CN109991670B - 一种水下目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下目标定位方法，目的是找出水下目标电磁扰动的有效范围，研究水下目标定位精度与其长轴和经纬度夹角的关系，通过多尺度检测方法提高水下目标探测定位的实时性、准确性。根据分布式高压输电网络工频电磁场与水下金属目标的相互作用规律，通过检测空间中的电磁场异常来识别与探测多个不同方向水下目标的位置。首先建立不同体积尺度的水下目标模型，观察水下目标的体积大小和电磁扰动范围的关系，然后建立多方向水下目标模型，分析水下目标轴向和经纬度夹角对定位精度的影响，获取大尺度、中尺度、小尺度上观测平面的工频电磁场分布数据，分析电磁场异常信号，从而探测水下目标所在的位置。

Description

一种水下目标定位方法

技术领域

本发明涉及工频电磁场探测技术、信号处理技术的交叉领域，更具体地，涉及一种水下目标定位方法。

背景技术

金属壳体沉船目标是海洋勘探中广泛研究的对象，这类对象往往大小形态各异。不同体积的水下目标产生的电磁异常范围不同。遍布全世界的高压输/变/用电网络会产生工频电磁场，水下金属目标的存在会改变整个空间的电磁场分布，在外界的工频电磁场中会产生交变电磁反应信号，同时目标产生的工频电磁场扰动会传播到空间中的其他位置，而水下目标的体积不同，产生的交变电磁反应信号的传播范围也不同。

过去专利中关于利用工频电磁场探测水下目标的方法没有讨论水下航行器的轴向在经纬度坐标系中的方向，缺少对水下航行器方向的不同对探测准确度影响的考虑。

水下目标的方向问题影响探测精度、难点。由于船型物体的长轴和短轴的长度不同，不同方位的沉船、水下航行器以及不规则的金属矿物资源对周围探测环境的影响也不同，在探测时需要注意到水下金属腔体的对探测产生的影响的方向性。传统的水下目标探测手段通常是采用声呐探测方式，通过接收被探测对象的声呐回波来感知目标的方位。利用声呐探测沉船等水下目标存在着一些问题，沉船往往会受到海洋泥沙的覆盖，而声呐手段很容易受到海底起伏地形的干扰，从而带来较大的检测虚警。同时，声学探测要布置大量的探测阵列，耗费巨大，也极易受到海洋背景噪声的干扰。声学探测手段已经很难远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下目标，无法满足我国广阔海域的探测需求，因此亟需发展更高精度的多方向非声遥感探测手段来探测水下目标。

在分布式电网辐射场中水下航行器扰动的有效强度在空间范围受限。对水下航行器的高精度探测需要对其进行不同尺度上的定位，以及进一步的精确打捞。当发现水下航行器时，首先进行大尺度探测，在一个大的探测区域内，快速获取电磁探测仪的测量数据。通过大尺度定位到的疑似区域，缩小探测范围，对其进行更细尺度的精确测量，确定最小深度，确保航行安全。考虑尺度因素对遥感数据空间关系的影响，目标区域内一些小的波动在大比例尺图像上会消失，因此在多尺度遥感数据检索中会面对不同尺度上电磁异常大小增减等一系列问题，使用多尺度的数据处理方法对空间关系进行描述。同时，考虑到电磁干扰形状在不同尺度下差异较大，用电磁干扰几何中心之间的距离表示他们的距离关系，考虑到不同尺度下绝对距离不同，将进行标准化处理。因此，可以通过在不同尺度上遥感探测目标海域的工频电磁场异常发现并定位水下目标的位置。

虽然理论上单一精细化建模可以模拟水下目标在电磁环境中的情况，但庞大的数据量会使数据溢出，并且水下目标的方向不一致性带来的仿真数据结果不同会共同作用并导致结果失真，故需在提高尺度间性能传递认知度的同时，寻找精度和模型方位计算代价的平衡点，即建立同时具备多种尺度属性的不同方向的水下目标模型。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有模型模拟水下目标在电磁环境中的情况，数据量庞大，且水下目标的方向不一致性带来的仿真结果失真的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种水下目标定位方法，包括以下步骤：

