CN106556827B - 基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统及方法 - Google Patents

基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统及方法，采用两个发射端和和两个接收端，并将其均锚定于海底，并使其具有平行四边形布局形式。采用适当的直达波抑制方法提取出目标穿越收发连线的时刻，根据不同的穿越方式，以目标在穿越四条收发连线时对应的运动时间间隔，对未知参数水平距离、目标以速度和目标航迹与收发连线夹角进行估计。布放方式简单、灵活，可以实现海域及航道的监测。利用收发配置之间的几何关系，所需要的参数只是目标的运动时刻信息。通过该方法提取的目标穿越收发连线的时刻信息更加准确、可靠。

Description

基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统及方法
技术领域
本发明属于水下目标测距方法，涉及一种基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统及方法。可用于检测水下入侵双基地收发连线的运动目标，并实现目标测距、测向和测速。适用于双发双收、多发多收探测情形，其中发射端既可以是单个换能器，又可以是发射基阵；接收端既可以是单个水听器，又可以是接收基阵。本发明属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域。
背景技术
前向声散射主要用于探测收发连线附近或者穿越收发连线的水下入侵目标。在这种情况下，由于目标的前向散射强度比反向及其他方向的强度大，到达接收端的前向散射波与直达波发生干涉并使得接收声场发生起伏。经过直达波抑制之后，就可以提取出前向散射波或接收声场畸变。
当目标位置靠近收发连线时，探测系统对目标的距离分辨力为无穷大。即使通过直达波抑制方法提取出了目标的前向散射信号，也无法从前向散射信号中提取入侵目标的距离信息。因此，在单发单收配置下的前向声散射目标探测系统中，无法对目标进行测距，也无法获知目标的速度和航向信息。
在已公开发表的文献资料中，采用单发双收配置模式来提取入侵收发连线的目标的距离信息。在这种配置条件下，存在两条收发连线。假设收发连线的长度为l，两水听器的间距为h，并且h远远小于l。将目标在收发连线上的穿越点到发射端的水平距离记为d，并假设目标的运动速度v为已知量。测得目标穿越两条收发连线的时刻t1和t2，那么目标在两条收发连线之间的航程可以表示为v(t2-t1)。依据三角形相似关系，可以直接得到d＝v(t2-t1)l/h。通过声场畸变提取方法可以提取出穿越时刻t1和t2，代入公式即可得到关于目标距离的估计值。
但是在付诸应用时，该方法存在两处明显不足。其一，在实际应用中目标的运动速度信息属于未知量，无法提前获知。其二，通过直接观测声场起伏来提取目标穿越时刻的方法并不可靠。因此，在实际应用中，采用单发多收方式来提取穿越收发连线的运动目标的距离信息并不可行。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统及方法，适用于双发双收、多发多收探测情形。本发明可用于检测入侵收发连线的水下运动目标，并实现目标测距、测向和测速。
技术方案
一种基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统，其特征在于包括两个发射端和两个接收端；两个发射端和两个接收端锚定于海底，形成平行四边形布局；将两个发射端分别记为Tx1和Tx2，两个接收端分别记为Rx1和Rx2，Tx1-Rx1、Rx1-Rx2、Rx2-Tx2和Tx2-Tx1就形成了平行四边形的四条边，而Tx1-Rx2和Tx2-Rx1为平行四边形的两条对角线；Tx1-Rx1的长度记为l，Rx1-Rx2的长度记为h，Tx1-Tx2和Tx2-Rx2的夹角记为α；形成的四条收发连线为：Tx1-Rx1、Tx1-Rx2、Tx2-Rx1和Tx2-Rx2；所述发射端与接收端的深度相等。
当发射端的发射声源个数范围2～50个，接收水听器阵列数量范围2～50个，形成多发－多收的前向探测系统。
所述发射声源间距10～10000米。
所述接收水听器阵列间距10～10000米。
