CN111220987B - 低频多线谱远程水下目标探测系统及其方法 - Google Patents

低频多线谱远程水下目标探测系统及其方法 Download PDF

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Abstract

一种低频多线谱远程水下目标探测系统，将多枚声纳浮标布放在海中，形成相互垂直的两条由N个声纳浮标组成的阵列，由水面或空中平台上的多通道无线电发射机/接收机发射无线电同步信号A1唤醒处于值更状态的声纳浮标，同步信号A2控制声纳浮标采集、传送水下目标信息，声纳浮标上的无线电发射机/接收机，将声纳浮标探测到的水下目标信息和声纳浮标的位置坐标信息，发送到水面或空中平台的无线电接收机，平台上的计算机接收存储目标信息数据，由平台上的计算机按线列阵进行补偿，按工作频段进行虚拟阵列处理形成波束，实现低频、大孔径、多线谱的高空时增益的信号处理，获取远程目标的方位和距离信息并提供给显示控制终端。

Description

低频多线谱远程水下目标探测系统及其方法
技术领域
本发明涉及远程水下目标声探测技术领域，具体涉及一种低频多线谱远程水下目标探测系统及其方法。
背景技术
随着现代装备技术的不断发展，对水下目标的搜索、跟踪变得越来越困难。拖曳线列阵声纳、吊放声呐、岸基声纳、声纳浮标等作为一种有效探测手段受到了越来越多重视，世界各国都在积极研究先进的远程探测技术。
然而当今水下航行器的自噪声谱级不断降低，为降低目标反射强度敷设了消声瓦，水声探测技术水平面临巨大的技术挑战。众所周知，水下航行器的低频线谱特别是螺旋桨的轴频和叶频线谱强度比噪声的连续谱强度要高出10-20分贝；敷设消声瓦水下航行器的目标反射强度在低频端基本无减弱效果，因此采用低频或超低频声信号探测水下目标是当前一个重要发展趋势，世界各发达国家在这一领域投入大量的人力、物力和财力解决水下目标的远程探测问题，从目前的研究效果来看收效甚微。主要是受水声探测系统的换能器基阵尺寸、体积、重量等限制，装载平台限制了换能器基阵不可能做的很大，由于换能器基阵的孔径小，低频端的空间处理增益低，探测距离较近。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种低频多线谱远程水下目标探测系统及其方法，实现大孔径布阵，获取高的空间处理增益。
本发明提供了一种低频多线谱远程水下目标探测系统，其特征在于包括两条垂直的浮标阵列，每条浮标阵列包括多个间隔分布的声纳浮标，声纳浮标上集成有无线电发射机/接收机；还包括设置于平台上的多通道无线电发射机/接收机和计算机；由多通道无线电发射机/接收机发射无线电同步信号控制声纳浮标采集和存储水下目标信息；声纳浮标上的无线电发射机/接收机，将声纳浮标探测到的水下目标信息和声纳浮标的位置信息，发送到平台上的多通道无线电发射机/接收机，计算机接收存储来自多通道无线电发射机/接收机的水下目标信息和声纳浮标的位置信息，由计算机实现低频、大孔径、多线谱的高空时增益的信号处理，获取远程目标的方位和距离信息。
上述技术方案中，声纳浮标为被动声纳浮标，声纳浮标入水后工作在低功耗值更状态，声纳浮标集成有低频水声探测系统和水声接收换能器、嵌入式计算机、无线电发射/接收机、北斗接收机、浮囊、北斗及无线电天线、供电电池。
上述技术方案中，声纳浮标布放后处于值更状态，并等待多通道无线电发射机/接收机发射的无线电同步信号A1唤醒，声纳浮标在多通道无线电发射机/接收机发射的无线电同步信号A1唤醒后，在多通道无线电发射机/接收机发射的同步信号A2的控制下，声纳浮标按嵌入式计算机控制的时序逻辑对水下目标信息和位置坐标进行采集存储，并通过声纳浮标上的无线电发射机/接收机，按一定间隔时间发射信息数据组至多通道无线电发射机/接收机，信息数据组包括声纳浮标的位置坐标信息和接收到的水下目标信息；声纳浮标接收到来自多通道无线电发射机/接收机发射的同步信号A3后进入值更状态。
上述技术方案中，声纳浮标布放成两条相互垂直的线列阵；声纳浮标布放间距在最低工作频率的半波长至四分之三波长之间，水声接收换能器布放深度在20-100米，布放海域深度大于50米。
上述技术方案中，还包括平台，所述平台设置于空中或者水面上；多通道无线电发射机/接收机和计算机集成于平台上；平台上具有储存和布放多枚声纳浮标的空间。