(1)建立多体积、多方向水下目标仿真模型及空间域；

(2)将水下目标看作金属腔体，探测水下目标对输电网络产生的工频电磁场的影响；

(3)基于所述水下目标仿真模型及空间域，根据所述水下目标对所述工频电磁场的影响确定水下目标的位置。

可选地，所述步骤(1)包括如下步骤：

(1.1)建立水下目标模型，水下目标模型为一个空心组合体，表示为：

M_target＝(V_target，P，m_target，D_target)

其中，M_target表示水下的模型抽象，V_target表示水下目标的几何描述， P表示水下目标中心的位置坐标，m_target表示目标的材料属性，D_target表示目标的方向；

(1.2)建立空间域中多体积水下目标模型：V_target＝(a_l，b_s，c_h)；

其中，a_l，b_s，c_h表示将水下目标视为一个椭球体对应的长轴、短轴和高度轴对应的长度；

预设不同体积的水下目标，不同目标对应的a_l，b_s，c_h参数不同；

(1.3)建立空间域中多方向水下目标模型：D_target＝(θ₁，θ₂，θ₃，...θ_n)；

水下目标处于不同方向时，在电磁环境中产生的电磁异常随着方向的变化有所不同，θ_i表示第i个方向上水下目标与地球经纬坐标系中纬线的夹角，1≤i≤n；

(1.4)建立分布式高压输电网络模型与空间域模型

以高压输电网络作为仿真模型的激励源，获取高压输电网络的节点分布和输电环路分布，在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型；

高压输电网络在空间中产生工频电磁场，建立一个包括空气和水体空间域模型作为整个仿真过程中的实际计算域，在COMSOL建模时，将空气和水体均设置为长方体，对空间计算域的不同区域赋予不同的材料属性；

在进入COMSOL电磁场仿真计算之前，有限元网格划分是至关重要的一步，由于空气和水体都是用长方体描述，而水下目标模型则是用空心组合体描述，分别对这两种几何模型进行不同精细度的网格划分；

对仿真域进行网格划分之后，边界条件设定，进行仿真计算，基于 Maxwell方程组，可以建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场方程；

设置求解控制参数，设置迭代计算步数和仿真频率，对输电网络工频电磁场方程求解。

可选地，通过修改a_l,b_s,c_h的具体数值模拟不同体积的水下目标，找出水下目标的体积对扰动范围的影响。

可选地，在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型，具体包括如下步骤：

在COMSOL的组件一栏的几何组件下创建曲线层，曲线是输电网络的几何描述，即仿真模型的激励源，根据输电网络的节点分布和输电环路信息设置曲线的参数，构建完曲线的位置分布后，根据电网中不同输电环路输送电流和传输电压的大小来对模型中的激励源赋值。

可选地，分别对这两种几何模型进行不同精细度的网格划分，具体包括如下步骤：

将水下目标网格划分模式设置为极端细化模式，将水体层和空气层网格划分模式设置为特别细化模式，COMSOL软件根据整个几何模型的大小自动地设置网格的大小，所述极端细化模式的细化精度高于所述特别细化模式。

可选地，所述步骤(2)包括如下步骤：

输电网络自身会在周围空间产生工频电磁场，假设某个地区的电网产生的在空间中任一点产生的工频电磁场为

水下目标看作大型金属腔体，金属在工频电磁场做会产生感生电磁场

那么空间中任一点的电磁场为：

其中

表示输电网络产生的工频电磁场，

表示激励源作用于金属腔体上产生的感生电磁场，

表示二者的矢量和， x，y，z表示空间坐标系下的三个坐标，t表示时间；

将m个工频电磁场探测仪组成的探测组分别沿着相互平行的m条航线飞行，每条航行上对应一个工频电磁场探测仪，m大于1的整数，航线间的距离为d，获取航线上的工频电磁场分布，对飞行平面建立直角坐标系，在飞行平面内航线平行于x轴，对工频电磁场探测仪设置一个探测窗口，其航行直线的方程为：

其中，L_l表示平行于x轴的直线，y_l为该平行于x轴航线的坐标，H是观测直线的高度，通过分析观测直线上的电磁场强度变化，确定目标的存在造成空间的电磁场异常变化。