一种利用所述基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统进行探测的方法，其特征在于：当目标以速度v沿直线匀速依次穿越Tx1-Rx1、Tx2-Rx1、Tx1-Rx2和Tx2-Rx2，其中目标在收发连线Tx1-Rx1上的穿越点到Rx1的水平距离记为d，目标航迹与收发连线Tx1-Rx1之间的夹角记为γ，通过对未知参数d、v和γ进行估计的步骤如下：
步骤1：采用直达波抑制方法提取目标穿越收发连线的时刻，由于在双发双收配置下存在四条收发连线，按照时间顺序将这四个时刻依次记为t1、t2、t3和t4；
步骤2：计算目标在穿越四条收发连线时对应的运动时间间隔分别表示为Δt21＝t2-t1，Δt32＝t3-t2，Δt43＝t4-t3；
步骤3：将Δt21、Δt32、Δt43以及l参数代入下式得到目标距离d的估计值：
其中：l为Tx1-Rx1的长度；
步骤4：将Δt21、Δt32、Δt43、l、h以及α参数代入下式得到目标航迹倾角α的估计值：
其中：h为Rx1-Rx2的长度，α为Tx1-Tx2和Tx2-Rx2的夹角；
步骤5：将Δt21、Δt32、Δt43、l、h以及α参数代入如下公得到目标运动速度v的估计值：
一种所述基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统进行探测的方法，其特征在于：当目标以速度v沿直线匀速依次穿越Tx1-Rx1、Tx1-Rx2、Tx2-Rx1和Tx2-Rx2，其中目标在收发连线Tx1-Rx1上的穿越点到Rx1的水平距离记为d，目标航迹与收发连线Tx1-Rx1之间的夹角记为γ，对未知参数d、v和γ估计步骤如下：
步骤1：采用直达波抑制方法提取出目标穿越收发连线的时刻，由于在双发双收配置下存在四条收发连线，按照时间顺序将这四个时刻依次记为t1、t2、t3和t4；
步骤2：计算目标在穿越四条收发连线时对应的运动时间间隔分别表示为Δt21＝t2-t1，Δt32＝t3-t2，Δt43＝t4-t3；
步骤3：将Δt21、Δt32、Δt43以及l参数代入下式得到目标距离d的估计值：
其中：l为Tx1-Rx1的长度；
步骤4：将Δt21、Δt32、Δt43、l、h以及α参数代入下式得到目标航迹倾角α的估计值：
其中：h为Rx1-Rx2的长度，α为Tx1-Tx2和Tx2-Rx2的夹角；
步骤5：将Δt21、Δt32、Δt43、l、h以及α参数代入如下公式得到目标运动速度v的估计值：
有益效果
本发明提出的一种基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统及方法，采用两个发射端和和两个接收端，并将其均锚定于海底，并使其具有平行四边形布局形式。采用适当的直达波抑制方法提取出目标穿越收发连线的时刻，根据不同的穿越方式，以目标在穿越四条收发连线时对应的运动时间间隔，对未知参数水平距离、目标以速度和目标航迹与收发连线夹角进行估计。
本发明有益效果体现在：
(1)布放方式简单、灵活，可以实现对某些重点海域及航道的快速监测。发射端和接收端均锚定于海底，各自的位置坐标可以通过GPS获得，因而布局的形式及距离、角度等信息也比较容易计算。
(2)充分利用收发配置之间的几何关系，所需要的参数只是目标的运动时刻信息。将目标运动时刻信息与布局参数相结合，能够同时估计目标的距离、速度和航迹倾角等信息。
(3)应用基于自适应干扰抵消的直达波抑制方法之后，直达波被抑制到输出背景中，目标穿越收发连线引起的声场畸变则由输出峰值表征。通过该方法提取的目标穿越收发连线的时刻信息更加准确、可靠。
附图说明
图1：基于前向声散射的双发双收式探测网示意图(平行四边形布局-穿越情形1)。
图2：基于前向声散射的双发双收式探测网示意图(平行四边形布局-穿越情形2)。
图3：基于前向声散射的双发双收式探测网示意图(矩形布局-穿越情形1)。
图4：基于前向声散射的双发双收式探测网示意图(矩形布局-穿越情形2)。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
