CN110231778A - 一种通用的uuv水下目标探测仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用的UUV水下目标探测仿真方法和系统，所述方法包括：接收选择的探测模式；所述探测模式包括：主动探测和被动探测；如果选择的是主动探测，则开启主动探测，获取目标探测结果；否则，开启被动探测，获取目标探测结果。本发明的方法和系统能够提供UUV能力建设的仿真研究服务，通过对典型的水声探测装备和探测过程的建模，提供标准化、通用性水下目标探测模型。

Description

一种通用的UUV水下目标探测仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及UUV目标探测建模领域，尤其涉及一种通用的UUV水下目标探测 仿真方法及系统。

背景技术

无人水下航行器(UUV)是一种海上力量倍增器，拥有广泛而重要的军事、科 研用途，在未来的海洋探测中发挥不可替代的作用。UUV搭载多种传感器，可以在 复杂海况、恶劣环境下完成水下警戒、跟踪、勘探、中继通信等水下航行任务。随 着技术的进步，UUV拥有更多的潜在应用领域，尤其是对人员要求严格的深海。

随着UUV技术的日臻成熟，为了满足水下无人探测、自主能力建设的要求， UUV开始装备多种声纳探测传感器，主要以安装在载壳上的载壳共形声传感器为主， 国海军UUVBluefin 21艉部安装的主动声传感器，而美国的Progeny系统公司准备 在无人平台载体上加装矢量传感器用于水下探测。另外，还有一些实验性的探测声 传感器装备，如SACLANTCEN和MIT合作在Odyssey UUV安装的前鼻阵声传感器， 全阵共8个阵元间隔10cm工作频段在8-16kHz。2008年美国NURC将SLITA拖曳 阵声传感器(31mm外径)安装在OceanExplorer AUV上，试验UUV拖曳声传感器 性能，以期完成其整个水下探测网络的设想。

在主被动多传感器探测感知方面，美国水下持续跟踪无人艇(ACTUV)的两翼 安装雷声公司的MS3中频远程主被动壳体声传感器，是第五代艏部和壳体主被动声 传感器系统(改进SQS-56系统)，主动有效探测距离可以达到18km，同时具备主动 和被动目标搜索能力，并通过使用光纤水听器，降低了系统功耗和重量。2015年， 在密西西比州海域，成功对1km外的水下目标进行了持续跟踪。但是，当前应用与 UUV平台的主被动声探测技术的成熟度不高，距离真正的实用还有差距。目前有必 要抓紧开展基于仿真的通用探测方法研究，以加快装备实用化的进程。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，采用的技术方案为：从仿真运行的角度，梳理UUV水声探测过程，主要理清主动声纳、被动声纳的工作逻辑，按照平台的控 制要求合理地进行主动、被动探测。UUV水声探测通用模型的工作流程包括参数装 订、主被动开关机控制、自主探测上报等基本流程。

为了实现上述目的，本发明提出了一种通用的UUV水下目标探测仿真方法，所 述方法包括：

接收选择的探测模式；所述探测模式包括：主动探测和被动探测；

如果选择的是主动探测，则开启主动探测，获取目标探测结果；

否则，开启被动探测，获取目标探测结果。

作为上述方法的一种改进，所述主动探测具体包括：

发射主动探测信号，发射范围为左舷-15°～-115°，右舷15°～115°；

基于声场分析计算主动探测传播损失值；

基于主动声纳方程计算主动探测优质因素；

根据主动探测传播损失值和主动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算主动探测目标信息。

作为上述方法的一种改进，基于声场分析计算主动探测传播损失，具体包括：

在目标到探测源的方向上，从距离目标的距离r＝1m位置出开始，按照距离目 标的距离按照距离步长Δr递进，依次计算m个位置上的传播损失值：l₁,l₂,...,l_m；其 中m为传播损失值的个数，与所选取的距离有关；