可选地，所述步骤(3)包括如下步骤：

(3.1)利用空基探测找出水下目标有效扰动范围

在利用空基探测水下目标有效扰动范围和体积大小关系时，预设每个探测组航线间的距离，多个探测组在选定的探测范围内平行于x轴进行探测，每条航线上的工频电磁场探测仪间隔固定时间记录一次探测到的磁场强度值；

将不同体积目标的探测数据B(x，y，z)转换为二维图像，设定阈值T，当 B(x，y，z)＞T时，将选定区域坐标设为疑似有目标区域；当B(x，y，z)＜T时，将选定区域坐标设为疑似无目标区域；

(3.2)利用空基探测确定水下目标方向

P＝(x₀，y₀，z₀)；

其中，x₀，y₀，z₀表示空间直角坐标系下，水下目标中心的三个位置坐标；

m_target＝(mur，sigma，epsilon，rho)；

其中，mur表示目标材料的相对磁导率，sigma表示目标材料的相对电导率，epsilon表示目标材料的相对介电常数，rho表示目标材料的密度；

根据距离海平面的观测高度和航线间的距离，设置航行直线；

水下目标位置上空的工频电磁场分布有上下震荡的趋势，而非目标位置上空的工频电磁场分布平滑，通过分析航线上的工频电磁场强度异常变化，可以确定水下目标的方位以及预判水下目标方向；

(3.3)利用多尺度方法进行工频电磁场异常检测

确定水下目标的在某一区域内存在以及大致方向后，从工频电磁场观测数据中抽取感兴趣区域的工频电磁场和目标相互作用产生的三维数据；

结合感兴趣区域的工频电磁场和目标相互作用产生的三维数据确定水下目标的位置。

可选地，所述步骤(3.3)包括如下步骤：

(3.3.1)绘制第一尺度的磁场强度扫描线

取感兴趣区域中海平面上方预设高度处预设区域磁场强度数据，预设目标区域内目标深度，得到对应的仿真结果；

确定平行于x轴方向多个探测组得到的所有探测组扫描线对应的仿真结果；

确定平行于y轴方向多个探测组得到的探测组扫描线对应的仿真结果；

(3.3.2)工频电磁场等值线异常检测

预设观测平面的高度后，计算出该预设高度下的电场幅值和磁场幅值，绘制电场等值线和磁场等值线；

根据第一尺度的磁场强度扫描线的尺度的识别结果确定疑似潜艇区域的位置坐标，在对应坐标附近取疑似目标区域绘制等值线图，每条等值线上数据步长为100m；

(3.3.3)绘制第二尺度的磁场强度扫描线

在所述疑似目标区域中取一个磁场强度异常最强区域进一步缩小探测范围；

根据水下目标的方向和电磁异常信号的关系判断水下目标的方向，以及第二尺度疑似区域中的最高峰处坐标，确定水下目标的位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)对不同体积的水下目标进行建模，通过COMSOL仿真找出不同体积的水下目标对应的有效扰动范围，为进一步提高定位的精度提供探测基础。

(2)解决了现有的水下动目标探测手段无法探测多方向搜索定位的问题。在过去的利用工频电磁场探测水下目标的方法基础上，首先对水下航行器进行不同方向的建模，通过仿真结果可知不同方向的水下航行器在电网工频电磁场中产生的干扰规律；并且，使用多点探测的方法观察动态水下目标的电磁扰动规律。

(3)利用多尺度的数据处理手法可以使探测在运算速度快和防止数据失真中得以平衡，提高水下探测的实时性与准确性。利用多尺度方法模拟实际水下目标及周围电磁环境，不仅可反映宏观大范围的电磁异常干扰，使水下目标的探测具有实时性，且可在小尺度上观察磁场异动的具体数据分布情况准确性具有积极意义。

