CN109975813A - 一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法，本发明涉及基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法。本发明是要解决现有水下滑翔机平台对水下弱线谱目标探测距离近的问题。过程为：1、在水下滑翔机上搭载十字阵水听器和罗经辅助系统；得到二组分段互谱结果；2、得到每组对应的虚拟阵的长积分互谱叠加结果；3、判断目标的有无，若有目标，测得目标线谱频率，若无目标，表示未检测到线谱目标；4、分别测得目标相对于十字阵中1、3阵元和2、4阵元构成的子阵方位角；5、得到目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角；6、得到目标相对于水下滑翔机平台的大地坐标真方位。本发明用于线谱目标被动探测领域。

Description

一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法

技术领域

本发明涉及线谱目标被动探测方法。

背景技术

深海由于环境特殊性要实现对水下声目标被动探测和海洋环境噪声特性测量对探测系统平台有着严格的要求。深海水下滑翔机平台则是能够满足上述要求的良好载体。深海声传播存在明显的声汇聚和影区效应，系统的探测性能受工作深度的影响较大，探测系统要具有多个深度声信号采集记录能力，以保证探测设备可以对位于不同距离的目标进行有利探测。水下滑翔机作为新型水下探测平台，其具有水下工作时间长、可变深度采集声学信息、自控能力强、隐蔽性好、信息传输便捷等特点，在水声探测和声学海洋环境监测中可发挥重要的作用。水下滑翔机平台探测系统的缺点在于尺寸小，搭载能力差。依靠电池供电，电力有限。因此无法装载大型声学探测系统。

经过文献检索发现，有下列文献对基于滑翔机平台的声学探测问题进行了讨论：

袁华，严必虎.水下滑翔机在水声探测体系中的运用研究.现代防御技术.2016，44(1)：128-133页.(以下简称文献1)

经过文献检索发现，以下文献对罗经姿态修正方法进行了研究。

牛嗣亮，张振宇，胡永明，倪明.采用姿态修正的单矢量水听器远场测向技术.声学技术.2008，27(5)：58-55.(以下简称文献2)

文献1研究了综述了滑翔机平台发展现状以及在水下探测中的应用现状及未来可能的应用模式。通过文献1的描述可知基于滑翔机平台的水下探测具有广泛的发展前景，而目前在水下的应用主要集中在对海洋环境噪声特性的监测、数据收集和近岸水下目标的侦察工作。并未针对深海环境下对远距离水下弱线谱目标被动探测给出声学系统样式和探测方法。

文献2给出了一种矢量阵测向时罗经姿态修正方法。

发明内容

本发明是要解决现有水下滑翔机平台只能对近距离水下弱线谱目标进行探测的问题，而提出了一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法。

一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法具体过程为：

步骤1、在水下滑翔机上搭载十字阵水听器和罗经辅助系统；

罗经辅助系统型号是：美国PNI公司的TCM3电子罗经；

水下滑翔机搭载的十字阵水听器位于水下滑翔机尾翼顶端；

水下滑翔机搭载的罗经辅助系统位于十字阵水听器中间的位置；

对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的1、3阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的2、4阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

步骤2、对每组分段互谱结果进行叠加求和，得到每组对应的虚拟阵的长积分互谱叠加结果；

步骤3、对每组对应的虚拟阵的长积分互谱叠加结果取模得到幅度谱，然后将两组幅度谱相加取均值，得到十字阵平均幅度谱，再对十字阵平均幅度谱进行线谱检测判断目标的有无，若有目标，测得目标线谱频率f₀，若无目标，表示未检测到线谱目标；

步骤4、对检测到的目标线谱频率f₀所对应的两组长积分互谱叠加结果分别取相位，利用相位信息进行目标测向，分别测得目标相对于十字阵中1、3阵元和2、4阵元构成的子阵方位角θ₁₃、θ₂₄；

步骤5、基于子阵方位角θ₁₃、θ₂₄，得到目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'；

步骤6、利用水下滑翔机上搭载的罗经辅助系统记录的罗经数据对得到的目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'进行修正，得到目标相对于水下滑翔机平台的大地坐标真方位θ。