其中，1≤i≤m；p(1)表示距离目标距离1m处的声压值；p(r+iΔr,z)为r+iΔr 处的声压：

其中，z表示目标距离海平面的深度；c₀表示典型的相位速度，ω表 示频率；α_j,n,β_j,n表示耦合系数，n表示有理函数的项数，用于逼近指数函数；其中k表示波束数目，ρ表示海水密度， p(r+(i-1)Δr,z)为r+(i-1)Δr处的声压；

根据m个位置上的传播损失值，插值生成距离-传播损失值曲线。

作为上述方法的一种改进，所述主动探测优质因素为：

其中，FOM为主动探测优质因素；SL指的发射声源级；TS表示目标强度，由 目标正横方向的目标强度和方位角计算得出；NL表示噪声级，包括环境噪声和平台 自噪声；GS和GT分别表示主动声纳系统的空间增益和时间增益；DT为主动声纳 识别系数。

作为上述方法的一种改进，所述根据主动探测传播损失和主动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算主动探测目标信息，具体包括：

依据下述探测目标判定准则判定目标是否在探测范围内：

其中，TL为根据距离-传播损失值曲线得到的目标位置的传播损失值；Δ_a表示 主动探测的工程裕量，单位为db；

如果目标在探测范围内，则计算主动探测目标信息：

目标距离为：

目标方位为：

其中，为E_r声纳主动探测距离误差，E_d为目标方位估计误差；(x_t,y_t)表示仿真 中的目标的经纬度，(x_z,y_z)表示UUV中探测载荷的经纬度，表示由经纬度到距 离的转换因子，randn表示[0,1]范围内的随机数。

作为上述方法的一种改进，所述被动探测具体包括：

基于声场分析计算被动探测传播损失值；

基于被动声纳方程计算被动探测优质因素；

根据被动探测传播损失值和被动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算被动探测目标信息。

作为上述方法的一种改进，所述基于声场分析计算被动探测传播损失值：

在目标到探测源的方向上，从距离目标的距离r＝1m位置处开始，按照距离目 标的距离按照距离步长Δr递进，依次计算m个位置上的传播损失值：l₁,l₂,...,l_m；其 中m为传播损失值的个数，与所选取的距离有关；

其中，1≤i≤m；p(1)表示距离目标距离1m处的声压值；p(r+iΔr,z)为r+iΔr 处的声压：

其中，z表示目标距离海平面的深度；c₀表示典型的相位速度，ω表 示频率；α_j,n,β_j,n表示耦合系数，n表示有理函数的项数，用于逼近指数函数；其中k表示波束数目，ρ表示海水密度， p(r+(i-1)Δr,z)为r+(i-1)Δr处的声压；

根据m个位置上的传播损失值，插值生成距离-传播损失值曲线。

作为上述方法的一种改进，所述被动探测优质因素为：

FOM_p＝SL_p-NL+GS_p+GT_p-DT_p

其中，FOM_p为被动探测优质因素；SL_p指的目标辐射噪声源级；GS_p和GT_p分 别表示被动声纳系统的空间增益和时间增益；DT_p表示被动声纳识别系数。

作为上述方法的一种改进，所述根据被动探测传播损失和被动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算被动探测目标信息，具体包括：

依据下述探测目标判定准则判定目标是否在探测范围内：

其中，TL_p为根据距离-传播损失值曲线得到的目标位置的传播损失值；Δ_p表示 被动探测的工程裕量，单位为db；被动探测范围为左舷-15°～-165°，右舷15° ～165°；

如果目标在探测范围内，则计算被动探测目标信息：

目标方位为：

其中，(x_t,y_t)表示仿真中的目标的经纬度，(x_z,y_z)表示UUV中探测载荷的经 纬度，为声纳被动探测目标方位估计误差，randn表示[0,1]范围内的随机数。

