CN110109087A - 一种声纳不规则探测范围显示方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声纳不规则探测范围显示方法及系统，所述方法包括：基于被动声纳方程计算岸基声纳的优质因素；基于声场分析推算传播损失；通过优质因素与传播损失相等的关系，获取若干个探测方向上的岸基声纳作用距离，从而确定岸基声纳探测范围；基于抛物线差值的探测范围曲线平滑方法，生成封闭的岸基声纳探测能力圈曲线并进行显示。本发明面向工程应用，针对岸基声纳在不同方向上具备不同的探测能力问题，提出了不规则探测范围显示方法和系统；具备简单易用、实用性强与适用范围广的特点。

Description

一种声纳不规则探测范围显示方法及系统

技术领域

本发明涉及水下探测态势显示领域，尤其涉及一种声纳不规则探测范围显示方法及系统。

背景技术

现代水下战场作战主要是高科技信息技术的应用，态势显示系统能够对水下战场环境进行计算机仿真，并把水下目标的态势航迹信息以图形化的方式清晰的呈现出来。

探测范围是水声探测源的重要性能体现，针对某个目标源级，水声探测源在不同方向的探测能力可能是不同的，并且在多个探测源同时工作时探测区域可能会有交叠。在作战过程中，了解水声探测源实际探测能力范围是十分重要的，准确的掌握水声探测源探测范围，可以在探测能力薄弱的地方提前布置好兵力。同时，在敌方目标进入范围后，可以尽快被发现，便于作战指挥员及时作出决策，提升作战的效率和准确性，保障我方在战场中尽量处于主动位置。此外，实际战场作战时，需根据水声站的探测范围实时的进行兵力部署。由于实际水声站探测能力与理想的是有差距的，实际水声站探测能力圈是不规则的，因此，在态势显示界面中根据提供的数据绘制出实际的探测能力圈是很有必要的。

理想状态下，水声探测源的探测范围采用一个完整的能力圈来表示，在各方位都具有同样的探测能力。在实际声纳系统中，根据探测目标类型、主要探测区域的不同会使得基阵形成各向不同的指向性，保持在特定方向上比较好的探测能力。对于线阵，考虑到端射方向上性能的下降和平台噪声的影响，探测能力圈可以简化为扇形。基阵在不同方向的探测能力不同，会形成不规则的探测能力圈。不规则能力圈的绘制不能像规则的圆、扇形那样可以采用特定的公式函数准确画出。因此，不规则探测能力圈的绘制就成为了态势显示系统中探测源绘制的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于克服岸基声纳的探测范围的不规则显示问题存在的上述缺陷，提供一种声纳不规则探测范围显示方法，能够清晰准确地显示岸基声纳探测能力。

为了实现上述目的，本发明提出了一种声纳不规则探测范围显示方法，所述方法包括：

基于被动声纳方程计算岸基声纳的优质因素；

基于声场分析推算传播损失；

通过优质因素与传播损失相等的关系，获取若干个探测方向上的岸基声纳作用距离，从而确定岸基声纳探测范围；

基于抛物线差值的探测范围曲线平滑方法，生成封闭的岸基声纳探测能力圈曲线并进行显示。

作为上述方法的一种改进，所述岸基声纳的优质因素的计算公式为：

FOM＝SL-NL+GS+GT-DT

其中，FOM为岸基声纳的优质因素；SL为目标辐射噪声源级；NL为环境噪声级；GS和GT分别表示声纳系统的空间增益和时间增益；DT为检测阈。

作为上述方法的一种改进，所述基于声场分析推算传播损失；具体包括：

步骤2-1)在一个探测方向j上，j∈{x|x＝k·Δ,k＝1,2…K},上，其中，Δ是预置的角度常数，按照传播损失值的位置与岸基声纳的距离由近到远排列，依次获取探测方向j上的传播损失值：l₁,l₂,…,l_n；其中n为传播损失值的个数，与所选取的距离有关；

步骤2-2)选取平滑窗的宽度为w，则平滑后的第i个传播损失值为：

则在探测方向j上平滑的传播损失

作为上述方法的一种改进，所述通过优质因素与传播损失相等的关系，获取若干个探测方向上的岸基声纳作用距离，从而确定岸基声纳探测范围；具体为：

对于每个探测方向，选取与FOM值差别最小的该方向上的平滑后的传播损失值，其对应的探测距离作为该探测方向上的声纳探测距离d；所述探测范围以数据对<角度，探测距离>的形式表示为(φ,d)，其中φ表示角度，范围为[0°,360°]；以岸基声纳的正北方向为0°，顺时针方向增长。