本发明的有益实施效果为：

利用水下滑翔机平台搭载声学测量系统是目前水下滑翔机的一个热门研究方向，一些已有的滑翔机平台通过搭载声学设备能够完成海洋环境噪声特性的收集和简单的高信噪比目标检测，本发明提出了一种利用滑翔机平台搭载小规模十字阵声学系统以及罗经辅助系统对弱线谱目标进行远距离被动探测的方法。本发明的应用主要针对深海弱线谱目标进行探测。

为了使有限的平台上搭载的小型十字阵探测系统获得好的线谱目标被动探测能力，本发明研究了一种十字阵互谱被动探测方法，利用滑翔机平台的深度机动能力在不同深度采集的声信号形成虚拟垂直阵，通过分段对每一层十字阵互谱后再分层叠加的长积分处理方式实现对远距离弱线谱目标的被动探测，提高了对水下弱线谱目标的探测能力。

利用滑翔机平台在深度方向的机动特性可以使探测系统位于深海有利探测深度，充分利用深海声传播的汇聚区现象(探测系统在汇聚区时接收到的信号传播损失可以比非汇聚区小10dB甚至更多)；并可以通过滑翔机平台搭载的小规模十字阵声学系统在不同有利探测深度层采集的声信号信息进而虚拟出十字垂直体积阵信号，分段对每一层十字阵信号进行互谱计算，然后再分层叠加得到互谱叠加的长积分处理结果，利用虚拟阵长积分处理可以在单点时间积分基础上获得额外的处理增益，从而实现对弱线谱目标更远的被动探测距离，使探测距离至少增加一倍以上。

附图说明

图1是100m深声源目标在深海的传播损失仿真示意图；

图2是滑翔机搭载阵列应用场景示意图；

图3是滑翔机搭载的十字阵列示意图；

图4是十字阵线谱目标被动探测方法处理框图；

图5是线谱检测过程框图；

图6是双向α滤波处理框图；

图7是各阶段互谱结果对比图；

图8是单线谱目标连续谱背景提取及目标检测仿真图。

图9是多线谱目标连续谱背景提取及目标检测仿真图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法具体过程为：

如图1所示，深海声传播存在明显的声汇聚和影区效应，不同距离的目标声汇聚区深度不同，系统的探测性能受工作深度的影响较大，探测系统要具有多个深度声信息采集记录能力，以保证探测设备可以对位于不同距离的目标进行有利探测，滑翔机平台具有深度方向机动能力，是能够满足上述要求的良好载体。因此，所给出的方法为了充分利用滑翔机的深度机动性能，设计了一种对深度测得信号进行长积分的处理方法。

滑翔机探测工作状态示意图如图2所示，探测时保持大倾角滑翔的运动状态下行运动，工作时可采集到不同深度层的声信号信息。滑翔机搭载的十字阵水听器位于尾翼顶端，尾翼横向水平，纵向需根据预设的滑翔倾角进行设计使得十字阵的四个水听器尽量位于同一平面，并保证滑翔时姿态稳定无大的随机抖动。各阵元序号定义如图3所示，图中1、2、3、4代表阵元序号。1、2、3、4阵元接收的信号分别为x₁(t)、x₂(t)、x₃(t)、x₄(t)。

结合十字阵线谱目标被动探测方法处理框图即图4进行具体说明，一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法，它按以下步骤实现：

步骤1、在水下滑翔机上搭载十字阵水听器和罗经辅助系统；

罗经辅助系统型号是：美国PNI公司的TCM3电子罗经；

水下滑翔机搭载的十字阵水听器位于水下滑翔机尾翼顶端；

水下滑翔机搭载的罗经辅助系统位于十字阵水听器中间的位置；

对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的1、3阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的2、4阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