本发明还提供了一种通用的UUV水下目标探测仿真系统，所述系统包括：探测 模式选择模块、主动探测模块和被动探测模块；

所述探测模式选择模块，用于接收选择的探测模式；所述探测模式包括：主动 探测和被动探测；如果选择的是主动探测，则开启主动探测模块，获取目标探测结 果；否则，开启被动探测模块，获取目标探测结果；

所述主动探测模块，用于发射主动探测信号，基于声场分析计算主动探测传播 损失值；基于主动声纳方程计算主动探测优质因素；根据主动探测传播损失值和主 动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算主动探测目 标信息；

所述被动探测模块，用于基于声场分析计算被动探测传播损失值；基于被动声 纳方程计算被动探测优质因素；根据被动探测传播损失值和被动探测优质因素判断 目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算被动探测目标信息。

本发明的优势在于：

本发明的方法及系统能够提供UUV能力建设的仿真研究服务，通过对典型的水 声探测装备和探测过程的建模，提供标准化、通用性水下目标探测模型。

附图说明

图1为本发明的通用的UUV水下目标探测仿真方法的流程图；

图2为本发明的主被动协同探测时UUV探测结果列表；

图3为本发明的UUV探测目标方位瀑布图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明提出的方法及系统进行详细描述。

实施例1

如图1所示，通用的UUV水下目标探测过程主要包括：参数装订、主被动开关 机控制、自主探测上报等基本流程。从仿真运行的角度，梳理UUV水声探测过程， 主要理清主动声纳、被动声纳的工作逻辑，按照平台的控制要求合理地进行主动、 被动探测。

(1)参数装订

开始阶段，UUV水声探测通用模型进行初始化参数装订，通过外部模块装订目 标初始信息、UUV平台初始信息、声纳探测初始信息等，同时装载环境信息。

(2)开机控制

UUV平台给出主动工作指令，水下目标探测开启主动探测；若没有开启主动探 测，探测模型则开启纯被动探测。

(3)水声探测

按照主动探测方式或被动探测方式，水下目标探测开展探测工作过程。通过模 拟声传播的过程，分析探测信号给出探测目标信息。

(4)探测结果上报

当连续多个环节均探测到稳定目标信号时，分析目标信息，上报UUV平台探测 结果。

(5)关机控制

UUV平台给出关机指令，探测模型停止工作。

步骤1，初始化参数装订；

步骤2，判断主动探测开机命令是否开启，如开启则转到步骤3，否则转向步骤 5；

步骤3，开启主动探测，上报探测结果；

步骤4，判断是否接收到主动关机命令，如接收到，则关机，否则转到步骤2；

步骤5，判断被动探测开机命令是否开启，如开启则转到步骤6，否则转到步骤 2；

步骤6，开启被动探测，上报探测结果；

步骤7，判断是否接收到被动关机命令，如接收到，则关机，否则转到步骤2。

首先，本发明设计了适用于UUV的主动探测过程。

第一步，基于声场分析计算主动探测传播损失。

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表示距目标点源的水平距离，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。

在目标到探测源的方向上，从距离目标的距离r＝1m位置出开始，按照距离目 标的距离按照距离步长Δr递进，依次计算m个位置上的传播损失值：l₁,l₂,...,l_m；其 中m为传播损失值的个数，与所选取的距离有关；

其中，1≤i≤m；p(1)表示距离目标距离1m处的声压值；p(r+iΔr,z)为r+iΔr 处的声压：

其中，z表示目标距离海平面的深度；c⁰表示典型的相位速度，ω表 示频率；α_j,n,β_j,n表示耦合系数，n表示有理函数的项数，用于逼近指数函数；其中k表示波束数目，ρ表示海水密度， p(r+(i-1)Δr,z)为r+(i-1)Δr处的声压；

根据m个位置上的传播损失值，插值生成距离-传播损失值曲线。

第二步，基于主动声纳方程计算优质因素。

其特征在于根据主动声纳方程，计算优质因素FOM如下：

其中，SL指的发射声源级；TS表示目标强度，由目标正横方向的目标强度(目 标模型给出)和方位角计算得出；NL表示噪声级，包括环境噪声和平台自噪声组成； GS和GT分别表示主动声纳系统的空间增益和时间增益；DT表示主动声纳识别系 数，又称为检测阈。