目标探测系统包括两个发射端和和两个接收端；两个发射端和和两个接收端锚定于海底，形成平行四边形布局；将两个发射端分别记为Tx1和Tx2，两个接收端分别记为Rx1和Rx2，Tx1-Rx1、Rx1-Rx2、Rx2-Tx2和Tx2-Tx1就形成了平行四边形的四条边，而Tx1-Rx2和Tx2-Rx1为平行四边形的两条对角线；Tx1-Rx1的长度记为l，Rx1-Rx2的长度记为h，Tx1-Tx2和Tx2-Rx2的夹角记为α；形成的四条收发连线为：Tx1-Rx1、Tx1-Rx2、Tx2-Rx1和Tx2-Rx2；所述发射端与接收端的深度相等。
首先给出目标距离d、运动速度v以及航迹角度γ的估计公式的推导过程。
在附图1中，两个发射端Tx1和Tx2分别位于A点和B点，两个接收端Rx1和Rx2分别位于C点和D点。发射端和接收端位置及其连线形成平行四边形，其中|AC|＝l，|CD|＝h，AB与BD之间的夹角记为α。这样就形成了四条收发连线：AC(Tx1-Rx1)、BC(Tx1-Rx2)、AD(Tx1-Rx2)和BD(Tx2-Rx2)。
目标沿直线航迹以恒定速度v依次穿越AC、BC、AD和BD这四条收发连线，并将其与这四条收发连线的交点记为E、F、G和H。目标在AC上的穿越点E到C点(Rx1)的水平距离记为d，目标航迹与AC的夹角记为γ。从F、G和H三点分别向AC作垂线并交于P、Q和R点。
由三角形相似关系：△CFE∽△BFH，可得
由三角形相似关系：△AGE∽△DGH，可得
又|BH|+|DH|＝l,将(1)式和(2)式代入得
在直角△EHR中，|ER|＝hsinα/tanγ，代入|ER|+|DH|+hcosα＝d，得
在直角△EHR中，
将(4)式代入(5)式得
又|EH|＝v(Δt21+Δt32+Δt43)，从而
在附图2中，两个发射端Tx1和Tx2分别位于A点和B点，两个接收端Rx1和Rx2分别位于C点和D点。发射端和接收端位置及其连线形成平行四边形，其中|AC|＝l，|CD|＝h，AB与BD之间的夹角记为α。这样就形成了四条收发连线：AC(Tx1-Rx1)、BC(Tx1-Rx2)、AD(Tx1-Rx2)和BD(Tx2-Rx2)。
目标沿直线航迹以恒定速度v依次穿越AC、AD、BC和BD这四条收发连线，并将其与这四条收发连线的交点记为E、F、G和H。目标在AC上的穿越点E到C点(Rx1)的水平距离记为d，目标航迹与AC的夹角记为γ。从F、G和H三点分别向AC作垂线并交于P、Q和R点。
由三角形相似关系：△AFE∽△DFH，可得
由三角形相似关系：△CGE∽△BGH，可得
又|BH|+|DH|＝l,将(8)式和(9)式代入得
在直角△EHR中，|ER|＝hsinα/tan(π-γ)，代入|BH|-hcosα+|ER|＝l-d，得
在直角△EHR中，
将(11)式代入(12)式得
又|EH|＝v(Δt21+Δt32+Δt43)，从而
当α＝90°时，附图1所示的平行四边形布局简化为附图3所示的矩形布局。在这种情况下，目标距离d、航迹倾角γ以及运动速度v的计算公式可以简化为如下形式：
当α＝90°时，附图2所示的平行四边形布局简化为附图4所示的矩形布局。在这种情况下，目标距离d、航迹倾角γ以及运动速度v的计算公式可以简化为如下形式：
第二部分给出应用举例，首先以附图1为例进行说明。令l＝1000米，h＝500米，α＝60°。目标以v＝2.5米/秒的速度沿直线依次穿越收发连线AC、BC、AD和BD，在AC上的穿越点到C点的水平距离为d＝500米，航迹倾角为γ＝80°。相对于某个参考时刻(t＝0)，通过直达波抑制方法提取到的四个穿越时刻分别为t1＝100秒、t2＝166.3秒、t3＝230.6秒和t4＝275.9秒。进而求得运动时间间隔：t21＝66.3秒、t32＝64.3秒和t43＝45.3秒。将相关参数依次代入(3)式、(4)式和(7)式，得到如下估计值：d≈499.7米，γ≈80.03°，v≈2.49米/秒。
然后以附图2为例，设l＝1000米，h＝500米，α＝60°。目标以v＝2.5米/秒的速度沿直线依次穿越收发连线AC、AD、BC和BD，在AC上的穿越点到C点的水平距离为d＝500米，航迹倾角为γ＝133°。相对于某个参考时刻(t＝0)，通过直达波抑制方法提取到的四个穿越时刻分别为t1＝100秒、t2＝202.6秒、t3＝240秒和t4＝336.8秒。进而求得运动时间间隔：t21＝102.6秒、t32＝37.4秒和t43＝96.8秒。将相关参数依次代入(10)式、(11)式和(14)式，得到如下估计值：d≈499.3米，γ≈133.1°，v≈2.50米/秒。