上述技术方案中，多通道无线电发射机/接收机和计算机能够同时接收存储声纳浮标发射的位置坐标信息和声纳浮标接收到的水下目标信息，并按声纳浮标的位置坐标和声纳浮标接收到的水下目标信息分区、分组存放，实现在线实时和离线信号处理使用。
上述技术方案中，还包括显示控制终端，计算机将远程目标的方位和距离信息送到显示控制终端，以极坐标或平面坐标形式显示水下目标和干扰信息。
上述技术方案中，计算机控制多通道无线电发射机/接收机发射同步信号A1、A2、A3。
本发明还提供一种基于低频多线谱远程水下目标探测系统的探测方法，其特征在于包括以下步骤：
⑴按使用规程确定水面或空中平台和N个声纳浮标组成的两条线列阵布放的位置、态势、布放方法并实施完成布放；⑵由多通道无线电发射机/接收机发射同步信号A1唤醒两条声纳浮标线列阵的全部声纳浮标，使声纳浮标的水声探测系统供电并进入工作状态；⑶每个声纳浮标由多通道无线电发射机/接收机发射的同步信号A2启动，对水下目标信息进行采集存储；⑷在声纳浮标的嵌入式计算机的控制下，声纳浮标上的无线电发射机/接收机按一定间隔时间发射信息数据组，信息数据组包括声纳浮标的位置坐标信息和接收到的水下目标信息；⑸计算机根据多通道无线电发射机/接收机接收到的各声纳浮标坐标位置信息和水下目标信息，按线列阵进行补偿，按工作频段进行虚拟阵列处理；⑹计算机根据接收到的各声纳浮标水下目标信息结合虚拟阵列完成各种信号处理算法，获取水下目标计算结果并发送至显示控制终端；⑺当多通道无线电发射机/接收机发射的下一个同步信号A2到来时，声纳浮标集成的无线电发射机/接收机再向多通道无线电发射机/接收机发射下一信息数据组，如此反复；⑻当没发现水下目标时，由多通道无线电发射机/接收机发射同步信号A3控制声纳浮标进入值更状态。
上述技术方案中，包括以下步骤：计算机按接收到的声纳浮标位置信息完成坐标变换；根据海流信息和布放误差对N个声纳浮标的坐标位置信息和水下目标信息，按线列阵实现补偿；根据工作频率变化可实现N个声纳浮标阵列中的阵元信号的虚拟；信号处理算法包括信号检测算法、波束形成算法、目标识别算法、水下目标航迹比对算法、水面目标剔除算法、目标方位和距离算法等；并由计算机控制水面或空中平台上的多通道无线电发射机/接收机发射同步信号A1(唤醒)、A2(采集和传送)、A3(节能)。
本发明具有如下优点：⑴本发明通过设置两条相互垂直的声纳浮标阵列，可实现大孔径布阵，获取高的空间处理增益；探测系统可在低频或超低频段工作，探测水下航行器的轴频和叶频线谱信号；对水下目标实现远距离的探测和高精度的定向、定位。⑵本发明通过计算机的计算，对声纳浮标的布阵误差、水流风向影响误差、目标噪声线谱的变化等实现自动补偿，进一步保证探测的精确度。⑶本发明的设置有空中平台或者水面平台，平台上可放置并布放声纳浮标，平台集成有多通道无线电发射机/接收机和计算机，使用方便，可在不同的海区布放，具有值更、低功耗、可回收功能。
附图说明
图1是为本发明专利的声纳浮标组成结构示意图；
图2是为本发明专利的系统组成结构示意图。
其中，1-声纳浮标，2-嵌入式计算机，3-无线电发射/接收机，4-北斗接收机，5-浮囊，6-供电电池，7-北斗及无线电天线，8-水声接收换能器，9-低频水声探测系统，10/11-浮标阵列，12-天线，13-多通道无线电发射机/接收机，14-计算机，15-显示控制终端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图所示，本发明提供了一种低频多线谱远程水下目标探测系统，其特征在于包括两条垂直的浮标阵列，每条浮标阵列包括多个间隔分布的声纳浮标，每个声纳浮标作为探测系统的一个传感器单元，声纳浮标上集成有无线电发射机/接收机；还包括多通道无线电发射机/接收机和计算机；由多通道无线电发射机/接收机发射无线电同步信号控制声纳浮标采集和存储水下目标信息；声纳浮标上的无线电发射机/接收机，将声纳浮标探测到的水下目标信息和声纳浮标的位置信息，发送到平台上的多通道无线电发射机/接收机，计算机接收存储来自多通道无线电发射机/接收机的水下目标信息和声纳浮标的位置信息，由计算机实现低频、大孔径、多线谱的高空时增益的信号处理，获取远程目标的方位和距离信息并发送至显示控制终端。
