CN108169753A - 一种分离式水下小平台声引信系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种分离式水下小平台声引信系统及探测方法。由探测模块、唤醒模块和值班模块组成，唤醒模块与探测模块集成在一起，值班模块集成在平台上，值班模块与探测模块物理上分离。探测模块负责对水面目标进行被动探测，确定目标的方位和距离，根据探测结果，利用水声通信值班和唤醒机制，将处于值班状态的平台唤醒，以便触发平台的安全保护措施。本发明突破集成式声引信系统受平台空间尺寸、功耗和外形等限制，解决声引信系统设计困难和实际应用效果差的问题。

Description

一种分离式水下小平台声引信系统及探测方法

技术领域

本发明涉及的是一种声引信系统。具体地说是一种水下小平台声引信系统及控制方法。

背景技术

随着我国对海洋资源的开发和利用，加强各类钻井平台、船舶、海洋基地和港口航道等重点水域的安保，对我国海洋强国战略和可持续性发展战略至关重要。对水面目标例如大型船舶进行探测和预警是水下安保的重要组成部分。利用小平台对水面目标的辐射噪声进行被动探测，具有布放灵活的优点。它能够自动在水下长期值守，对进入安保水域的目标进行预警，是重点水域安保的重要保障。

现有的声引信系统常采用声学探测基阵对水面目标的辐射噪声进行探测，然而小平台空间尺寸和较低功耗的限制，以及整体的流体动力学要求，给声引信系统的设计带来了极大的困难，虚警率高和检测概率低等缺陷使其很难在实际中获得较好的应用效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不受平台空间尺寸、功耗和外形的限制的分离式水下小平台声引信系统。本发明的目的还在于提供一种基于分离式水下小平台声引信系统的探测方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的分离式水下小平台声引信系统由探测模块、唤醒模块和值班模块组成，唤醒模块与探测模块集成在一起，值班模块集成在平台上，值班模块与探测模块物理上分离。

本发明的分离式水下小平台声引信系统还可以包括：

1、探测模块包括水听器基阵、姿态仪、深度计、锚定系统、释放器、浮球和封装在耐压仓中的多通道调理模块、信号处理模块和电池模块。

2、唤醒模块包括唤醒信号发射模块、发射控制模块和发射换能器，唤醒信号发射模块和发射控制模块封装在探测模块的耐压仓中。

3、值班模块包括接收换能器、信号整理模块、唤醒信号发射模块。

4、所述水听器基阵为圆形无指向性水听器，按照等间隔分布，阵元数为M，工作频率为f_c，阵元间距d满足：

基阵的半径r满足：

其中，c代表水声声速；M选择4、8、12或16，圆形水听器基阵通过支架与耐压舱固定连接。

基于本发明的分离式水下小平台声引信系统的探测方法为：

利用水上布放船，通过吊放机械将探测模块和平台按照设定阵型布放到水下，在下水前开机运行，平台和探测模块分别由锚系系统固定到海底；

探测模块与唤醒模块按如下步骤工作：

步骤1-1：水听器基阵接收水声信号；

步骤1-2：信号处理模块对水听器基阵输出的信号进行调理、同步采样，执行波束形成、信号检测；

步骤1-3：如果检测结果为不存在目标，则返回步骤1-2；

步骤1-4：检测到目标后，采用预成多波束插值法，对水面目标相对水听器基阵的水平方位和俯仰角进行估计；

步骤1-5：利用姿态仪的数据对步骤1-4估计的俯仰角和水平方位角进行补偿，获得补偿后水面目标相对水听器基阵的俯仰角φ和水平方位角θ；

步骤1-6：深度计输出水听器基阵距离水面的距离h，根据h和步骤1-5补偿后的俯仰角φ，按照如下公式计算水面目标相对水听器基阵的水平距离：

则目标相对基阵在水面的中心位置为(θ,L)；

步骤1-7：结合预先设置好的各平台、探测基阵相对位置信息，通过坐标变换，计算水面目标相对平台的位置,用(θ_i',L'_i)表示；

步骤1-8：根据步骤1-7计算的目标相对平台的位置(θ_i',L'_i)，判断水面目标是否进入到平台对抗的范围，如果没有进入平台的对抗范围，则返回步骤1-2；

步骤1-9：将水面目标的相对位置信息及对应的平台身份信息进行编码，通过唤醒信号发射模块、发射换能器向水中发射；

值班模块按照如下步骤工作：

步骤2-1：各平台上的值班模块实时工作，对接收换能器接收的水声信号进行调理和数字采集；

步骤2-2：检测接收的数据是否蕴含唤醒信号，如果不含唤醒信号，则返回步骤2-1；

步骤2-3：对接收的信号进行同步解调和解码；

步骤2-4：根据解码结果判断，是否是发给本平台的，如果不是，返回步骤2-1；

步骤2-5：唤醒平台，并将目标位置信息传递给平台；

锚系系统按照如下步骤工作：

步骤3-1：探测模块通过释放器和锚系系统固定到水底；

步骤3-2：如果释放器检测到断开锚绳的指令，斩断锚链，探测模块浮出水面，由吊放系统回收，关机；

步骤3-3：更换电池和维护后重新布放到水下。

本发明提供了一种用于水下小平台的分离式声引信系统及方法。突破集成式声引信系统受平台空间尺寸、功耗和外形等限制，解决声引信系统设计困难和实际应用效果差的问题。本发明涉及的声引信系统由值班模块、唤醒模块和探测模块三部部分构成，探测部分负责对水面目标进行被动探测，确定目标的方位和距离，根据探测结果，利用水声通信值班和唤醒机制，将处于值班状态的平台唤醒，以便触发平台的应对措施，适合海上重要水域的水面目标的安全保护。

