CN111190185B - 一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法及系统，涉及水下小目标探测技术领域，所述系统包括：成像UUV、中继UUV和探索UUV群，所述中继UUV位于所述成像UUV后方；所述方法为：成像UUV通过声纳成像装置对水下探测区域进行成像，得到第一图像，并判断第一图像是否存在可疑目标，得到探测结果，中继UUV将实时位置信息实时广播发送至探索UUV群，探索UUV群接收到实时位置信息后，朝可疑目标行驶，并通过光泵弱磁探测仪对可疑目标进行识别确认；本发明根据UUV的特点和任务需求，分别搭载不同的探测器，分别完成搜索、识别等任务，使得多台UUV可以相互协作完成任务，极大的提高了探测效率。

Description

一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法及系统

技术领域

本发明涉及水下小目标探测技术领域，具体涉及一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法及系统。

背景技术

水雷是一种可长期布设在水下，用以破坏舰船、潜艇并限制其行动的水中兵器。水雷是海战中必不可少的重要武器，它具有隐蔽性好、造价低廉、使用方便、爆破威力大、水中寿命长、易布难扫、费效比高等优点，是封锁敌港口、航道、破坏海上交通线、抗登陆、保护己方海岸线等有效的作战武器。对大深度、远距离的沉底或掩埋目标的探测与识别是当今反水雷作战中的瓶颈问题。

针对水雷探测过程中，水下环境复杂、特征信号微弱等问题，采用UUV(Unmanned-Und erwater-Vehicle，无人潜航器)搭载探测装备在水下探测水雷目标具有工作时间长、无人员伤亡等优点。目前的主流解决方案是针对指定海域，对UUV群规划好搜索路线，通过UUV上装载的声、光、磁等多种探测装置对水雷进行复合探测，然后将数据回收之后再进行处理，从而实现对水雷目标的探测和识别。

目前的主流方案存在以下不足：

1、实时性差：UUV群无法自主处理数据，对探测结果进行决策。

2、探测效率低：除了声呐之外，其他手段的探测距离较近，因此无法同步完成搜索和识别任务，需要先用声纳设备进行搜索然后再用其他手段对筛选出的可疑目标进行识别。

3、自适应能力弱：在执行任务过程中，如果遇到障碍物，UUV无法自主规划最优路径。

4、定位难度大：在水下进行目标识别时，无法接收GPS定位，需要通过惯导定位以及其他方法进行校正，且设备费用昂贵。

因此，目前的对于掩埋雷的探测方法无法满足现代战争中的实际需要。为了实现对掩埋雷目标的精准实时探测，亟待一种具有更高精度和效率的探测技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测系统，包括：成像UUV、中继UUV和探索UUV群，所述中继UUV位于所述成像UUV后方；

所述成像UUV包括：

声纳成像装置，用于对水下探测区域进行成像，并根据成像信息判断探索海域中是否存在可疑目标；

第一GPS定位装置；

第一无线通信装置，用于实时上传和接收探测结果；

第一信息处理模块，用于对可疑目标进行实时标注；

所述中继UUV包括：

第二GPS定位装置；

第二无线通信装置，用于实时上传和接收探测结果；

第二水声通信装置：用于向探索UUV群广播实时位置信息；

超短基线接收阵列：用于解算探索UUV群中各个探索UUV的实时位置；

所述探索UUV群包括：

弱磁探测装置，用于对可疑目标的磁性进行测量，从而实现可疑目标的确认识别；

第三水声通信装置，用于向中继UUV实时报告自身位置，并接收中继UUV发送的实时位置信息；

高频声纳测距装置，用于确定周边物体的位置信息，从而避免碰撞并得到最优的搜索路径，以及对可疑目标进行搜索定位；

第三信息处理模块，用于获取可疑目标弱磁信息特征，从而对目标特性进行识别确认。

作为上述技术方案的进一步改进，所述声纳成像装置位于水下距海面1.5～2.5m处。

作为上述技术方案的进一步改进，所述高频声纳测距装置采用的波长范围为40kHz～100kHz。

作为上述技术方案的进一步改进，所述声纳成像装置为水下合成孔径声纳成像装置，所述水下合成孔径声纳成像装置的频率范围为20kHz～40kHz。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一GPS定位装置和第二GPS定位装置均具有GPS天线，所述GPS天线伸出至海面上方。

本发明实施例还提供一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法，应用于上述水下掩埋雷自主探测系统，包括：

