CN109490868B - 一种基于分布式垂直线列阵的海上目标运动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式垂直线列阵的海上目标运动分析方法，通过布放多个垂直线列阵，目标进行匀速直线运动，在垂直线列阵可测知运动目标距离的情况下，通过分布式垂直线列阵，联合实现对目标的测速和定向功能。本发明适用于所有能实现对目标距离、深度估计的水听器(阵)。应用场景包含所有可以实现本方法的浅海和深海环境。解决垂直线列阵不具备水平方向上的定向能力的缺陷，从而实现对运动目标的测向、测距、测速等功能。

Description

一种基于分布式垂直线列阵的海上目标运动分析方法

技术领域

本发明属于海上目标探测和跟踪方法，属于水声工程、海洋工程和声呐技术等领域，涉及一种基于分布式垂直线列阵的海上目标运动分析方法。

背景技术

海上目标定位和跟踪一直是水声工程研究的热点，其主要内容包括目标定向、测距、测速等。随着海洋战略发展的加速，海上预警和探测无疑是未来海洋战略发展的重要部分。对于海面目标的探测主要以雷达探测、卫星监测为主，该方面的技术目前已经较为完善，而对于水下目标的探测则一直是工程实际中较难解决的问题，其探测手段主要为声呐，包括吊放声呐、声呐浮标等各种形式的主被动声呐。

关于水下目标运动分析的问题国内外学者也已经有过大量的研究，主要涉及以下几类：(1)纯方位目标运动分析，该方法只利用了目标的方位信息，通过对目标方位的长时间连续跟踪实现对目标的定位，或利用多个声呐平台联合实现目标的定位追踪；(2)时延差目标运动分析，该方法利用多声呐平台接收目标的信号时延差信息，实现对目标的定位和跟踪；(3)信号比幅定位法，该方法利用各声呐接收到目标的信号大小比值等信息实现对目标的定位；(4)单声呐阵的匹配定位方法，该类方法利用单基地的声呐阵，通过信号到达角、时延信息等进行目标位置的匹配计算，通常应用于深海环境。对目标的连续定位或目标运动参数的持续更新则为跟踪问题。

垂直线列阵作为海上工程和实验中应用最多的声呐阵型之一，一直都是目标探测的主要研究阵型。垂直线列阵的特点是系统简约、布放简单、价格经济、孔径较大，近些年研究者提出了许多基于垂直线列阵的目标定位方法，尤其是在深海海域，垂直线列阵可以很好地利用深海信道的一些特征，实现目标的探测和定位。这些方法中多数以实现目标的距离-深度的二维信息估计为主。由于垂直线列阵不具备水平方向上的定向能力，所以对目标的定向以及目标运动速度的估计是垂直线列阵的缺点。那么通过增加垂直线列阵的数量就可以弥补定向和测速的缺陷，从而实现对运动目标的测向、测距、测速等功能。

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分布式垂直线列阵的海上目标运动分析方法，在默认垂直线列阵已探测得知目标的距离和深度的基础上，只对目标的运动速度和运动方向进行估计。本方法适用于目标为匀速直线运动的情况。

技术方案

一种基于分布式垂直线列阵的海上目标运动分析方法，其特征在于：在某海域布置多个垂直线列阵，海上目标运动分析步骤如下：

步骤1：当任一个垂直线列阵探测到目标并实现测距时，以该垂直线列阵所在位置为坐标原点，正东方向为x轴方向即0°方向，正北为y轴方向建立坐标系；目标初始出现距离为r₀，目标初始方向为θ，且目标沿方向角a以速度v进行匀速直线运动；

目标的初始位置为(r₀·cosθ,r₀·sinθ)，目标位置随时间t的变化为(r₀·cosθ+v·cosa·t,r₀·sinθ+v·sina·t)，根据声呐探测到的目标距离r如下：

由于

已知，则未知参数可视为只有v,cos(θ-a)，令Q＝v²，P＝2r₀vcos(θ-a)，则：

取n组已测得数据，其中：n≥3；

令

得方程组：

LX＝R

解得：X＝(L^TL)^-1L^TR

从而得到n组数据解得的最小二乘解，得到估计的目标速度；

步骤2：当运动目标进入相邻的第二个垂直线列阵的探测范围时，以步骤1的方法实时地对目标的速度进行计算，并结合第一个垂直线列阵测得的数据进行目标航线情况的估计；

定义两相邻的垂直线列阵的阵中心连线为基线，长度为D，根据目标航迹进行分析：

情况1、目标航线穿过基线：当目标沿某一方向进入并穿过第一垂直线列阵进入第二垂直线列阵，且目标全程做匀速直线运动；根据测得的目标距离数据，得知目标经过两个阵最近距离点的时间t_min1、t_min2，以及两个最近距离r_min1、r_min2；

以两个阵中心连线为x轴，第一垂直线列阵中心为原点，建立坐标系，目标运动方向与基线夹角为：

则两个离阵距离最近点间的距离为d₁：

情况2、目标航线没有穿过基线：

目标运动方向与基线夹角为：

两个离阵距离最近点间的距离为d₂：

利用步骤1计算得出的速度v计算两个离阵距离最近点间的距离d：

d＝v(t_min2-t_min1)

