是：所述双层圆柱形水听器接收阵的外层直径r₁满足公式内层直径r₂由满足公式阵元间距d满足公式d＝c/2f₀，其中，c为水声声速，M一般取4,8,12，N一般取2或4，f₀为工作频率、一般在10kHz-20kHz之间。

3.根据权利要求1或2所述的吊放式小目标探测声呐系统，其特征是：水下信号处理机、发射控制板和串口服务器被封装在耐压仓中，通过水密接插件与深度计、姿态仪和接收基阵连接，耐压仓、接收基阵和发射换能器刚性连接。

4.基于权利要求1所述的吊放式小目标探测声呐系统的探测方法，其特征是：

步骤1：利用绞车将水下部分吊放到水面以下，通过上位机指令让系统开始工作，利用深度计和上位机显示控制，将水下部分吊放到合适的深度；

步骤2：通过上位机设置发射换能器发射脉冲的参数，包括脉冲类型、脉冲宽度，发射周期；

步骤3：接收基阵接收回波信号；

步骤4：水下信号处理机对接收基阵输出的信号进行调理后，进行同步采集，执行波束形成、信号检测、测向和测距运算；

步骤5：用姿态仪的数据对测向结果进行补偿；

步骤6：将检测、定位、深度和基阵姿态数据通过串口服务器和水面光端机上传至上位机进行显示，以观察探测结果和控制系统工作；

步骤7：根据探测结果情况，改变探测波形、探测深度和测向算法相关参数，上述探测，直到满意结果为止；

步骤8：探测结束后，关闭系统，并通过绞车将水下部分回收。

5.根据权利要求4所述的探测方法，其特征是：串口服务器和水面光端机之间通过光电转换接口和光电复合电缆实时传输数据。

6.根据权利要求4或5所述的探测方法，其特征是所述执行波束形成具体包括：

首先对内外圈每个柱面上的M个线阵的每一个阵元的输出求和，即:

$y_i\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{x}_{ij}\left(t\right)$

其中，x_ij(t)代表柱面上第i个线阵的第j个阵元输出，M代表每个线阵的阵元数，

对内外两个圆阵分别预成N个波束，公式如下：

$s_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_i\[t-{\mathrm{\τ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_j\right)\]$

其中x_i代表基阵输入信号，θ_j代表j号波束的预成角度，τ_i(θ_j)代表对应预成波束的时延，s_j(t)代表第j号波束的输出，j＝1,…16，N代表圆阵的阵元数，将内外两圈的波束形成结果按照波束号对应相加用s'_j(t)表示。

7.根据权利要求4或5所述的探测方法，其特征是所述检测算法分为CW和LFM两种情况：

对CW脉冲，采用频率检测方法，具体方案是：

A.分别对内圈和外圈的N路波束输出结果进行正交解调，然后进行降采样和低通滤波处理，每路输出1024点数据；

B.利用FFT算法，计算处理后的每路波束数据的幅度谱，获得512点的幅度谱，相邻四点相加后获得128点的数据幅度谱；

C.将内外圈所有波束的幅度谱按照频率对应相加；

D.将幅度谱特征作为检测统计量，利用Neyman-Pearson准则，对信号进行检测；

对LFM脉冲信号，采用频域匹配滤波检测方法：

A.分别对内圈和外圈的N路波束进行正交解调，然后进行降采样和低通滤波处理，每路输出1024点数据；

B.对每路数据执行FFT运算，并与发射信号的拷贝信号的FFT结果共轭相乘，然后计算IFFT，将计算结果取模；

C.截取数据中心点左右的128点数据；

D.将各路128点数据对应相加，并对路数求平均，计算峰值；

E.将峰值作为统计值，利用Neyman-Pearson准则，对信号进行检测。

8.根据权利要求4或5所述的探测方法，其特征是测向算法具体包括：

A.利用公式的结果，按照下面公式计算基阵的归一化指向性函数：

$D\left({\mathrm{\θ}}_j\right)=\frac{1}{N}{\left\{E\[{\left(s_j^{\′}\right(t\left)\right)}^2\]\right\}}^{\frac{1}{2}}$

B.计算指向性函数D(θ_j)的最大值坐标,用(θ_m,D_m)表示，则其左右相邻两个波束的坐标分别为(θ_m-1,D_m-1)和(θ_m+1,D_m+1)；

C.利用上面的三个坐标做多项式插值，插值多项式如下：

y＝ax²+bx+c

D.将三个坐标代入公式y＝ax²+bx+c,通过求解方程组，计算插值多项式的系数，根据多项式系数计算目标的水平方位角，即：

θ＝-b/2a。