附图说明

图1为本发明提供的水下目标定位方法流程示意图；

图2为本发明提供的水下目标一金属油轮沉船(长半轴80m)三维图；

图3为本发明提供的水下目标二金属油轮沉船(长半轴100m)三维图；

图4为本发明提供的水下目标三金属油轮沉船(长半轴150m)三维图；

图5为本发明提供的水下目标多方向模拟图；

图6为本发明提供的华东电网模型图；

图7为本发明提供的航空探测示意图；

图8为本发明提供的目标一有效扰动范围；

图9为本发明提供的目标二有效扰动范围；

图10为本发明提供的目标三有效扰动范围；

图11a为本发明提供的角度1的x轴观测线磁场分布图；

图11b为本发明提供的角度1的y轴观测线磁场分布图

图12a为本发明提供的角度2的x轴观测线磁场分布图；

图12b为本发明提供的角度2的y轴观测线磁场分布图；

图13a为本发明提供的角度3的x轴观测线磁场分布图；

图13b为本发明提供的角度3的y轴观测线磁场分布图；图14a为本发明提供的角度4的x轴观测线磁场分布图；

图14b为本发明提供的角度3的y轴观测线磁场分布图；

图15为本发明提供的多水下目标分布位置图；

图16为本发明提供的水下目标多尺度探测流程图；

图17为本发明提供的水下目标仿真结果图；

图18为本发明提供的尺度一x轴方向仿真结果图；

图19为本发明提供的尺度一y轴方向仿真结果图；

图20为本发明提供的尺度二水下目标等值线异常疑似区域一；

图21为本发明提供的尺度二水下目标等值线异常疑似区域二；

图22为本发明提供的尺度二水下目标等值线异常疑似区域三；

图23为本发明提供的尺度三x轴方向仿真结果图；

图24为本发明提供的尺度三y轴方向仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明根据分布式高压输电网络工频电磁场与水下金属目标的相互作用规律，通过检测空间中的电磁场异常来识别与探测多个不同方向水下目标的位置。首先建立不同体积尺度的水下目标模型，观察水下目标的体积大小和电磁扰动范围的关系，然后建立多方向水下目标模型，分析水下目标轴向和经纬度夹角对定位精度的影响，获取大尺度、中尺度、小尺度上观测平面的工频电磁场分布数据，分析电磁场异常信号，从而探测水下目标所在的位置。

本发明提出了一种在分布式高压输电网络工频电磁场的作用下，通过多形态建模、多方向建模、多尺度数据处理检测空间工频电磁场异常来提高探测定位不同方向金属腔体水下目标精度的方法。本发明的流程如图1所示，具体步骤如下：

(1)多体积、多方向水下目标仿真模型及空间域的建立，包括以下步骤：

(1.1)建立水下目标模型

水下目标模型可以等效为一个空心组合体，用下面的模型表示：

M_target＝(V_target，P，m_target，D_target)

其中M_target表示水下的模型抽象，V_target表示水下目标的几何描述，P表示水下目标中心的位置坐标，m_target表示目标的材料属性，D_target表示目标的方向。

(1.2)建立空间域中多体积水下目标模型

具体的，V_target＝(a_l，b_s，c_h)，其中a_l，b_s，c_h表示将水下目标视为一个椭球体对应的长轴、短轴和高度轴对应的长度。修改a_l，b_s，c_h的具体数值模拟不同体积的水下目标，找出水下目标的体积对扰动范围的影响。

在本实例中，设定三种体积的水下目标，目标一民用水下航行器设定为V_target1＝(160m，16m，16m)，目标二邮轮设定为V_target2＝ (225m，34m，27m)，目标三水下金属矿物设定为V_target3＝(300m,30m,30m)，其三个目标的三维图如图2、3、4所示。

(1.3)建立空间域中多方向水下目标模型

以邮轮形状的沉船为例对水下目标进行探测时，由于邮轮形状并不为规则的正方体，近似认为是一个椭球形状的金属腔体。过去的探测方法通常认为椭球形状在大范围的探测中可近似为一个质点，但在多尺度的探测方法中，水下目标处于不同方向时，在电磁环境中产生的电磁异常随着方向的变化有所不同。

具体的，D_target＝(θ₁,θ₂,θ₃,…θ_n)，在一个示例中，以水下目标长轴平行于空间域模型x轴为θ₁＝0°为基准分别建立θ₁＝0°，θ₂＝45°，θ₃＝ 90°，θ₄＝135°四个仿真模型，如图5所示。