S100、成像UUV通过声纳成像装置对水下探测区域进行成像，得到第一图像，并判断第一图像是否存在可疑目标，得到探测结果；

S200、中继UUV实时接收成像UUV的探测结果，当第一图像中存在可疑目标时，中继UUV行驶至可疑目标上方，并放出探索UUV群；

S300、中继UUV将第一图像的探测范围进行扩展，作为探索UUV群的作业区域；

S400、探索UUV群通过自身搭载的第三水声通信装置向中继UUV发射信号，中继UUV通过超短基线阵列接收并解算信号后，得到探索UUV群中各个探索UUV的实时位置；

S500、中继UUV将实时位置信息实时广播发送至探索UUV群，所述实时位置信息包括作业区域中可疑目标的位置信息和探索UUV群中各个探索UUV的相对位置；

S600、探索UUV群接收到实时位置信息后，朝可疑目标行驶，并通过高频声纳测距装置搜索可疑目标；

S700、当搜索到可疑目标后，探索UUV群通过弱磁探测装置对可疑目标进行识别确认，实时上传识别结果给中继UUV，并继续执行下一个区域的搜索任务；

S800、中继UUV将收到的识别结果实时上报；

S900、当完成全部搜索任务后，探索UUV群根据实时位置信息上浮至中继UUV所在区域，完成回收工作。

作为上述技术方案的进一步改进，所述中继UUV将第一图像的探测范围进行扩展，作为探索UUV群的作业区域，具体为：

所述中继UUV将第一图像的最小外接矩形作为探索UUV群的作业区域。

作为上述技术方案的进一步改进，所述方法还包括：

在探索过程中，如果遇到障碍物，探索UUV通过自身搭载的高频声纳测距装置对障碍物进行感知和测距，以避开障碍物。

本发明的有益效果是：本发明公开一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法及系统，所述系统包括：成像UUV、中继UUV和探索UUV群，所述中继UUV位于所述成像UUV后方；所述方法为：成像UUV通过声纳成像装置对水下探测区域进行成像，得到第一图像，并判断第一图像是否存在可疑目标，得到探测结果，中继UUV将实时位置信息实时广播发送至探索UUV群，探索UUV群接收到实时位置信息后，朝可疑目标行驶，并通过光泵弱磁探测仪对可疑目标进行识别确认。本发明根据UUV的特点和任务需求，分别搭载不同的探测器，分别完成搜索、识别等任务，使得多台UUV可以相互协作完成任务，极大的提高了探测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中利用高光谱扫描水下可疑区域的应用场景示意图；

图3是本发明实施例中利用激光扫描探测目标的应用场景示意图；

图4为本发明提供的水下掩埋雷自主探测的一个效果示意图；

图5为本发明提供的水下掩埋雷自主探测的另一效果示意图；

图中，1-UUV，2-可疑目标，3-超短基线阵列，4-探测磁力线。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测系统，包括：成像UUV、中继UUV和探索UUV群，所述中继UUV位于所述成像UUV后方；

所述成像UUV包括：

声纳成像装置，用于对水下探测区域进行成像，并根据成像信息判断探索海域中是否存在可疑目标；

具体地，当水下掩埋雷自主探测系统工作时，所述成像UUV位于前行方向的前方，所述中继UUV位于成像UUV的后方，所述成像UUV和中继UUV间距设置，以保持一定的航行距离。

第一GPS定位装置；

第一无线通信装置，用于实时上传和接收探测结果；

第一信息处理模块，用于对可疑目标进行实时标注；

所述中继UUV包括：

第二GPS定位装置；

第二无线通信装置，用于实时上传和接收探测结果；

第二水声通信装置：用于向探索UUV群广播实时位置信息；

超短基线接收阵列：用于解算探索UUV群中各个探索UUV的实时位置；

所述探索UUV群包括：

弱磁探测装置，用于对可疑目标的磁性进行测量，从而实现可疑目标的确认识别；

本实施例中，所述弱磁探测装置采用光泵弱磁探测仪。

第三水声通信装置，用于向中继UUV实时报告自身位置，并接收中继UUV发送的实时位置信息；

高频声纳测距装置，用于确定周边物体的位置信息，从而避免碰撞并得到最优的搜索路径，以及对可疑目标进行搜索定位；

第三信息处理模块，用于获取可疑目标弱磁信息特征，从而对目标特性进行识别确认。

进一步作为改进的实施方式，所述声纳成像装置执行工作时，可以由成像UUV或USV(unmanned surface vessel，无人水面艇)等提供搭载平台，只需声纳成像装置在水下航行即可，具体的，由于成像UUV在水下航行，其航速较慢；而USV在水面航行，其航速较快，效率较高；当需要在隐蔽的环境中运行时，可采用成像UUV进行搭载，当在安全的环境下，可采用USV进行搭载。

