CN109061652B - 一种水声组网探测系统的探测效能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声组网探测系统的探测效能评估方法，包括：根据声纳方程，计算得到探测系统在不同方向处的理论探测距离，并通过试验测量得到不同方向处的实际探测距离；根据理论探测距离和实际探测距离，解算得到探测能力系数；根据选取的网络中距离最远的节点a和节点b之间的通信时延解算得到通信能力系数；根据节点a与节点b之间的传播损失，解算得到海洋环境表征能力系数；根据合作目标在试验水域中不同方向θ处的辐射噪声级，解算得到目标特性表征能力系数；根据从专家数据库中获取的权重系数解算得到探测系统的探测效能评估值。通过本发明能够尽可能全面、客观的对系统各方面性能进行评价比较，还能够为系统的优化配置提供科学的参考依据。

Description

一种水声组网探测系统的探测效能评估方法

技术领域

本发明属于水声探测技术领域，尤其涉及一种水声组网探测系统的探测效能评估方法。

背景技术

随着水下声传感器组网技术的发展，利用静止的水下被动传感网络、运动的水下航行器主/被动探测平台联合探测水下目标，能够有效提高系统探测性能。探测平台的立体化、多元化、复杂化为整个系统的探测效能评估提出了更高的要求。

层次分析法是一种最为常用的系统效能评估方法，核心在于按照逻辑关系将系统效能逐层分解，其内在的层次分解逻辑可概括为“总系统-子系统-子系统指标”。层次分解后，需计算各子系统指标，然后按照权重计算子系统的效能，再按照子系统权重计算总系统效能。该方法的本质是子系统效能评估结果的加权求和，其发展建立在对单个设备效能评估的基础之上。事实上，组网探测系统的效能并不能简单的看作是各设备探测效能的线性组合。网络中各节点间的信息传递效率、信道效应和目标特性等因素，都会综合影响整个网络的探测效能，而传统的基于“系统结构层级划分”的层次分析法不能考量到这些方面的因素，对于海洋环境、目标特征的不确定性不具备表征能力。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种水声组网探测系统的探测效能评估方法，有效的提高了对水下目标的探测范围与感知性能，不仅能够尽可能全面、客观的对系统各方面性能进行评价比较，还能够为系统的优化配置提供科学的参考依据。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种水声组网探测系统的探测效能评估方法，包括：