(1.4)建立分布式高压输电网络模型与空间域模型

在COMSOL电磁场仿真过程中，需要建立一个电磁场激励源，本发明中以高压输电网络作为仿真模型的激励源，首先获取输电网络的节点分布和输电环路分布，然后在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型。具体的，在COMSOL的组件一栏的几何组件下创建曲线层，其中的曲线是输电网络的几何描述，即仿真模型的激励源。根据输电网络的节点分布和环路信息来设置曲线的参数。构建完曲线的位置分布后，根据电网中不同环路输送电流和传输电压的大小来对模型中的激励源赋值。在本实例中，以华东地区的输/变/用电网络作为仿真过程的工频电磁场激励源，在实际建模过程中，我们将日本冲绳岛作为模型空间直角坐标系的原点，以冲绳岛作为参考原点，依次建立华东电网的各传输节点和传输环路，华东电网的模型如图6所示。

高压输电网络会在空间中产生工频电磁场，因此需要建立一个空间域模型作为整个仿真过程中的实际计算域。本发明主要研究的是水下目标对整个工频电磁场的影响，因此需要建立包括空气和水体的空间域模型。实际在COMSOL建模时，我们将空气和水体均设置为长方体。工频电磁场在不同材料中的传输特性不同，因此需要对空间计算域的不同区域赋予不同的材料属性。在本实例中，空气层的大小为：4000km*4000km*300km，水体层的大小为：4000km*4000km*5km。

在进入COMSOL电磁场仿真计算之前，有限元网格划分是至关重要的一步，由于空气和水体都是用长方体描述，而水下目标模型则是用空心组合体描述，因此可以分别对这两种几何模型进行不同精细度的网格划分。即对水下目标使用高精度的网格划分尺寸，其他区域使用较高精度的网格划分尺寸。在本实例中，水下目标网格划分模式设置为“极端细化模式”，水体层和空气层网格划分模式设置为“特别细化模式”，使用的都是自由四面体网格，COMSOL软件会根据整个几何模型的大小自动地设置网格的大小。

对仿真域进行网格划分之后，边界条件设定，进行仿真计算。基于 Maxwell方程组，可以建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场方程：

其中，

表示微分算子，μ_r表示传输介质相对磁导率，ε_r表示传输介质相对介电常数，ε₀表示真空中的介电常数，E表示电场矢量，k₀表示方程参数，σ表示电导率。

设置求解控制参数，方程组采用BiCGStab求解器，保持默认设置对求解器进行初始化。初始化完成后，设置迭代计算的步数为10000步，仿真频率设置为50Hz，对求解器进行计算。

(2)利用空基探测水下目标扰动信号

输电网络自身会在周围空间产生工频电磁场，假设某个地区的电网产生的在空间中任一点产生的工频电磁场为

水下目标可以看作大型金属腔体，金属在工频电磁场做会产生感生电磁场

那么时间上空间中任一点的电磁场为：

其中

表示输电网络产生的工频电磁场，它是一个时间和空间的四维函数，

表示激励源作用于金属腔体上产生的感生电磁场，

表示二者的矢量和，它反映了输电网络作用下，实际的空间电磁场分布。x,y,z表示空间之间坐标系下的三个坐标，t表示时间。

利用搭载有工频电磁场探测仪的m架飞机为一个探测组沿着相互平行的m条航线飞行，m为大于1的整数，每条航线间的距离为d，获取航线上的工频电磁场分布。对飞行平面建立直角坐标系，在飞行平面内航线平行于x轴。对工频电磁场探测仪设置一个探测窗口，携带探测仪的飞机在某一高度进行飞行。如图7航线示意图所示。航行直线的方程为：

其中L_l表示平行于x轴的直线。其中x,y,z表示直线的参数坐标，y_l为该平行于x轴航线的坐标，H是观测直线的高度。通过分析观测直线上的电磁场强度变化，可以看到目标的存在造成空间的电磁场异常变化。