(1)目标强度

根据目标和UUV声纳平台的经纬度，计算出相对于目标艇艏艇艉方向的方位角γ，则目标强度TS为：

TS＝TS₀(16.17-2.98cos2γ-3.083cos6γ)/22.233

其中，TS₀为目标正横的目标强度，γ为声波入射舷角。对于收发合置的声纳， 声脉冲信号的入射方向和目标艇体的夹角会影响回波信号的强度，不同入射舷角时 目标的目标强度不同。

(2)海洋环境噪声级

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。

以海况和频率为参数的海洋环境噪声级，对于浅海，计算噪声谱级的近似公式为：

NL＝10lgf^-1.7+6S+55

式中f为频率(KHz)，S为海况等级，S＝0,1,2,...,9。

(3)检测阈

假设主动声纳采用匹配滤波法检测目标回波信号，则：

其中，T为主动声纳发射脉冲宽度，d为检测指数，根据选定的检测概率和虚警 概率从接收机工作特性(ROC)曲线上查得。

(4)空间增益

GS＝10lgN

其中，N表示阵元数。

(5)时间增益

主动探测通过匹配滤波处理获得时间处理增益，脉冲时间T＝0.1s、B＝2000Hz，可以获得的时间增益为：

GT＝10lg(T·B)

其中，T表示脉冲时间，B表示脉冲频率。

第三步，输出主动探测目标信息。

首先假定声纳主动探测距离误差E_r，目标方位估计误差E_d。探测目标判定准则 为，目标的传播损失小于声纳的优质因素减去裕量，且目标不在探测盲区内。

其中，TL为根据距离-传播损失值曲线得到的目标位置的传播损失值；Δ_a表示 主动探测的工程裕量，单位为db。

假定主动信号的发射范围为左舷-15°～-115°，右舷15°～115°。连续4个探 测周期内，探测到目标后转入跟踪状态。则输出目标信息如下：

目标距离

目标方位

其中，(x_t,y_t)表示目标的经纬度，(x_z,y_z)表示UUV中探测载荷的经纬度，表 示由经纬度到距离(单位：米)的转换因子，randn表示[0,1]范围内的随机数。

其次，本发明设计了适用于UUV的被动目标探测过程。

第一步，基于声场分析计算被动探测传播损失TL_p。

这一过程与主动目标探测过程一致。

第二步，基于被动声纳方程计算优质因素。

根据被动声纳方程计算优质因素如下：

FOM_p＝SL_p-NL+GS_p+GT_p-DT_p

其中，SL_p指的目标辐射噪声源级；GS_p和GT_p分别表示被动声纳系统的空间增 益和时间增益；DT_p表示被动声纳识别系数，又称为检测阈。

(1)声源级

1)水面目标声源级

SL_p＝60lgν+91lg T_p-20lg f+20lg D+33.5

其中v为航速，单位节，T_p为排水量，单位吨，f为频率，单位kHz，D为距离， 单位码。

2)水下目标声源级

SL_p＝60lgν_m+91lg T_p-20lg f+35.8

其中，ν_m为水下目标速度，T_p为排水量，单位吨，f为噪声频率(kHz)。

(2)环境噪声级

与主动探测计算方式一致。

(3)检测阈

其中d为检测指数，W_SL为谱线宽度或FFT分析的频率间隔，T_total为LOFAR 图总的观测时间。

(4)空间增益

GS_p＝10lgN

其中，N表示有效阵元数。频段中间，根据孔径计算有效阵元数换算。

(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_p＝5lg(T/Δτ)