根据声纳方程，计算得到探测系统在不同方向θ处的理论探测距离R₀(θ)，并通过试验测量得到不同方向θ处的实际探测距离R₁(θ)；

根据所述理论探测距离R₀(θ)和所述实际探测距离R₁(θ)，解算得到探测能力系数A₁；

选取网络中距离最远的两个节点a、b，根据节点a与节点b之间的通信时延解算得到通信能力系数A₂；

根据节点a与节点b之间的传播损失，解算得到海洋环境表征能力系数A₃；

根据合作目标在试验水域中不同方向θ处的辐射噪声级，解算得到目标特性表征能力系数A₄；

从专家数据库中获取A₁、A₂、A₃和A₄对应的权重系数η₁、η₂、η₃和η₄，并解算得到探测系统的探测效能评估值A₀＝A₁η₁+A₂η₂+A₃η₃+A₄η₄。

在上述水声组网探测系统的探测效能评估方法中，所述根据所述理论探测距离R₀(θ)和所述实际探测距离R₁(θ)，解算得到探测能力系数A₁，包括：

根据所述理论探测距离R₀(θ)和所述实际探测距离R₁(θ)，解算得到探测距离系数rp(θ)：

取在θ方向上R₁(θ)距离处的探测次数为M，在θ方向上R₁(θ)距离处成功探测到目标的次数为m，则探测的概率P_T(θ)为：

则，探测能力系数A₁为：

其中，N表示N个不同的方向。

在上述水声组网探测系统的探测效能评估方法中，M＞100；若A₁＞1，则令A₁＝1。

在上述水声组网探测系统的探测效能评估方法中，所述选取网络中距离最远的两个节点a、b，根据节点a与节点b之间的通信时延解算得到通信能力系数A₂，包括：

确定节点a与节点b之间的距离D；

根据节点a与节点b之间的距离D，解算得到理论通信时延τ₀：

其中，c表示测量试验水域在节点深度处的声速；

确定平均实际时延τ₁、误码率p_m，以及，节点a与节点b之间通信时经过的中继节点数w，并解算得到通信能力系数A₂：

在上述水声组网探测系统的探测效能评估方法中，若A₂＞1，则令A₂＝1。

在上述水声组网探测系统的探测效能评估方法中，所述根据节点a与节点b之间的传播损失，解算得到海洋环境表征能力系数A₃，包括：

根据从节点a发送编码信号至节点b的次数K，解算得到节点a与节点b之间的传播损失的平均理论值TL₁；其中，K＞1000；

采用声场建模算法仿真，通过Monte Carlo方法，得到节点a与节点b之间的传播损失的平均估计值TL₀；

根据传播损失的平均理论值TL₁和传播损失的平均估计值TL₀，解算得到海洋环境表征能力系数A₃：

在上述水声组网探测系统的探测效能评估方法中，所述根据合作目标在试验水域中不同方向θ处的辐射噪声级，解算得到目标特性表征能力系数A₄，包括：

确定在试验水域中合作目标在运动过程中对应的I个目标坐标；

分别记录L个节点接收到的等效辐射噪声级Sn(l,i)；其中，i＝1、2、3…I，l＝1、2、3…L；

根据节点坐标和目标坐标之间的关系，计算目标i与节点l之间的夹角

并确定合作目标在夹角

方向的辐射噪声级

求解目标特性表征能力系数A₄：

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开的水声组网探测系统的探测效能评估方法，除传统方法中关注的设备自身探测性能外，全面的考虑了设备自身的探测能力、设备间的信息传递能力、系统对海洋环境的表征能力以及对目标特性的表征能力，对影响系统效能的各方面因素给出了综合而全面的考量评价体系，提高了对水下目标的探测范围与感知性能，合理的效能评估方法不仅能够尽可能全面、客观的对系统各方面性能进行评价比较，还能够为系统的优化配置提供科学的参考依据。

(2)本发明提供了系统级指标的分解评估，在系统设计和方案论证阶段，能够对系统的探测性能进行预测性分析；在系统研制阶段，能够以系统探测效能作为优化目标，对系统进行优化设计；在系统应用阶段，能够对系统的各方面性能进行全面客观的比较评估，进而制定优化配置方案，为系统的科学使用提供依据。

附图说明

图1是本发明实施例中一种水声组网探测系统的探测效能评估方法的层次分解示意图；

图2是本发明实施例中一种水声组网探测系统的探测效能评估方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种水声组网探测系统的探测效能评估方法的层次分解示意图。在本实施例中，可按照“系统自身因素”与“客观环境因素”将探测系统的效能评估分为两大方面；进一步的，“系统自身因素”可分解为“探测能力因素”和“通信能力因素”，“客观环境因素”可分解为“海洋环境表征能力因素”和“目标特性表征能力因素”。

进一步的，“探测能力因素”具体可以包括：探测距离和检测概率等因素，“通信能力因素”具体可以包括：系统延时和误码率等因素，“海洋环境表征能力因素”具体可以包括：传播损失估计误差等因素，“目标特性表征能力因素”具体可以包括：目标特性测量误差，其中，目标特性表征能力指系统对目标的辐射噪声测量误差。

综上可见，本发明所述的水声组网探测系统的探测效能评估方法对系统的探测效能进行了分级分解处理，最终按照划分的层次加权求出系统的总探测效能。在本实施例中，系统探测能力包含了受各传感设备探测性能综合影响的系统探测距离和目标检测概率等因素；系统通信能力包含了由于系统时延和误码率影响系统通信能力的因素；系统对海洋环境表征能力包含了系统对传播损失的估计能力，是对海洋环境不确定性认知能力的体现；系统对目标特性的表征能力包含了系统对合作目标在理想环境中的测量准确性；各层次中因素都是体现系统能力的因素，而非某子系统或某设备性能指标的因素，能够对系统的各方面性能进行全面客观的比较评估，进而制定优化配置方案，为系统的科学使用提供依据。

参照图2，示出了本发明实施例中一种水声组网探测系统的探测效能评估方法的步骤流程图。在本实施例中，所述水声组网探测系统的探测效能评估方法，包括：

步骤101，根据声纳方程，计算得到探测系统在不同方向θ处的理论探测距离R₀(θ)，并通过试验测量得到不同方向θ处的实际探测距离R₁(θ)。

在本实施例中，探测距离可根据声纳方程中的传播损失TL计算得到：球面扩展假设下，TL＝20lgr，r表示探测距离的关心范围。测量实际探测距离时，在不同方向上的较近距离处(比如预测距离5km，较近距离可取2-3km)，通过调降声源级，测量最小可检测声源级MDSL，通过传播损失TL折算得到实际探测距离R₁(θ)。