比较d₁、d₂与d，接近d数值的d₁或d₂的情况代表目标航线真实情况，以此速度信息确定目标的航线情况为情况1或情况2；

步骤3：由情况1或情况2得到两个可能的夹角，结合下一个探测到目标的垂直线列阵与第二个垂直线列阵的几何位置，确定目标航线的方向。

所述多个垂直线列阵阵元数为任意多个，阵元间距为任意值。

有益效果

本发明提出的一种基于分布式垂直线列阵的海上目标运动分析方法，通过布放多个垂直线列阵，目标进行匀速直线运动，在垂直线列阵可测知运动目标距离的情况下，通过分布式垂直线列阵，联合实现对目标的测速和定向功能。本发明适用于所有能实现对目标距离、深度估计的水听器(阵)。应用场景包含所有可以实现本方法的浅海和深海环境。解决垂直线列阵不具备水平方向上的定向能力的缺陷，从而实现对运动目标的测向、测距、测速等功能。

附图说明

图1：本发明方法流程图

图2：单垂直线列阵探测范围示意图

图3：步骤2所述的目标航线情况1

图4：步骤2所述的目标航线情况2

图5：实施例分布式垂直线列阵布阵示意图

图6：实施例目标运动角度仿真

图7：实施例目标运动仿真测速结果

图8：实施例虚解得到的测速结果

图9：实施例目标真实方向与虚解相近的情况

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

对上述目标定位方法进行跟踪仿真验证，仿真流程图如图1所示。仿真采用图5所示布阵方式。建立直角坐标系，设单垂直线列阵探测半径可达10km，各阵中心坐标如表1所示。

表1仿真各阵位置信息

设目标运动方向为15°，从原点出发进入声呐阵探测范围，速度10m/s。根据以上计算可得目标运动角度如图6所示。图6所示，在未检测到目标和只有一个阵检测到目标的情况下，没有得到方向角的估计结果。在某一时刻，即目标被第二个阵检测到时，便开始得到目标运动方向角的估计结果。由于刚进入第二个阵的检测范围，数据量不够，估算结果并不精确且不稳定，随着数据量的增加，角度估计结果趋于稳定接近真解。如图6中所示，在两个阵的数据信息下得到的除了真解外，还有一个对应的虚解。其航迹路线的概要图可以还原出来，如图5所示。实线为目标真实的航线，虚线则为虚解对应的航线。可以发现，两者在进入探测区域后经过的前两个探测线阵是相同的，而第三个线阵是不一样的，那么当有第三个线阵得到探测数据时便可以剔除虚解了。

分析方法为：

在单垂直线列阵实现目标距离估计的基础上，通过布放多个垂直线列阵，联合实现对目标的测速和定向功能。本发明基于垂直线列阵具备探测目标距离的基础，垂直线列阵探测目标距离的方法在已有文献中已提出较多。本发明假设目标进行匀速直线运动。

本发明流程图如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：在某海域布置多个垂直线列阵，垂直线列阵具备对目标距离和深度的探测能力。

步骤2：判断是否有垂直线列阵探测到目标，并持续更新探测信息。

步骤3：当有一个垂直线列阵探测到目标并实现测距时，以阵所在位置为坐标原点，正东方向为x轴方向(0°方向)，正北为y轴方向建立坐标系，如图2所示。设某目标在某时刻被声呐探测到并进入该声呐探测范围，设其初始出现距离为r₀(可测得)，目标初始方向为θ，且目标沿方向角a以速度v进行匀速直线运动。

可以得到目标的初始位置为(r₀·cosθ,r₀·sinθ)，r₀已知，目标位置随时间t的变化为(r₀·cosθ+v·cosa·t,r₀·sinθ+v·sina·t)，根据声呐探测到的目标距离r可得方程如下：

由于

已知，则未知参数可视为只有v,cos(θ-a)，令Q＝v²，P＝2r₀vcos(θ-a)，则式(1)可写为：

取n(n≥3)组已测得数据，令

可得方程组：

LX＝R (3)

上式可解得：

X＝(L^TL)^-1L^TR (4)

从而得到n组数据解得的最小二乘解，得到估计的目标速度。

步骤4：当运动目标进入第二个垂直线列阵的探测范围时，同样用步骤三实时地对目标的速度进行计算。同时需要结合第一个垂直线列阵测得的数据进行目标航线情况的估计。对两相邻的垂直线列阵，定义其阵中心连线为基线，设其长度为D。根据目标航迹有没有穿过基线可以将目标运动情况分两类进行讨论。

情况1是目标航线穿过基线，如图3所示。假设目标沿某一方向进入垂直线列阵1并穿过阵1进入阵2，目标全程做匀速直线运动。通过测得的目标距离数据，可以确定目标经过两个阵最近距离点的时间t_min1、t_min2，以及两个最近距离r_min1、r_min2。