其中，T表示脉冲时间，Δτ表示脉冲积累时间。

第三步，输出被动探测目标信息。

首先假定声纳被动探测目标方位估计误差探测目标判定准则为，目标的传播损失小于声纳的优质因素减去裕量，且目标不在探测盲区内。

其中，TL_p为根据距离-传播损失值曲线得到的目标位置的传播损失值，与TL的 计算方法相同；Δ_p表示被动探测的工程裕量，单位为db。

假定被动探测范围为左舷-15°～-165°，右舷15°～165°。连续4个探测周期 内，探测到目标后转入跟踪状态。则输出目标信息如下：

目标方位

本发明适用于利用仿真技术实现高效的UUV探测过程，有助于UUV自主能力 的仿真研究。图2给出了利用仿真数据驱动本发明方法给出的UUV探测目标的结果， 图3给出了UUV探测过程中的目标方位瀑布图。从仿真结果可以看出，本发明的方 法具备良好的通用性，能够模拟UUV典型水声装备的工作过程，具备简单高效的特 点。

实施例2

本发明的实施例2提供了一种通用的UUV水下目标探测仿真系统，所述系统包 括：探测模式选择模块、主动探测模块和被动探测模块；

所述探测模式选择模块，用于接收选择的探测模式；所述探测模式包括：主动 探测和被动探测；如果选择的是主动探测，则开启主动探测模块，获取目标探测结 果；否则，开启被动探测模块，获取目标探测结果；

所述主动探测模块，用于发射主动探测信号，基于声场分析计算主动探测传播 损失值；基于主动声纳方程计算主动探测优质因素；根据主动探测传播损失值和主 动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算主动探测目 标信息；

所述被动探测模块，用于基于声场分析计算被动探测传播损失值；基于被动声 纳方程计算被动探测优质因素；根据被动探测传播损失值和被动探测优质因素判断 目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算被动探测目标信息。

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 (10)

1.一种通用的UUV水下目标探测仿真方法，所述方法包括：

接收选择的探测模式；所述探测模式包括：主动探测和被动探测；

如果选择的是主动探测，则开启主动探测，获取目标探测结果；

否则，开启被动探测，获取目标探测结果。

2.根据权利要求1所述通用的UUV水下目标探测仿真方法，其特征在于，所述主动探测具体包括：

发射主动探测信号，发射范围为左舷-15°～-115°，右舷15°～115°；

基于声场分析计算主动探测传播损失值；

基于主动声纳方程计算主动探测优质因素；

根据主动探测传播损失值和主动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算主动探测目标信息。

3.根据权利要求2所述通用的UUV水下目标探测仿真方法，其特征在于，基于声场分析计算主动探测传播损失，具体包括：

在目标到探测源的方向上，从距离目标的距离r＝1m位置出开始，按照距离目标的距离按照距离步长Δr递进，依次计算m个位置上的传播损失值：l₁,l₂,...,l_m；其中m为传播损失值的个数，与所选取的距离有关；

其中，1≤i≤m；p(1)表示距离目标距离1m处的声压值；p(r+iΔr,z)为r+iΔr处的声压：

其中，z表示目标距离海平面的深度；c₀表示典型的相位速度，ω表示频率；α_j,n,β_j,n表示耦合系数，n表示有理函数的项数，用于逼近指数函数；其中k表示波束数目，ρ表示海水密度，p(r+(i-1)Δr,z)为r+(i-1)Δr处的声压；

根据m个位置上的传播损失值，插值生成距离-传播损失值曲线。

4.根据权利要求3所述通用的UUV水下目标探测仿真方法，其特征在于，所述主动探测优质因素为：

其中，FOM为主动探测优质因素；SL指的发射声源级；TS表示目标强度，由目标正横方向的目标强度和方位角计算得出；NL表示噪声级，包括环境噪声和平台自噪声；GS和GT分别表示主动声纳系统的空间增益和时间增益；DT为主动声纳识别系数。

5.根据权利要求4所述的通用的UUV水下目标探测仿真方法，其特征在于，所述根据主动探测传播损失和主动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算主动探测目标信息，具体包括：