步骤102，根据所述理论探测距离R₀(θ)和所述实际探测距离R₁(θ)，解算得到探测能力系数A₁。

在本实施例中，可以通过如下方式计算得到探测能力系数A₁：

根据所述理论探测距离R₀(θ)和所述实际探测距离R₁(θ)，解算得到探测距离系数rp(θ)：

取在θ方向上R₁(θ)距离处的探测次数为M，在θ方向上R₁(θ)距离处成功探测到目标的次数为m，则探测的概率P_T(θ)为：

则，探测能力系数A₁为：

其中，N表示N个不同的方向。

优选的，M＞100；若A₁＞1，则令A₁＝1。

其中，需要说明的时，成功探测到目标的标准是接收机经过目标检测后，目标回波信号高于系统设定的门限值。

步骤103，选取网络中距离最远的两个节点a、b，根据节点a与节点b之间的通信时延解算得到通信能力系数A₂。

在本实施例中，可以通过如下方式计算得到通信能力系数A₂：

确定节点a与节点b之间的距离D。

根据节点a与节点b之间的距离D，解算得到理论通信时延τ₀：

其中，c表示测量试验水域在节点深度处的声速。

确定平均实际时延τ₁、误码率p_m，以及，节点a与节点b之间通信时经过的中继节点数w，并解算得到通信能力系数A₂：

优选的，若A₂＞1，则令A₂＝1。

其中，需要说明的是，w+2表示信号从节点a传输到节点b的过程中途径的中继节点数w及节点a和节点b本身。

步骤104，根据节点a与节点b之间的传播损失，解算得到海洋环境表征能力系数A₃。

在本实施例中，可以通过如下方式计算得到海洋环境表征能力系数A₃：

根据从节点a发送编码信号至节点b的次数K，解算得到节点a与节点b之间的传播损失的平均理论值TL₁；其中，K＞1000。

采用声场建模算法仿真，通过Monte Carlo方法，得到节点a与节点b之间的传播损失的平均估计值TL₀。

根据传播损失的平均理论值TL₁和传播损失的平均估计值TL₀，解算得到海洋环境表征能力系数A₃：

其中，需要说明的是，声场建模算法指不同频率下的典型方法，高频采用BELLHOP模型，低频采用RAM模型。

步骤105，根据合作目标在试验水域中不同方向θ处的辐射噪声级，解算得到目标特性表征能力系数A₄。

在本实施例中，可以通过如下方式计算得到目标特性表征能力系数A₄：

确定在试验水域中合作目标在运动过程中对应的I个目标坐标。

分别记录L个节点接收到的等效辐射噪声级Sn(l,i)；其中，i＝1、2、3…I，l＝1、2、3…L。

根据节点坐标和目标坐标之间的关系，计算目标i与节点l之间的夹角

并确定合作目标在夹角

方向的辐射噪声级

求解目标特性表征能力系数A₄：

其中，需要说明的是，合作目标在试验水域中测量辐射噪声时，其位置需固定，实际测量等效辐射噪声级时，需根据目标与节点距离折算掉传播损失值。

步骤106，从专家数据库中获取A₁、A₂、A₃和A₄对应的权重系数η₁、η₂、η₃和η₄，并解算得到探测系统的探测效能评估值A₀＝A₁η₁+A₂η₂+A₃η₃+A₄η₄。

在本实施例中，专家数据库中存储的权重系数η₁、η₂、η₃和η₄可根据对探测系统的不同能力的重视程度确定，本实施例对此不作限制，

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种水声组网探测系统的探测效能评估方法，其特征在于，包括：

根据声纳方程，计算得到探测系统在不同方向θ处的理论探测距离R₀(θ)，并通过试验测量得到不同方向θ处的实际探测距离R₁(θ)；

根据所述理论探测距离R₀(θ)和所述实际探测距离R₁(θ)，解算得到探测距离系数rp(θ)：

取在θ方向上R₁(θ)距离处的探测次数为M，在θ方向上R₁(θ)距离处成功探测到目标的次数为m，则探测的概率P_T(θ)为：

则，探测能力系数A₁为：

其中，N表示N个不同的方向，M＞100，若A₁＞1，则令A₁＝1；

确定节点a与节点b之间的距离D；根据节点a与节点b之间的距离D，解算得到理论通信时延τ₀：

确定平均实际时延τ₁、误码率p_m，以及，节点a与节点b之间通信时经过的中继节点数w，并解算得到通信能力系数A₂：

其中，c表示测量试验水域在节点深度处的声速，若A₂＞1，则令A₂＝1；

根据从节点a发送编码信号至节点b的次数K，解算得到节点a与节点b之间的传播损失的平均理论值TL₁；采用声场建模算法仿真，通过Monte Carlo方法，得到节点a与节点b之间的传播损失的平均估计值TL₀；根据传播损失的平均理论值TL₁和传播损失的平均估计值TL₀，解算得到海洋环境表征能力系数A₃：

其中，K＞1000；

确定在试验水域中合作目标在运动过程中对应的I个目标坐标；分别记录L个节点接收到的等效辐射噪声级Sn(l,i)；根据节点坐标和目标坐标之间的关系，计算目标i与节点l之间的夹角

并确定合作目标在夹角

方向的辐射噪声级

求解目标特性表征能力系数A₄：

其中，i＝1、2、3…I，l＝1、2、3…L；

从专家数据库中获取A₁、A₂、A₃和A₄对应的权重系数η₁、η₂、η₃和η₄，并解算得到探测系统的探测效能评估值A₀＝A₁η₁+A₂η₂+A₃η₃+A₄η₄。

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