本实施例中直达波抑制方法采用专利ZL201418002697.7中提出的基于自适应干扰抵消的直达波抑制方法进行目标穿越收发连线的时刻的提取。
本发明在典型实施例中取得了明显的实施效果，基于前向声散射的双发双收组网式目标探测方法操作方便，算法简单，而且具有良好的稳健性，在重要港口、航道、海峡等进行水下目标的探测，具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统，其特征在于包括两个发射端和两个接收端；两个发射端和两个接收端锚定于海底，形成平行四边形布局；将两个发射端分别记为Tx1和Tx2，两个接收端分别记为Rx1和Rx2，Tx1-Rx1、Rx1-Rx2、Rx2-Tx2和Tx2-Tx1就形成了平行四边形的四条边，而Tx1-Rx2和Tx2-Rx1为平行四边形的两条对角线；Tx1-Rx1的长度记为l，Rx1-Rx2的长度记为h，Tx1-Tx2和Tx2-Rx2的夹角记为α；形成的四条收发连线为：Tx1-Rx1、Tx1-Rx2、Tx2-Rx1和Tx2-Rx2；所述发射端与接收端的深度相等。
2.根据权利要求1所述基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统，其特征在于：当发射端的发射声源个数范围2～50个，接收水听器阵列数量范围2～50个，形成多发－多收的前向探测系统。
3.根据权利要求2所述基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统，其特征在于：所述发射声源间距10～10000米。
4.根据权利要求2所述基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统，其特征在于：所述接收水听器阵列间距10～10000米。
5.一种利用权利要求1所述基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统进行探测的方法，其特征在于：当目标以速度v沿直线匀速依次穿越Tx1-Rx1、Tx2-Rx1、Tx1-Rx2和Tx2-Rx2，其中目标在收发连线Tx1-Rx1上的穿越点到Rx1的水平距离记为d，目标航迹与收发连线Tx1-Rx1之间的夹角记为γ，通过对未知参数d、v和γ进行估计的步骤如下：
步骤1：采用直达波抑制方法提取目标穿越收发连线的时刻，由于在双发双收配置下存在四条收发连线，按照时间顺序将这四个时刻依次记为t1、t2、t3和t4；
步骤2：计算目标在穿越四条收发连线时对应的运动时间间隔分别表示为Δt21＝t2-t1，Δt32＝t3-t2，Δt43＝t4-t3；
步骤3：将Δt21、Δt32、Δt43以及l参数代入下式得到目标距离d的估计值：
其中：l为Tx1-Rx1的长度；
步骤4：将Δt21、Δt32、Δt43、l、h以及α参数代入下式得到目标航迹倾角α的估计值：
其中：h为Rx1-Rx2的长度，α为Tx1-Tx2和Tx2-Rx2的夹角；
步骤5：将Δt21、Δt32、Δt43、l、h以及α参数代入如下公式得到目标运动速度v的估计值：
6.一种利用权利要求1所述基于前向声散射的双发双收组网式目标探测系统进行探测的方法，其特征在于：当目标以速度v沿直线匀速依次穿越Tx1-Rx1、Tx1-Rx2、Tx2-Rx1和Tx2-Rx2，其中目标在收发连线Tx1-Rx1上的穿越点到Rx1的水平距离记为d，目标航迹与收发连线Tx1-Rx1之间的夹角记为γ，对未知参数d、v和γ估计步骤如下：
步骤1：采用直达波抑制方法提取出目标穿越收发连线的时刻，由于在双发双收配置下存在四条收发连线，按照时间顺序将这四个时刻依次记为t1、t2、t3和t4；
步骤2：计算目标在穿越四条收发连线时对应的运动时间间隔分别表示为Δt21＝t2-t1，Δt32＝t3-t2，Δt43＝t4-t3；
步骤3：将Δt21、Δt32、Δt43以及l参数代入下式得到目标距离d的估计值：
其中：l为Tx1-Rx1的长度；
步骤4：将Δt21、Δt32、Δt43、l、h以及α参数代入下式得到目标航迹倾角α的估计值：
其中：h为Rx1-Rx2的长度，α为Tx1-Tx2和Tx2-Rx2的夹角；
步骤5：将Δt21、Δt32、Δt43、l、h以及α参数代入如下公式得到目标运动速度v的估计值：
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