步骤2、对每组分段互谱结果进行叠加求和，得到每组对应的虚拟阵的长积分互谱叠加结果；

步骤3、对每组对应的虚拟阵的长积分互谱叠加结果取模得到幅度谱，然后将两组幅度谱相加取均值，得到十字阵平均幅度谱，再对十字阵平均幅度谱进行线谱检测判断线谱目标的有无，若有线谱目标，测得目标线谱频率f₀，若无线谱目标，表示未检测到线谱目标；

步骤4、对检测到的目标线谱频率f₀所对应的两组长积分互谱叠加结果分别取相位，利用相位信息进行目标测向，分别测得目标相对于十字阵中1、3阵元和2、4阵元构成的子阵方位角θ₁₃、θ₂₄；

步骤5、基于子阵方位角θ₁₃、θ₂₄，得到目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'；

步骤6、利用水下滑翔机上搭载的罗经辅助系统记录的罗经数据对得到的目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'进行修正，得到目标相对于水下滑翔机平台的大地坐标真方位θ。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤1中对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的1、3阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的2、4阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

具体过程为：

过程如图3所示，图中1、2、3、4代表阵元序号。

水下滑翔机平台下行过程中采集十字阵的1、3阵元接收的信号x₁(t)、x₃(t)；

水下滑翔机平台下行过程中采集十字阵的2、4阵元接收的信号x₂(t)、x₄(t)；

将1、2、3、4四个阵元时间长度为T_M的接收信号划分为M段，每段信号时间长度为T，T_M＝MT；

对1、3阵元每段信号作互谱，得到一组分段互谱结果；

对2、4阵元每段信号作互谱，得到一组分段互谱结果。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤3中对十字阵平均幅度谱进行线谱检测，具体方式为：

采用双向α滤波线谱检测的方法对十字阵平均幅度谱进行线谱检测，如图5所示，过程为：

首先对十字阵平均幅度谱进行双向α滤波提取连续谱背景，过程为：

双向α滤波的具体实施方式如图6所示。

根据双向α滤波公式提取连续谱背景，双向α滤波计算公式为：

Y(k)＝Y(k-1)+α[X(k)-X(k-1)]

式中，α为滤波器系数；X(k)表示滤波器的输入序列，Y(k)表示双向滤波器的输出序列，k代表序列中的当前点，k-1代表当前点k的上一点；

设置门限值DT，在连续谱背景的基础上加上门限值DT得到检测背景曲线，

如果平均幅度谱中有高于检测背景曲线的线谱则判定为检测到线谱目标，将平均幅度谱中高于检测背景曲线的线谱判定为线谱目标；

如果平均幅度谱中没有高于检测背景曲线的线谱则判定为未检测到线谱目标；

如果检测到线谱目标，取线谱谱级最大值位置对应的频率为该线谱目标频率f₀；

门限值DT取6dB或8dB；

本发明中的输入序列是十字阵平均幅度谱，k则对应的是十字阵平均幅度谱的频率值。双向滤波器是将平均幅度谱进行一次正向α滤波之后将输出结果反转，再进行一次反向α滤波。对十字阵平均幅度谱进行线谱检测，也可以采用恒虚警线谱检测的方式在连续谱背景下对线谱进行检测。也可以采用线谱相位方差加权的方式等多种方式实现线谱检测。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤4中对检测到的目标线谱频率f₀所对应的两组长积分互谱叠加结果分别取相位，利用相位信息进行目标测向，分别测得目标相对于十字阵中1、3阵元和2、4阵元构成的子阵方位角θ₁₃、θ₂₄；具体过程为：

首先获得目标线谱频率f₀对应的两组长积分互谱叠加结果的相位然后利用相位信息分别获得目标相对于1、3阵元和2、4阵元的方位角θ₁₃、θ₂₄；计算公式如下：

式中，d为阵元间距，c为水中声速。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤5中基于子阵方位角θ₁₃、θ₂₄，得到目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'；具体过程为：

由于双基元互谱只能求得目标相对于阵列0～180°的夹角信息，无法分辨目标位于阵列的左侧还是右侧，有方位模糊，因此需要根据两个垂直的阵列的结果来对目标相对于十字阵的真实方位进行解模糊判别。此外，对于每个子阵而言，测向结果都是在靠近阵列法线方向附近的角度精度高，在靠近阵端射方向附近角度精度低，本发明中最终角度始终根据两个子阵中测量精度高的子阵方位角进行解算。