本发明人在实验过程中发现，声纳成像装置的工作效率往往不稳定，为解决该技术问题，本发明人经反复试验，定位到问题的根源在于声纳成像装置的传播问题，经理论分析结合实践发现，由于声波在水中传播才更有效，如果声纳成像装置露出水面，其声波传播效率将会降低很多，为保证声纳成像装置的工作效率，本实施例中，将所述声纳成像装置控制在水下距海面1.5～2.5m处，当声纳成像装置在水下工作时，其深度根据航行速度而变化，优选的，将声纳成像装置控制在距水面2m左右的深度行驶较为适宜，这样，声纳成像装置在航行过程中不会漏出水面，既能确保声纳成像装置的声波在水中传播，保证声纳成像装置的工作效率，又不会导致成像UUV承载的第一GPS定位装置因高度不够而淹没在海里，便于第一GPS定位装置的天线伸出水面发送信号。

进一步作为改进的实施方式，本实施例中，所述高频声纳测距装置采用的波长范围为40kHz～100kHz。

进一步作为改进的实施方式，本实施例中，所述声纳成像装置为水下合成孔径声纳成像装置，所述水下合成孔径声纳成像装置的频率范围为20kHz～40kHz。本实施例中的水下合成孔径声纳成像装置采用的频率为20kHz～40kHz，从而可以得到最好的传输距离与探测精度。

进一步作为改进的实施方式，本实施例中，所述第一GPS定位装置和第二GPS定位装置的GPS天线伸出至海面上方。以便实时接收GPS定位信号，并通过电磁波实时传输探测成像结果给中继UUV。

本发明提供的基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法实现了不同类型UUV的智能协作分工，相较于现有技术方案，实现了探测全过程的智能控制，降低了探测、定位装置的复杂性和成本，提升了系统的鲁棒性，确保了探测信息的实时性、准确性。

参考图1，本发明实施例还提供一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法，包括以下步骤：

S100、成像UUV通过声纳成像装置对水下探测区域进行成像，得到第一图像，并判断第一图像是否存在可疑目标，得到探测结果。

S200、中继UUV实时接收成像UUV的探测结果，当第一图像中存在可疑目标时，中继UUV行驶至可疑目标上方，并放出探索UUV群；

具体地，所述可疑目标是指声纳成像装置对水下进行成像后和水下掩埋雷的声波特征相匹配的目标物。

S300、中继UUV将第一图像的探测范围进行扩展，作为探索UUV群的作业区域。

S400、探索UUV群通过自身搭载的第三水声通信装置向中继UUV发射信号，中继UUV通过超短基线阵列接收并解算信号后，得到探索UUV群中各个探索UUV的实时位置；

S500、中继UUV将实时位置信息实时广播发送至探索UUV群，所述实时位置信息包括作业区域中可疑目标的位置信息和探索UUV群中各个探索UUV的相对位置；

S600、探索UUV群接收到实时位置信息后，朝可疑目标行驶，并通过高频声纳测距装置搜索可疑目标；

本实施例中，首先采用高频声纳测距装置对海底进行大范围搜索，接着通过弱磁探测装置对可疑目标进行识别确认。

S700、当搜索到可疑目标后，探索UUV群通过弱磁探测装置对可疑目标进行识别确认，实时上传识别结果给中继UUV，并继续执行下一个区域的搜索任务；

S800、中继UUV将收到的识别结果实时上报；

在一个具体的实施例中，所述中继UUV用于将收到的识别结果实时上报给后方指挥机关。

S900、当完成全部搜索任务后，探索UUV群根据实时位置信息上浮至中继UUV所在区域，完成回收工作。

进一步作为改进的实施方式，本实施例中，所述中继UUV将第一图像的探测范围进行扩展，作为探索UUV群的作业区域，具体为：

所述中继UUV将第一图像的最小外接矩形作为探索UUV群的作业区域。

进一步作为改进的实施方式，所述方法还包括：

在探索过程中，如果遇到障碍物，探索UUV通过自身搭载的高频声纳测距装置对障碍物进行感知和测距，以避开障碍物。

参考图2-图5，图2-图5为本发明提供的现场示意图，本发明针对现有水雷探测手段的不足，采用基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法可以极大的提高探测效率和准确性。与目前的UUV群体探测手段相比，本发明做出了如下改进：

1、实时性好：本发明提供的基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法在UUV终端装有信息处理模块，能够独立自主的对水下目标进行快速、高精度识别，不需要将采集到的数据带回来由人工进行识别，确保了探测结果的实时性果。

2、探测效率高：本发明提供的基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法，根据UUV的特点和任务需求，分别搭载不同的探测器，分别完成搜索、识别等任务，使得多台UUV可以相互协作完成任务，极大的提高了探测效率。