(3)利用分布式输电网络产生的工频电磁场多尺度探测水下目标

(3.1)利用空基探测找出水下目标有效扰动范围

在利用空基探测水下目标有效扰动范围和体积大小关系时，一个探测组航线间的距离d＝500m，多个探测组在选定的100km*100km的探测范围内平行于x轴进行探测，每条航线上的探测飞行器隔500m记录一次电磁探测仪的磁场强度值。

将三种体积目标的探测数据B(x,y,z)转换为二维图像，设定阈值T，当探测区域数据大于选定阈值时B(x,y,z)>T，将选定区域坐标设为疑似有目标区域，以黑色标记；当探测区域数据小于选定阈值时B(x,y,z)<T，将选定区域坐标设为疑似无目标区域，以白色区分。

当水下目标依次为水下航行器，水下沉没邮轮，水下金属矿物时，20km 观测高度上磁场异常信号有效扰动范围依次如图8、9、10所示。

(3.2)利用空基探测确定水下目标方向

在本实例中，目标类型被设置为水下的邮轮沉船，在几何建模过程中使用多种常规几何体(如长方体、椭球、圆柱体等)组合成一个船体的近似模型。具体的，P＝(x₀，y₀，z₀)，其中x₀，y₀，z₀表示空间直角坐标系下，水下目标中心的三个位置坐标。在本实例中，目标中心位置坐标被设定为 P＝(1800km，-1500km，-300m)，即目标位于关岛附近的某海域水下300m处。其中，m_target＝(mur，sigma，epsilon，rho)，mur表示目标材料的相对磁导率，sigma表示目标材料的相对电导率，epsilon表示目标材料的相对介电常数，rho表示目标材料的密度，在本实例中，将沉船设置为铁质材料，具体属性设置为：

mur＝4000

sigma＝1.12E7S/m

epsilon＝1

rho＝7870kg/m³

考虑距离海平面20km观测高度，一组探测组中五架飞机的探测间距 d＝25km，即观测线设置为：

D_target＝(0°，45°，90°，135°)

水下目标位置上空的工频电磁场分布会表现出上下震荡的趋势，而非目标位置上空的工频电磁场分布较为平滑，通过分析航线上的工频电磁场强度异常变化，可以确定水下目标的方位以及预判水下目标方向。

θ＝0°,θ＝45°,θ＝90°,θ＝135°十条观测线上的磁场分布如图11a、图11b、图12a、图12b、图13a、图13b、图14a、图14b所示，通过观测线上的磁场分布可以确定水下目标的大致位置和方向。根据在疑似区域内进行多方向的探测，在该探测航线上磁场异常最强烈即数值最大的航线方向即为水下目标长轴方向。

(3.3)利用多尺度方法进行工频电磁场异常检测

确定水下目标的在某一区域内存在以及大致方向后，从工频电磁场观测数据中抽取感兴趣区域的工频电磁场和目标相互作用产生的三维数据，进行进一步的处理。

在4000km*4000km的大尺度范围内，建立了多目标的仿真模型。目标的分布位置如图15所示。不同位置处水下目标产生的工频电磁场异常信号主要取决于输电网络在该点产生的背景电磁场。在本实例中大中小尺度探测流程如图16所示。

(3.3.1)绘制磁场强度扫描线—500m*500m尺度

取模型中海平面上方1000m高度处1000km*1000km区域磁场强度数据，目标区域内目标深度为水下300m。所得仿真结果如图17所示。

平行于x轴方向每个探测组中飞行器探测间距为d＝2km，共100个探测组扫描线，每条探测航线上的磁场强度步长为500m。所得仿真结果如图 18所示。

平行于y轴方向每个探测组中飞行器探测间距为d＝2km，共100个探测组扫描线，每条探测航线上的磁场强度步长为500m。所得仿真结果如图 19所示。

(3.3.2)工频电磁场等值线异常检测—100m*100m尺度

工频电磁场等值线异常检测。设定好观测平面的高度为20km后，计算出该高度下的电场幅值和磁场幅值，绘制电场等值线和磁场等值线。具体的，首先创建等值线绘制图层，选择数据源为电场幅值和磁场幅值，设置等值线的数目为100，调整等值线的类型为实线，绘制工频电磁场的等值线图。