依据下述探测目标判定准则判定目标是否在探测范围内：

其中，TL为根据距离-传播损失值曲线得到的目标位置的传播损失值；Δ_a表示主动探测的工程裕量，单位为db；

如果目标在探测范围内，则计算主动探测目标信息：

目标距离为：

目标方位为：

其中，为E_r声纳主动探测距离误差，E_d为目标方位估计误差；(x_t,y_t)表示仿真中的目标的经纬度，(x_z,y_z)表示UUV中探测载荷的经纬度，表示由经纬度到距离的转换因子，randn表示[0,1]范围内的随机数。

6.根据权利要求1所述通用的UUV水下目标探测仿真方法，其特征在于，所述被动探测具体包括：

基于声场分析计算被动探测传播损失值；

基于被动声纳方程计算被动探测优质因素；

根据被动探测传播损失值和被动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算被动探测目标信息。

7.根据权利要求6所述通用的UUV水下目标探测仿真方法，其特征在于，所述基于声场分析计算被动探测传播损失值：

在目标到探测源的方向上，从距离目标的距离r＝1m位置处开始，按照距离目标的距离按照距离步长Δr递进，依次计算m个位置上的传播损失值：l₁,l₂,...,l_m；其中m为传播损失值的个数，与所选取的距离有关；

其中，1≤i≤m；p(1)表示距离目标距离1m处的声压值；p(r+iΔr,z)为r+iΔr处的声压：

其中，z表示目标距离海平面的深度；c₀表示典型的相位速度，ω表示频率；α_j,n,β_j,n表示耦合系数，n表示有理函数的项数，用于逼近指数函数；其中k表示波束数目，ρ表示海水密度，p(r+(i-1)Δr,z)为r+(i-1)Δr处的声压；

根据m个位置上的传播损失值，插值生成距离-传播损失值曲线。

8.根据权利要求7所述的通用的UUV水下目标探测仿真方法，其特征在于，所述被动探测优质因素为：

FOM_p＝SL_p-NL+GS_p+GT_p-DT_p

其中，FOM_p为被动探测优质因素；SL_p指的目标辐射噪声源级；GS_p和GT_p分别表示被动声纳系统的空间增益和时间增益；DT_p表示被动声纳识别系数。

9.根据权利要求8所述的通用的UUV水下目标探测仿真方法，其特征在于，所述根据被动探测传播损失和被动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算被动探测目标信息，具体包括：

依据下述探测目标判定准则判定目标是否在探测范围内：

其中，TL_p为根据距离-传播损失值曲线得到的目标位置的传播损失值；Δ_p表示被动探测的工程裕量，单位为db；被动探测范围为左舷-15°～-165°，右舷15°～165°；

如果目标在探测范围内，则计算被动探测目标信息：

目标方位为：

其中，(x_t,y_t)表示仿真中的目标的经纬度，(x_z,y_z)表示UUV中探测载荷的经纬度，为声纳被动探测目标方位估计误差，randn表示[0,1]范围内的随机数。

10.一种通用的UUV水下目标探测仿真系统，其特征在于，所述系统包括：探测模式选择模块、主动探测模块和被动探测模块；

所述探测模式选择模块，用于接收选择的探测模式；所述探测模式包括：主动探测和被动探测；如果选择的是主动探测，则开启主动探测模块，获取目标探测结果；否则，开启被动探测模块，获取目标探测结果；

所述主动探测模块，用于发射主动探测信号，基于声场分析计算主动探测传播损失值；基于主动声纳方程计算主动探测优质因素；根据主动探测传播损失值和主动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算主动探测目标信息；

所述被动探测模块，用于基于声场分析计算被动探测传播损失值；基于被动声纳方程计算被动探测优质因素；根据被动探测传播损失值和被动探测优质因素判断目标是否在探测范围内，如果在探测范围内，计算被动探测目标信息。