作为上述方法的一种改进，所述基于抛物线差值的探测范围曲线平滑方法，生成封闭的岸基声纳探测能力圈曲线并进行显示，具体包括：

步骤4-1)建立一个直角坐标系OXY，以岸基声纳为坐标原点，横轴OX表示为90°方向，纵轴OY表示0°方向；数据对(φ,d)在坐标系OXY表示为(x,y)：

步骤4-2)对坐标系OXY中的不规则图形分块，对每块数据进行二次插值后会得到一个二次曲线；由此得到多段二次曲线；

步骤4-3)对多段二次曲线进行拟合得到封闭的水声岸站探测能力圈曲线，然后进行显示。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4-2)具体包括：

步骤4-2-1)以横轴和纵轴为界，把不规则图形分为四块；

步骤4-2-2)在每块数据中均匀的选取三个点(x₀,y₀),(x₁,y₁),(x₂,y₂)；根据抛物线插值的方法，找到一个不超过二次函数y＝L(x)，使得L(x)满足条件：L(x₀)＝y₀，L(x₁)＝y₁，L(x₂)＝y₂。其中，L(x)的形式如下L(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，根据抛物线插值算法得下式：

求解式中二次多项式系数a₀，a₁，a₂，得到y＝L(x)的二次曲线。

本发明还提供了一种声纳不规则探测范围显示系统，所述系统包括：

优质因素计算模块，用于基于被动声纳方程计算岸基声纳的优质因素；

传播损失计算模块，用于基于声场分析推算传播损失；

探测范围确定模块，用于通过优质因素与传播损失相等的关系，获取若干个探测方向上的岸基声纳作用距离，从而确定岸基声纳探测范围；和

探测能力圈显示模块，用于基于抛物线差值的探测范围曲线平滑方法，生成封闭的岸基声纳探测能力圈曲线并进行显示。

本发明的优势在于：

本发明面向工程应用，针对岸基声纳在不同方向上具备不同的探测能力问题，设计不规则探测范围显示方法和系统；具备简单易用、清晰明了、实用性强与适用范围广的特点。

附图说明

图1为本发明的平滑前固定深度下不同距离上的传播损失曲线图；

图2为本发明的平滑后固定深度下不同距离上的传播损失曲线图；

图3为本发明的不规则探测区域坐标系；

图4为本发明的岸基声纳不规则探测范围显示效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明提出的方法进行详细描述。

实施例1

本发明的实施例1提供了一种声纳不规则探测范围显示方法，包括：

第一步，根据被动声纳方程，计算岸基声纳的优质因素FOM：

FOM＝SL-NL+GS+GT-DT

其中，SL指的目标辐射噪声源级；NL表示环境噪声级；GS和GT分别表示声纳系统的空间增益和时间增益；DT表示识别系数，又称为检测阈。

(1)声源级SL

SL＝60lgv+9lgT_p-20lgf_p+20lgD_p+35

其中v为目标航速，单位节，T_p为目标排水量，单位吨，f_p为频率，单位kHz，D_p为目标距离岸基声纳的距离，单位码。

(2)环境噪声级NL

大风大浪的恶劣条件使海洋环境噪声明显增大，从而显著降低声纳的检测性能。作为衡量海洋环境好坏的参数，海况等级按照从好至坏通常分为0～9级。作为声纳参数的海洋环境噪声级，可用经验模型进行测算。

以海况和频率为参数的海洋环境噪声级，浅海噪声谱级NL的近似计算公式为：

NL＝10lgf^-1.7+6S+55

式中f为频率(KHz)，S为海况等级，S＝0,1,2,...,9。

以风级和频率为参数的海洋环境噪声级，浅海环境噪声平均功率谱S_N(f)的经验公式为：

一级风：S_N(f)＝-14.2lgf+96.3dB

二级风：S_N(f)＝-14.4lgf+97.8dB

三级风：S_N(f)＝-13.1lgf+98.3dB

四级风：S_N(f)＝-13.1lgf+100.6dB

五级风：S_N(f)＝-12.8lgf+103.1dB

六级风：S_N(f)＝-13.0lgf+107.2dB

七级风：S_N(f)＝-14.4lgf+114.9dB

(3)检测阈DT

其中，W为信号与噪声频带宽度，T为每个方位谱图的积分时间，ndl为BTR图扫描次数；T_total为BTR图总的观测时间。

(4)空间增益

GS＝10lgN

其中，N表示有效阵元数。

(5)时间增益

被动探测通过能量积累获得时间处理增益，可以获得的时间增益为：

GT＝5lg(T/Δτ)