本发明的分离式声引信采用分离式设计方案，将平台和引信分开设计，因此不再受平台空间、功耗和外形的限制，大大降低了引信系统设计的难度，同时提高了可靠性；引信部分负责对目标进行探测，并根据探测结果，通过水声通信唤醒平台，让平台开始工作；平台部分平时处于值班状态，因此可以节约更多的能源，增加水下值守的时间；另外，采取一定的编码方法，可以让一台引信系统唤醒多个平台，既节约成本又能够提供更为灵活的手段。

本发明的有益效果在于：目前的小平台声引信系统多采用集成式方式，受平台本身尺寸、功耗和流体外形的限制，引信系统的设计可采用的手段非常有限，而且对水面目标的探测和预警性能难以满足实际需求，虚警概率很高，不利于推广和灵活布放。发明的分离式小平台声引信系统和方法专门针对水面目标的近距离探测而设计的，将平台和引信系统分开设计，不受平台空间尺寸、功耗和外形的限制，设计更为灵活；将探测模块和水声通信的唤醒值班机制相结合，形成一种分离式的声引信系统，由于引信系统与平台物理上隔离，因此可以采用编码方式标识各个平台，形成一种1拖多的声引信模式，各平台根据唤醒信号中蕴含的身份信息决定是否唤醒；由于平台空闲状态时只运行低功耗的值班模块，因此延长了平台水下职守时间；1拖多的模式可以降低成本，同时探测与平台物理分开，安全性能好；采用释放器锚系系统，方便定期对引信系统进行维护和升级。

附图说明

图1a是本发明的分离式水下小平台声引信系统的唤醒模块与探测模块集成在一起的示意图；

图1b是本发明的分离式水下小平台声引信系统的值班模块集成在平台上的示意图；

图2是基于本发明的分离式水下小平台声引信系统的探测方法流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1a和图1b本发明的分离式水下声引信系统有由三部分组成，其中探测部分由浮球11、承重缆绳12、水听器接收基阵2、耐压仓4、多通道调理模块41、信号处理模块42、电源模块45、深度计5、姿态仪6、释放器7、锚系缆绳8组成；唤醒信号产生部分由唤醒信号发射模块43、唤醒信号发射控制模块44和发射换能器3组成；平台的值班部分由接收水听器91、信号调理模块92和唤醒信号检测模块93组成。

浮球11和耐压仓之间通过承重缆绳12连接，基阵2和耐压仓4之间通过支架固定连接，深度计5和姿态仪6通过水密接插件和串口与信号处理模块42相连，信号处理模块42通过串口与唤醒信号发射控制模块44相连；基阵通过多芯电缆和水密接插件与多通道调理模块41相连，整个探测系统通过锚系缆绳与释放器相连。数字信号处理模块42检测到信号后，进行测向和测距，并根结果，产生唤醒信号，并通过串口传递给唤醒信号发射模块43，经过唤醒发射控制模块44和发射换能器3发射出去。声引信系统的值班部分91～93集成到平台中，与探测部分在物理上是分开的，根据布放方案的不同，物理距离也不同。

本发明的接收基阵的设计，其结构、尺寸和工作频率必须考虑目标辐射噪声频谱和声强特性，接收基阵的尺寸根据系统工作频率设计，在500-1500Hz之间选择，具体是哪一个频率要结合具体的探测任务和接收基阵的共振频率共同决定，基阵尺寸和阵元分布按照公式进行。

结合附图2，基于本发明的分离式水下小平台声引信系统的探测方法如下：

步骤1：通过绞车等吊放装置将平台和引信探测系统分别吊放到水面附近，开机运行，系统经过一段时间后锚系到水底；

步骤2：分离式因新系统持续工作，将接收基阵输出的模拟信号调理和采样后，在信号处理机中进行检测，检测方法可采用线谱检测和能量阈值等检测方法，将线谱或能量作为统计量，利用Neyman-Pearson准则进行信号检测；

步骤3：如果检测到信号，则对当前帧多通道数据进行测向处理，具体方法可采用预成多波束插值方法，波束形成算法可采用常规波束形成、Capon波束形成或者自适应波束形成方法：