3、自适应能力强：本发明提供的基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法，具有群体协同路径规划机制在遇到已知环境中的障碍威胁时，可以在初步的航路规划中对障碍物实施避绕，在未知环境下，需通过传感器获得障碍的具体位置信息，重新规划航路。精准的航路规划会使UUV执行任务的时间和航路变短且安全性增强。

4、定位简单。本发明提供的无人群体智能高精度探测系统，采用分层的结构构进行协同合作，上层的UUV利用GPS对可疑目标定位，下层的UUV在可疑目标附近被投放后，在水中进行小范围的自主搜索，无需水下的精确定位，只需要知道上层通信机的相对位置即可完成任务。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件的实现方式，以软件形式加载到成像UUV、中继UUV和探索UUV群中，以进行基于群体智能的水下掩埋雷自主探测。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来。

尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。

Claims (8)

1.一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测系统，其特征在于，包括：成像UUV、中继UUV和探索UUV群，所述中继UUV位于所述成像UUV后方；

所述成像UUV包括：

声纳成像装置，用于对水下探测区域进行成像，并根据成像信息判断探索海域中是否存在可疑目标；

第一GPS定位装置；

第一无线通信装置，用于实时上传和接收探测结果；

第一信息处理模块，用于对可疑目标进行实时标注；

所述中继UUV包括：

第二GPS定位装置；

第二无线通信装置，用于实时上传和接收探测结果；

第二水声通信装置：用于向探索UUV群广播实时位置信息；

超短基线接收阵列：用于解算探索UUV群中各个探索UUV的实时位置；

所述探索UUV群包括：

弱磁探测装置，用于对可疑目标的磁性进行测量，从而实现可疑目标的确认识别；

第三水声通信装置，用于向中继UUV实时报告自身位置，并接收中继UUV发送的实时位置信息；

高频声纳测距装置，用于确定周边物体的位置信息，从而避免碰撞并得到最优的搜索路径，以及对可疑目标进行搜索定位；

第三信息处理模块，用于获取可疑目标弱磁信息特征，从而对目标特性进行识别确认。

2.根据权利要求1所述的一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测系统，其特征在于，所述声纳成像装置位于水下距海面1.5~2.5m处。

3.根据权利要求1所述的一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测系统，其特征在于，所述高频声纳测距装置采用的波长范围为40kHz~100kHz。

4.根据权利要求1所述的一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测系统，其特征在于，所述声纳成像装置为水下合成孔径声纳成像装置，所述水下合成孔径声纳成像装置的频率范围为20kHz~40kHz。

5.根据权利要求1所述的一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测系统，其特征在于，所述第一GPS定位装置和第二GPS定位装置均具有GPS天线，所述GPS天线伸出至海面上方。

6.一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法，应用于权利要求1~5任一所述的基于上述水下掩埋雷自主探测系统，其特征在于，包括：

S100、成像UUV通过声纳成像装置对水下探测区域进行成像，得到第一图像，并判断第一图像是否存在可疑目标，得到探测结果；

S200、中继UUV实时接收成像UUV的探测结果，当第一图像中存在可疑目标时，中继UUV行驶至可疑目标上方，并放出探索UUV群；

S300、中继UUV将第一图像的探测范围进行扩展，作为探索UUV群的作业区域；

S400、探索UUV群通过自身搭载的第三水声通信装置向中继UUV发射信号，中继UUV通过超短基线阵列接收并解算信号后，得到探索UUV群中各个探索UUV的实时位置；

S500、中继UUV将实时位置信息实时广播发送至探索UUV群，所述实时位置信息包括作业区域中可疑目标的位置信息和探索UUV群中各个探索UUV的相对位置；

S600、探索UUV群接收到实时位置信息后，朝可疑目标行驶，并通过高频声纳测距装置搜索可疑目标；

S700、当搜索到可疑目标后，探索UUV群通过弱磁探测装置对可疑目标进行识别确认，实时上传识别结果给中继UUV，并继续执行下一个区域的搜索任务；

S800、中继UUV将收到的识别结果实时上报；

S900、当完成全部搜索任务后，探索UUV群根据实时位置信息上浮至中继UUV所在区域，完成回收工作。

7.根据权利要求6所述的一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法，其特征在于，所述中继UUV将第一图像的探测范围进行扩展，作为探索UUV群的作业区域，具体为：

所述中继UUV将第一图像的最小外接矩形作为探索UUV群的作业区域。

8.根据权利要求6所述的一种基于群体智能的水下掩埋雷自主探测方法，其特征在于，还包括：

在探索过程中，如果遇到障碍物，探索UUV通过自身搭载的高频声纳测距装置对障碍物进行感知和测距，以避开障碍物。

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