其中，T表示脉冲时间，Δτ表示脉冲积累时间。

第二步，基于声场分析推算传播损失；

综合分析岸基声纳工作特点，从目标辐射噪声级、环境噪声级、声纳处理增益以及检测阈等因素考虑。

针对随距离变化情况下的声场分析，采用抛物线方程方法进行分析。假定r表示距离点源的水平距离，z表示距离海平面的深度，θ表示方位角，p表示声压。

其中，ρ表示海水密度，表示波束数目，ω表示频率，c表示声速，β是衰减因子。进一步，可以得到：

其中，且c₀表示典型的相位速度。由此，可以获得：

计算上式，可以获得迭代解如下：

其中，Δr是距离步长，n表示有理函数的项数，用于逼近指数函数，α_j,n,β_j,n表示耦合系数，其大小通过约束有理函数的准确性和稳定性来定义。由此迭代计算，可以获得主动探测的传播损失：

其中，p(1)表示距离点源1m处的声压值。

然后，采用能量均值平滑算法对获取的传播损失。在选定的一个探测方向j∈{x|x＝k·Δ}上，其中Δ是预置的角度常数，k∈N,按照传播损失值的位置与岸基声纳的距离由近到远排列，依次获取探测方向j上的传播损失值：l₁,l₂,...,l_n；其中n为传播损失值的个数，与所选取的距离有关；

选取平滑窗的宽度为w，则第i个传播损失值的平滑结果为

最终，输出探测方向j上平滑的传播损失值

图1、图2给出了在某一深度方向上传播损失平滑前、后的效果，比较可以看出，通过平滑算法，传播损失与距离呈现出正相关关系，为后续通过查表确定探测范围奠定基础。

第三步，在声纳的不同方向上，令FOM＝TL_j，查表确定不同方向上的声纳探测范围。

由于基于声场推算的传播损失，在声纳阵的360度方向上按照固定步长间隔计算，因此为了声纳不规则探测范围的平滑显示，有必要开展声纳不规则探测范围显示的插值算法研究。

第四步，基于抛物线差值算法实现探测范围曲线平滑。

假定不同方向上获取不同的探测范围，以数据对<角度，探测距离>的形式给出，表示为(φ,d)，其中φ表示角度，范围为[0°,360°]，以岸基声纳的正北方向为0°，顺时针方向增长；d表示探测范围。如图3所示，建立一个直角坐标系OXY，以岸基声纳为坐标原点，横轴OX表示为90°方向，纵轴OY表示0°方向。数据对(φ,d)表示为坐标系OXY为(x,y)，表示为：

为保证插值算法所获取函数的唯一性，对坐标系OXY中的不规则图形分块，以横轴和纵轴为界，把数据分为四块。在每块数据中均匀的选取三个点(x₀,y₀),(x₁,y₁),(x₂,y₂)。根据抛物线插值的方法，找到一个不超过二次函数y＝L(x)，使得L(x)满足条件：L(x₀)＝y₀，L(x₁)＝y₁，L(x₂)＝y₂。其中，L(x)的形式如下L(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，根据抛物线插值算法得下式：

求解式中二次多项式系数a₀，a₁，a₂，得到y＝L(x)的函数曲线。

数据采取的是分块的处理方式，每块数据经过二次插值后会得到一个二次曲线，把多段二次曲线进行拟合得到封闭的水声岸站探测能力圈曲线。

最后，利用计算机图像化技术，绘制不同岸基声纳的不规则探测范围。

图4给出了岸基声纳不规则探测范围的显示效果。利用本发明所提出的显示方法，选用典型水下目标特性、典型海洋环境，计算获得不同方向上的岸基声纳探测范围；基于插值算法和计算机图形技术实现不规则探测范围的绘制。