根据尺度一500m*500m的识别结果疑似潜艇区域取位置坐标为 (1820km，-1500km)、(1500km，-1500km)、(1000km，-1000km)附近，在对应坐标附近取40km*40km的疑似目标区域绘制等值线图，每条等值线上数据步长为100m。

图20、21、22中标记出的等值线异常区域即为水下目标所在疑似区域一、疑似区域二、疑似区域三。

(3.3.3)绘制磁场强度扫描线—10m*10m尺度

在疑似区域一中取一个磁场强度异常最强区域(红色及黄色区域处) 进一步缩小探测范围，从图20的40km*40km区域定位到15km*15km (10m*10m尺度)区域，平行于x轴每隔100m画一条扫描线，线上数据步长为10m，如图23中x轴方向仿真结果图、图24中y轴方向仿真结果图所示。根据第二步中水下目标的方向和电磁异常信号的关系判断水下目标的方向，以及小尺度疑似区域中的最高峰处坐标，可进一步提高水下目标探测精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水下目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立多体积、多方向水下目标仿真模型及空间域；

(2)将水下目标看作金属腔体，探测水下目标对输电网络产生的工频电磁场的影响；

(3)基于所述水下目标仿真模型及空间域，根据所述水下目标对所述工频电磁场的影响确定水下目标的位置；

所述步骤(1)包括如下步骤：

(1.1)建立水下目标模型，水下目标模型为一个空心组合体，表示为：

M_target＝(V_target，P，m_target，D_target)

其中，M_target表示水下的模型抽象，V_target表示水下目标的几何描述，P表示水下目标中心的位置坐标，m_target表示目标的材料属性，D_target表示目标的方向；

(1.2)建立空间域中多体积水下目标模型：V_target＝(a_l，b_s，c_h)；

其中，a_l，b_s，c_h表示将水下目标视为一个椭球体对应的长轴、短轴和高度轴对应的长度；

预设不同体积的水下目标，不同目标对应的a_l，b_s，c_h参数不同；

(1.3)建立空间域中多方向水下目标模型：D_target＝(θ₁，θ₂，θ₃，...θ_n)；

水下目标处于不同方向时，在电磁环境中产生的电磁异常随着方向的变化有所不同，θ_i表示第i个方向上水下目标与地球经纬坐标系中纬线的夹角，1≤i≤n；

(1.4)建立分布式高压输电网络模型与空间域模型

以高压输电网络作为仿真模型的激励源，获取高压输电网络的节点分布和输电环路分布，在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型；

高压输电网络在空间中产生工频电磁场，建立一个包括空气和水体空间域模型作为整个仿真过程中的实际计算域，在COMSOL建模时，将空气和水体均设置为长方体，对空间计算域的不同区域赋予不同的材料属性；

在进入COMSOL电磁场仿真计算之前，有限元网格划分是至关重要的一步，由于空气和水体都是用长方体描述，而水下目标模型则是用空心组合体描述，分别对这两种几何模型进行不同精细度的网格划分；

对仿真域进行网格划分之后，边界条件设定，进行仿真计算，基于Maxwell方程组，可以建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场方程；

设置求解控制参数，设置迭代计算步数和仿真频率，对输电网络工频电磁场方程求解。

2.根据权利要求1所述的水下目标定位方法，其特征在于，通过修改a_l，b_s，c_h的具体数值模拟不同体积的水下目标，找出水下目标的体积对扰动范围的影响。

3.根据权利要求1所述的水下目标定位方法，其特征在于，在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型，具体包括如下步骤：

在COMSOL的组件一栏的几何组件下创建曲线层，曲线是输电网络的几何描述，即仿真模型的激励源，根据输电网络的节点分布和输电环路信息设置曲线的参数，构建完曲线的位置分布后，根据电网中不同输电环路输送电流和传输电压的大小来对模型中的激励源赋值。

4.根据权利要求1所述的水下目标定位方法，其特征在于，分别对这两种几何模型进行不同精细度的网格划分，具体包括如下步骤：

将水下目标网格划分模式设置为极端细化模式，将水体层和空气层网格划分模式设置为特别细化模式，COMSOL软件根据整个几何模型的大小自动地设置网格的大小，所述极端细化模式的细化精度高于所述特别细化模式。