目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'具体计算方式如下：

一个角度只有一个值，但是在不同的象限会有不同的计算公式，这几个公式规定了在什么条件下用哪个公式。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤6中利用水下滑翔机上搭载的罗经辅助系统记录的罗经数据对得到的目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'进行修正，得到目标相对于水下滑翔机平台的大地坐标真方位θ；具体过程为：

在滑翔机平台以大倾角接近垂直上下姿态滑翔时，修正计算公式可近似为：

θ＝θ'-ε_j

式中，ε_j为罗经辅助系统记录的水下滑翔机水平航向角，为北偏东夹角；

所述大倾角为滑翔机平台相对于水平面的纵倾角大于等于75度。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

本方法适用于低频线谱目标检测和方位估计，能够正确估计方位信息的频率上限为使得十字阵1、3和2、4号基元阵间距小于半波间距的情况，否则会出现测向模糊。例如1、3或2、4的阵元间距为1.5m时，则适用的频率上限为500Hz。实际中大多数舰船目标的线谱信息分布的主要频段小于500Hz。而1.5m翼展对于小型滑翔机平台而已也是可接受的。

本发明仅列举了单个线谱的目标检测和测频方法，但该过程并不局限于单线谱目标的情况，亦可适用于对多个线谱目标的检测，其判决过程是在步骤3的目标有无检测判别时，凡是过门限的频率都可判决为线谱目标，再对过门限的频点进行局部峰选测频并记录频率结果，得到多个目标的线谱频率。然后对测得的每个目标频率重复步骤4到步骤6的过程，得到所有线谱目标的方位信息。如图9。

频点进行局部峰选测频的过程是对每个过门限的峰值取最大值，然后读取最大值对应的频率(图中的横坐标)，得到所有目标的频率指。如图9。

本发明给出的一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法在步骤6中利用同步采集罗经数据进行相位或角度修正时，为了简化计算采用了一种近似角度修正公式，但并不局限于这一种修正方式，也可以采用其它多种标准修正方法。

实施案例

按照具体实施方式的方案进行仿真分析：

图7、图8、图9是一组线谱目标被动探测的仿针结果，仿真条件为每次分段互谱计算的时间长度为1s，互谱长积分时间长度为100s。单线谱仿真频率为100Hz。多线谱目标线谱频率为20Hz，40Hz，60Hz，80Hz，100Hz。图7中显示的曲线线为1、3阵元分段互谱结果，线为1、3阵元互谱长积分结果，为1、3阵元和2、4阵元平均幅度谱的结果。通过对比可以发现，互谱长积分处理后可以获得比分段互谱结果更多的处理增益，而平均幅度谱则具有更平稳的噪声背景。图8和图9分别仿真的是对单线谱目标和多线谱目标的检测过程，图中线为平均幅度谱结果，线为对平均幅度谱取连续谱背景得到的连续谱背景结果，为在连续谱背景基础上加上6dB检测域即DT＝6dB情况得到的检测门限曲线，图中超过分门限曲线的峰值即为线谱目标。

本发明还可有多种实施案例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法，其特征在于：

步骤1、在水下滑翔机上搭载十字阵水听器和罗经辅助系统；

水下滑翔机搭载的十字阵水听器位于水下滑翔机尾翼顶端；

水下滑翔机搭载的罗经辅助系统位于十字阵水听器中间的位置；

对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的1、3阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的2、4阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

步骤2、对每组分段互谱结果进行叠加求和，得到每组对应的虚拟阵的长积分互谱叠加结果；

步骤3、对每组对应的虚拟阵的长积分互谱叠加结果取模得到幅度谱，然后将两组幅度谱相加取均值，得到十字阵平均幅度谱，再对十字阵平均幅度谱进行线谱检测判断目标的有无，若有目标，测得目标线谱频率f₀，若无目标，表示未检测到线谱目标；