实施例2

本发明的实施例2提供了一种声纳不规则探测范围显示系统，所述系统包括：

优质因素计算模块，用于基于被动声纳方程计算岸基声纳的优质因素；

传播损失计算模块，用于基于声场分析推算传播损失；

探测范围确定模块，通过优质因素与传播损失相等的关系，获取若干个探测方向上的岸基声纳作用距离，从而确定岸基声纳探测范围；和

探测能力圈显示模块，用于基于抛物线差值的探测范围曲线平滑方法，生成封闭的岸基声纳探测能力圈曲线并进行显示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种声纳不规则探测范围显示方法，所述方法包括：

基于被动声纳方程计算岸基声纳的优质因素；

基于声场分析推算传播损失；

通过优质因素与传播损失相等的关系，获取若干个探测方向上的岸基声纳作用距离，从而确定岸基声纳探测范围；

基于抛物线差值的探测范围曲线平滑方法，生成封闭的岸基声纳探测能力圈曲线并进行显示。

2.根据权利要求1所述的声纳不规则探测范围显示方法，其特征在于，所述岸基声纳的优质因素的计算公式为：

FOM＝SL-NL+GS+GT-DT

其中，FOM为岸基声纳的优质因素；SL为目标辐射噪声源级；NL为环境噪声级；GS和GT分别表示声纳系统的空间增益和时间增益；DT为检测阈。

3.根据权利要求2所述的声纳不规则探测范围显示方法，其特征在于，所述基于声场分析推算传播损失；具体包括：

步骤2-1)在一个探测方向j上，j∈{x|x＝k·Δ,k＝1,2…K},上，其中，Δ是预置的角度常数，按照传播损失值的位置与岸基声纳的距离由近到远排列，依次获取探测方向j上的传播损失值：l₁,l₂,...,l_n；其中n为传播损失值的个数，与所选取的距离有关；

步骤2-2)选取平滑窗的宽度为w，则平滑后的第i个传播损失值为：

则在探测方向j上平滑的传播损失

4.根据权利要求3所述的声纳不规则探测范围显示方法，其特征在于，所述通过优质因素与传播损失相等的关系，获取若干个探测方向上的岸基声纳作用距离，从而确定岸基声纳探测范围；具体为：

对于每个探测方向，选取与FOM值差别最小的该方向上的平滑后的传播损失值，其对应的探测距离作为该探测方向上的声纳探测距离d；所述探测范围以数据对<角度，探测距离>的形式表示为(φ,d)，其中φ表示角度，范围为[0°,360°]；以岸基声纳的正北方向为0°，顺时针方向增长。

5.根据权利要求4所述的声纳不规则探测范围显示方法，其特征在于，所述基于抛物线差值的探测范围曲线平滑方法，生成封闭的岸基声纳探测能力圈曲线并进行显示，具体包括：

步骤4-1)建立一个直角坐标系OXY，以岸基声纳为坐标原点，横轴OX表示为90°方向，纵轴OY表示0°方向；数据对(φ,d)在坐标系OXY表示为(x,y)：

步骤4-2)对坐标系OXY中的不规则图形分块，对每块数据进行二次插值后会得到一个二次曲线；由此得到多段二次曲线；

步骤4-3)对多段二次曲线进行拟合得到封闭的水声岸站探测能力圈曲线，然后进行显示。

6.根据权利要求5所述的声纳不规则探测范围确定方法，其特征在于，所述步骤4-2)具体包括：

步骤4-2-1)以横轴和纵轴为界，把不规则图形分为四块；

步骤4-2-2)在每块数据中均匀的选取三个点(x₀,y₀),(x₁,y₁),(x₂,y₂)；根据抛物线插值的方法，找到一个不超过二次函数y＝L(x)，使得L(x)满足条件：L(x₀)＝y₀，L(x₁)＝y₁，L(x₂)＝y₂。其中，L(x)的形式如下L(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，根据抛物线插值算法得下式：

求解式中二次多项式系数a₀，a₁，a₂，得到y＝L(x)的二次曲线。

7.一种声纳不规则探测范围显示系统，其特征在于，所述系统包括：

优质因素计算模块，用于基于被动声纳方程计算岸基声纳的优质因素；

传播损失计算模块，用于基于声场分析推算传播损失；

探测范围确定模块，用于通过优质因素与传播损失相等的关系，获取若干个探测方向上的岸基声纳作用距离，从而确定岸基声纳探测范围；和

探测能力圈显示模块，用于基于抛物线差值的探测范围曲线平滑方法，生成封闭的岸基声纳探测能力圈曲线并进行显示。