5.根据权利要求1所述的水下目标定位方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下步骤：

输电网络自身会在周围空间产生工频电磁场，假设某个地区的电网产生的在空间中任一点产生的工频电磁场为

水下目标看作大型金属腔体，金属在工频电磁场做会产生感生电磁场

那么空间中任一点的电磁场为：

其中

表示输电网络产生的工频电磁场，

表示激励源作用于金属腔体上产生的感生电磁场，

表示二者的矢量和，x，y，z表示空间坐标系下的三个坐标，t表示时间；

将m个工频电磁场探测仪组成的探测组分别沿着相互平行的m条航线飞行，每条航行上对应一个工频电磁场探测仪，m大于1的整数，航线间的距离为d，获取航线上的工频电磁场分布，对飞行平面建立直角坐标系，在飞行平面内航线平行于x轴，对工频电磁场探测仪设置一个探测窗口，其航行直线的方程为：

其中，L_l表示平行于x轴的直线，y_l为该平行于x轴航线的坐标，H是观测直线的高度，通过分析观测直线上的电磁场强度变化，确定目标的存在造成空间的电磁场异常变化。

6.根据权利要求1所述的水下目标定位方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下步骤：

(3.1)利用空基探测找出水下目标有效扰动范围

在利用空基探测水下目标有效扰动范围和体积大小关系时，预设每个探测组航线间的距离，多个探测组在选定的探测范围内平行于x轴进行探测，每条航线上的工频电磁场探测仪间隔固定时间记录一次探测到的磁场强度值；

将不同体积目标的探测数据B(x，y，z)转换为二维图像，设定阈值T，当B(x，y，z)＞T时，将选定区域坐标设为疑似有目标区域；当B(x，y，z)＜T时，将选定区域坐标设为疑似无目标区域；

(3.2)利用空基探测确定水下目标方向

P＝(x₀，y₀，z₀)；

其中，x₀，y₀，z₀表示空间直角坐标系下，水下目标中心的三个位置坐标；

m_target＝(mur，sigma，epsilon，rho)；

其中，mur表示目标材料的相对磁导率，sigma表示目标材料的相对电导率，epsilon表示目标材料的相对介电常数，rho表示目标材料的密度；

根据距离海平面的观测高度和航线间的距离，设置航行直线；

水下目标位置上空的工频电磁场分布有上下震荡的趋势，而非目标位置上空的工频电磁场分布平滑，通过分析航线上的工频电磁场强度异常变化，可以确定水下目标的方位以及预判水下目标方向；

(3.3)利用多尺度方法进行工频电磁场异常检测

确定水下目标的在某一区域内存在以及大致方向后，从工频电磁场观测数据中抽取感兴趣区域的工频电磁场和目标相互作用产生的三维数据；

结合感兴趣区域的工频电磁场和目标相互作用产生的三维数据确定水下目标的位置。

7.根据权利要求6所述的水下目标定位方法，其特征在于，所述步骤(3.3)包括如下步骤：

(3.3.1)绘制第一尺度的磁场强度扫描线

取感兴趣区域中海平面上方预设高度处预设区域磁场强度数据，预设目标区域内目标深度，得到对应的仿真结果；

确定平行于x轴方向多个探测组得到的所有探测组扫描线对应的仿真结果；

确定平行于y轴方向多个探测组得到的探测组扫描线对应的仿真结果；

(3.3.2)工频电磁场等值线异常检测

预设观测平面的高度后，计算出该预设高度下的电场幅值和磁场幅值，绘制电场等值线和磁场等值线；

根据第一尺度的磁场强度扫描线的尺度的识别结果确定疑似潜艇区域的位置坐标，在对应坐标附近取疑似目标区域绘制等值线图，每条等值线上数据步长为100m；

(3.3.3)绘制第二尺度的磁场强度扫描线

在所述疑似目标区域中取一个磁场强度异常最强区域进一步缩小探测范围；

根据水下目标的方向和电磁异常信号的关系判断水下目标的方向，以及第二尺度疑似区域中的最高峰处坐标，确定水下目标的位置。

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