步骤4、对检测到的目标线谱频率f₀所对应的两组长积分互谱叠加结果分别取相位，利用相位信息进行目标测向，分别测得目标相对于十字阵中1、3阵元和2、4阵元构成的子阵方位角θ₁₃、θ₂₄；

步骤5、基于子阵方位角θ₁₃、θ₂₄，得到目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'；

步骤6、利用水下滑翔机上搭载的罗经辅助系统记录的罗经数据对得到的目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'进行修正，得到目标相对于水下滑翔机平台的大地坐标真方位θ。

2.根据权利要求1所述一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法，其特征在于：所述步骤1中对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的1、3阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

对水下滑翔机平台下行过程中采集到的十字阵的2、4阵元构成的一个子阵信号进行分段互谱计算，得到一组分段互谱结果；

具体过程为：

水下滑翔机平台下行过程中采集十字阵的1、3阵元接收的信号x₁(t)、x₃(t)；

水下滑翔机平台下行过程中采集十字阵的2、4阵元接收的信号x₂(t)、x₄(t)；

将1、2、3、4四个阵元时间长度为T_M的接收信号划分为M段，每段信号时间长度为T，T_M＝MT；

对1、3阵元每段信号作互谱，得到一组分段互谱结果；

对2、4阵元每段信号作互谱，得到一组分段互谱结果。

3.根据权利要求1或2所述一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法，其特征在于：所述步骤3中对十字阵平均幅度谱进行线谱检测，具体方式为：

采用双向α滤波线谱检测的方法对十字阵平均幅度谱进行线谱检测，过程为：

首先对十字阵平均幅度谱进行双向α滤波提取连续谱背景，过程为：

根据双向α滤波公式提取连续谱背景，双向α滤波计算公式为：

Y(k)＝Y(k-1)+α[X(k)-X(k-1)]

式中，α为滤波器系数；X(k)表示滤波器的输入序列，Y(k)表示双向滤波器的输出序列，k代表序列中的当前点，k-1代表当前点k的上一点；

设置门限值DT，在连续谱背景的基础上加上门限值DT得到检测背景曲线，

如果平均幅度谱中有高于检测背景曲线的线谱则判定为检测到线谱目标，将平均幅度谱中高于检测背景曲线的线谱判定为线谱目标；

如果平均幅度谱中没有高于检测背景曲线的线谱则判定为未检测到线谱目标；

如果检测到线谱目标，取线谱谱级最大值位置对应的频率为该线谱目标频率f₀；

门限值DT取6dB或8dB。

4.根据权利要求3所述一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法，其特征在于：所述步骤4中对检测到的目标线谱频率f₀所对应的两组长积分互谱叠加结果分别取相位，利用相位信息进行目标测向，分别测得目标相对于十字阵中1、3阵元和2、4阵元构成的子阵方位角θ₁₃、θ₂₄；具体过程为：

首先获得目标线谱频率f₀对应的两组长积分互谱叠加结果的相位然后利用相位信息分别获得目标相对于1、3阵元和2、4阵元的方位角θ₁₃、θ₂₄；计算公式如下：

式中，d为阵元间距，c为水中声速。

5.根据权利要求4所述一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法，其特征在于：所述步骤5中基于子阵方位角θ₁₃、θ₂₄，得到目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'；具体过程为：

目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'具体计算方式如下：

6.根据权利要求5所述一种基于水下滑翔机平台的十字阵线谱目标被动探测方法，其特征在于：所述步骤6中利用水下滑翔机上搭载的罗经辅助系统记录的罗经数据对得到的目标相对于十字阵x轴方向的水平方位角θ'进行修正，得到目标相对于水下滑翔机平台的大地坐标真方位θ；具体过程为：

在滑翔机平台以大倾角上下姿态滑翔时，修正计算公式近似为：

θ＝θ'-ε_j

式中，ε_j为罗经辅助系统记录的水下滑翔机水平航向角，为北偏东夹角；

所述大倾角为滑翔机平台相对于水平面的纵倾角大于等于75度。