A.每隔10度计算一个波束，共36个波束，并计算每隔波束输出的平均功率；

B.计算36个平均功率的最大值和与其相邻的两个次大值；

C.根据三个值和他们对应的波束方向进行插值；

D.计算插值后曲线的最大值，就是目标相对基阵的水平方位；

E.把波束的水平期望方向固定在D中估计的目标相对方向；

F.在垂直0～90度方向上玉成9个波束，采用与A～E相似的方法估计目标相对基阵的仰角。

G.结合姿态仪数据对水平方位角和俯仰角进行补偿；

步骤4：根据深度计的深度数据和步骤3估计的目标仰角，计算目标相对基阵的水平距离，再根据目标3估计的目标水平角度对目标在海面的位置尽心定位，根据平台、探测系统和目标相对位置，判断目标是否进入到平台的对抗范围，如果进入对抗范围，数字信号处理模块将唤醒信号传递给唤醒发射模块；

步骤5:值班模块对接收到的水声信号调理采样后，进行唤醒信号检测，一旦检测到信号，就唤醒平台工作；

步骤6：如果释放器接收到释放指令，则斩断锚系缆绳，引信探测系统上浮，回收关机，维护后重新布放。

结合附图2，分离式声引信系统的实施方案2如下：本实施方案与实施方案不同之处在于：声引信系统采用1拖多的方式，也就是1个探测和唤醒信号发射模块，多个值班平台，探测模块发新目标后，根据目标与各值班平台之间的相对空间位置，唤醒离目标最近的平台，因此需要对唤醒信号进行编码，将各平台的身份信息编辑到编码中，可采用常用的通信编码方法，例如扩频编码。如果值班平台的数量较少，例如2～3个，可采用多个正角频率的组合信号作为唤醒信号，不同的频率组合代表不同的平台。

Claims (6)

1.一种分离式水下小平台声引信系统，由探测模块、唤醒模块和值班模块组成，其特征是：唤醒模块与探测模块集成在一起，值班模块集成在平台上，值班模块与探测模块物理上分离。

2.根据权利要求1所述的分离式水下小平台声引信系统，其特征是：探测模块包括水听器基阵、姿态仪、深度计、锚定系统、释放器、浮球和封装在耐压仓中的多通道调理模块、信号处理模块和电池模块。

3.根据权利要求2所述的分离式水下小平台声引信系统，其特征是：唤醒模块包括唤醒信号发射模块、发射控制模块和发射换能器，唤醒信号发射模块和发射控制模块封装在探测模块的耐压仓中。

4.根据权利要求3所述的分离式水下小平台声引信系统，其特征是：值班模块包括接收换能器、信号整理模块、唤醒信号发射模块。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的所述的分离式水下小平台声引信系统，其特征是：所述水听器基阵为圆形无指向性水听器，按照等间隔分布，阵元数为M，工作频率为f_c，阵元间距d满足：

基阵的半径r满足：

其中，c代表水声声速；M选择4、8、12或16，圆形水听器基阵通过支架与耐压舱固定连接。

6.一种基于权利要求4所述的分离式水下小平台声引信系统的探测方法，其特征是：

利用水上布放船，通过吊放机械将探测模块和平台按照设定阵型布放到水下，在下水前开机运行，平台和探测模块分别由锚系系统固定到海底；

探测模块与唤醒模块按如下步骤工作：

步骤1-1：水听器基阵接收水声信号；

步骤1-2：信号处理模块对水听器基阵输出的信号进行调理、同步采样，执行波束形成、信号检测；

步骤1-3：如果检测结果为不存在目标，则返回步骤1-2；

步骤1-4：检测到目标后，采用预成多波束插值法，对水面目标相对水听器基阵的水平方位和俯仰角进行估计；

步骤1-5：利用姿态仪的数据对步骤1-4估计的俯仰角和水平方位角进行补偿，获得补偿后水面目标相对水听器基阵的俯仰角φ和水平方位角θ；

步骤1-6：深度计输出水听器基阵距离水面的距离h，根据h和步骤1-5补偿后的俯仰角φ，按照如下公式计算水面目标相对水听器基阵的水平距离：

则目标相对基阵在水面的中心位置为(θ,L)；

步骤1-7：结合预先设置好的各平台、探测基阵相对位置信息，通过坐标变换，计算水面目标相对平台的位置,用(θ′_i,L′_i)表示；

步骤1-8：根据步骤1-7计算的目标相对平台的位置(θ′_i,L′_i)，判断水面目标是否进入到平台对抗的范围，如果没有进入平台的对抗范围，则返回步骤1-2；

步骤1-9：将水面目标的相对位置信息及对应的平台身份信息进行编码，通过唤醒信号发射模块、发射换能器向水中发射；

值班模块按照如下步骤工作：

步骤2-1：各平台上的值班模块实时工作，对接收换能器接收的水声信号进行调理和数字采集；

步骤2-2：检测接收的数据是否蕴含唤醒信号，如果不含唤醒信号，则返回步骤2-1；

步骤2-3：对接收的信号进行同步解调和解码；

步骤2-4：根据解码结果判断，是否是发给本平台的，如果不是，返回步骤2-1；

步骤2-5：唤醒平台，并将目标位置信息传递给平台；

锚系系统按照如下步骤工作：

步骤3-1：探测模块通过释放器和锚系系统固定到水底；

步骤3-2：如果释放器检测到断开锚绳的指令，斩断锚链，探测模块浮出水面，由吊放系统回收，关机；

步骤3-3：更换电池和维护后重新布放到水下。