以两个阵中心连线为x轴，阵1中心为原点，建立坐标系。目标运动方向与基线夹角为：

该情况下得到两个离阵距离最近点间的距离为d₁：

情况2即目标航线没有穿过基线，如图4所示。该种情况下，可得目标运动方向与基线夹角为：

该种情况下也存在双解。该情况下得到两个离阵距离最近点间的距离为d₂：

同时，利用式(4)求得的速度v及时间信息得到两个离阵距离最近点间的距离d：

d＝v(t_min2-t_min1) (9)

d的存在可以用于甄别实际情况是情况1还是情况2。对比d₁、d₂与d的关系，更接近d的那个值便代表了真实情况。基于此可以利用速度信息间接确定目标的航线情况。

步骤5：无论是情况1还是情况2，得到的目标方向与基线的夹角都有两个值(式(5)或式(7))，此时利用第三个探测到目标信息的垂直线列阵，根据第三个阵的位置，可以剔除一个虚解，即沿着该虚解对应的夹角方向前进目标无法进入第三个阵的探测范围的。

若由于目标方向与基线夹角太小，沿着夹角的两个解所在方向前进目标都会进入相同的第三个阵，此时需要利用更多的信息来进行剔除虚解，如第四个阵的信息。当实际中没有更多的可探测到目标的阵时，则保留两个方向均作为目标的可能运动方向。

图7所示为仿真情况下得到的各阵定速结果，可以看到，各阵得到的稳定测速结果均为10m/s，符合仿真设定的速度。图中各阵的编号与图5中对应，可见各阵出现测速结果的顺序为4—5—2—3。此处不防看一下虚解(即图5中所得的-15°方向角)情况下的测速结果，得到的结果示于图8。可以发现，虽然速度值也是正确的，但各阵出现测速的结果为4—5—8—9。该结果与如图4是相符的，即两种情况下目标所进入的第三个线阵是不一样的。所以说，可以利用第三个阵的测速结果来实现剔除虚解。当得到图7的仿真结果时，可以确定，目标运动方向的真解为15°，-15°是虚解。

当然，利用第三个线阵实现剔除虚解的情况在一类情况下是不行的，即方向真解与虚解很接近，导致两者的航迹进入的第三个线阵依然是同一个，如图9所示。这种情况下就需要更多的信息来实现虚解的剔除了，如第四个阵。但是这种情况下，虚解与真解所应用的方向已经很接近了，即便目标前进了几十公里，两者拉开的距离也比较小。再通过其他方式对目标实现精确探测和攻击时，即便对两种情况进行先后的排查也不会耗费太长的时间。

Claims (2)

1.一种基于分布式垂直线列阵的海上目标运动分析方法，其特征在于：在某海域布置多个垂直线列阵，海上目标运动分析步骤如下：

步骤1：当任一个垂直线列阵探测到目标并实现测距时，以该垂直线列阵所在位置为坐标原点，正东方向为x轴方向即0°方向，正北为y轴方向建立坐标系；目标初始出现距离为r₀，目标初始方向为θ，且目标沿方向角a以速度v进行匀速直线运动；

目标的初始位置为(r₀·cosθ,r₀·sinθ)，目标位置随时间t的变化为(r₀·cosθ+v·cosa·t,r₀·sinθ+v·sina·t)，根据声呐探测到的目标距离r如下：

由于

已知，则未知参数可视为只有v,cos(θ-a)，令Q＝v²，P＝2r₀vcos(θ-a)，则：

取n组已测得数据，其中：n≥3；

令

得方程组：

LX＝R

解得：X＝(L^TL)^-1L^TR

从而得到n组数据解得的最小二乘解，得到估计的目标速度；

步骤2：当运动目标进入相邻的第二个垂直线列阵的探测范围时，以步骤1的方法实时地对目标的速度进行计算，并结合第一个垂直线列阵测得的数据进行目标航线情况的估计；

定义两相邻的垂直线列阵的阵中心连线为基线，长度为D，根据目标航迹进行分析：

情况1、目标航线穿过基线：当目标沿某一方向进入并穿过第一垂直线列阵进入第二垂直线列阵，且目标全程做匀速直线运动；根据测得的目标距离数据，得知目标经过两个阵最近距离点的时间t_min1、t_min2，以及两个最近距离r_min1、r_min2；

以两个阵中心连线为x轴，第一垂直线列阵中心为原点，建立坐标系，方向角为：

则两个离阵距离最近点间的距离为d₁：

情况2、目标航线没有穿过基线：

方向角为：

两个离阵距离最近点间的距离为d₂：

利用步骤1计算得出的速度v计算两个离阵距离最近点间的距离d：

d＝v(t_min2-t_min1)

比较d₁、d₂与d，接近d数值的d₁或d₂的情况代表目标航线真实情况，以此速度信息确定目标的航线情况为情况1或情况2；

步骤3：由情况1或情况2得到两个可能的夹角，结合下一个探测到目标的垂直线列阵与第二个垂直线列阵的几何位置，确定目标航线的方向。

2.根据权利要求1所述基于分布式垂直线列阵的海上目标运动分析方法，其特征在于：所述多个垂直线列阵阵元数为任意多个，阵元间距为任意值。

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