本发明通过不同平台布放多枚满足低频段要求的声纳浮标1，布放在海中形成相互垂直的两条由N个声纳浮标1组成的阵列10、11，每个声纳浮标1作为声纳系统的一个传感器单元，由水面或空中平台上的多通道无线电发射机/接收机13发射无线电同步信号A1唤醒处于值更状态的声纳浮标1，同步信号A2控制声纳浮标1采集和存储水下目标信息；声纳浮标1上的无线电发射机/接收机3，将声纳浮标1探测到的水下目标信息和声纳浮标1的位置信息，发送到水面或空中平台的多通道无线电发射机/接收机13，平台上的计算机14接收存储目标信息数据，由平台上的计算机14实现低频、大孔径、多线谱的高空时增益的信号处理，获取远程目标的方位和距离信息送到显示控制终端15。在上述技术方案中，所述的声纳浮标1为被动声纳浮标，声纳浮标1入水后工作在低功耗值更状态，声纳浮标1由低频水声探测系统9和水声接收换能器8、嵌入式计算机2、无线电发射/接收机3、北斗接收机4、浮囊5、北斗及无线电天线7、供电电池6等组成。N个声纳浮标1按线列阵布放，声纳浮标1布放间距在最低工作频率的半波长至四分之三波长之间，声纳浮标1的水声接收换能器8布放深度在20-100米之间，布放海域深度大于50米，声纳浮标1布放两条相互垂直的线列阵10、11，布放后处于值更状态，并等待水面或空中平台的多通道无线电发射机/接收机13发射无线电同步信号A1唤醒，声纳浮标1在接收水面或空中平台的无线电同步信号A1唤醒后，嵌入式计算机2在同步信号A2的控制下，声纳浮标1按一定的时序逻辑对水下目标信息进行采集存储，并通过无线电发射机/接收机3，按一定间隔时间发射信息数据组，数据组包括声纳浮标1的位置坐标信息和接收到的水下目标信息。
水面或空中平台，平台上的多通道无线电发射机/接收机13和计算机14能够同时接收存储声纳浮标1发射的位置坐标信息和接收到的水下目标信息，并按声纳浮标1的位置坐标和声纳浮标1接收到的水下目标信息分区、分组存放，实现在线实时和离线信号处理使用。
水面或空中平台上的计算机14，实现人机交互；以极坐标或平面坐标形式显示水下目标和干扰信息；按接收到的声纳浮标1的位置信息完成坐标变换；根据声纳浮标1的坐标位置信息、海流信息和布放误差对N个声纳浮标1探测的目标信息按线列阵实现补偿；根据工作频率变化可实现N个声纳浮标1阵列中的阵元信号的虚拟；水面或空中平台上的计算机14进行多种信号处理算法，包括信号检测算法、波束形成算法、目标识别算法、水下目标航迹比对算法、水面目标剔除算法、目标方位和距离算法等；并由计算机14控制平台上的无线电发射机/接收机发射同步信号A1唤醒、A2控制声纳浮标1的水下目标信息采集和数据传送、A3进入节能值更状态。
本发明提供的一种低频多线谱远程水下目标探测方法的具体实施步骤如下：
⑴按使用规程确定水面或空中平台和N个声纳浮标1构成的两条线列阵布放的位置、态势、布放方法并实施完成布放；⑵启动水面或空中平台的计算机14，控制多通道无线电发射机/接收机13发射同步信号A1唤醒两条声纳浮标1的线列阵10、11的全部声纳浮标1，使声纳浮标1的水声探测系统9供电并进入工作状态；⑶每个声纳浮标1由水面或空中平台多通道无线电发射机/接收机13发射同步信号A2启动，对水下目标信息进行采集存储；⑷通过声纳浮标1的无线电发射机/接收机3在嵌入式计算机2的控制下，按一定间隔时间发射信息数据组，数据组，包括声纳浮标1的位置坐标信息和接收到的水下目标信息；⑸水面或空中平台上的计算机14根据接收到的各声纳浮标1坐标位置信息和水下目标信息，按线列阵进行补偿，按工作频段进行虚拟阵列处理；⑹水面或空中平台上的计算机14根据接收到的各声纳浮标1的水下目标信息完成信号处理算法，包括信号检测算法、波束形成算法、目标识别算法、水下目标航迹比对算法、水面目标剔除算法、目标方位和距离算法等，并将处理结果送显示控制终端15；⑺当下一个同步信号A2到来时，声纳浮标1的无线电发射机/接收机3再向平台上多通道无线电发射机/接收机13发送下一数据组，并进行信号处理，如此反复；⑻当没发现水下目标时，可由平台上多通道无线电发射机/接收机13发送同步信号A3控制声纳浮标1进入节能值更状态。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种低频多线谱远程水下目标探测系统，其特征在于包括两条相互垂直的水平浮标阵列，每条浮标阵列包括多个间隔分布的被动声纳浮标，声纳浮标上集成有无线电发射机/接收机和嵌入式计算机；还包括设置于平台上的多通道无线电发射机/接收机和计算机；由平台上的多通道无线电发射机/接收机发射无线电同步信号控制声纳浮标的启动、采集和存储水下目标信息；声纳浮标上的无线电发射机/接收机根据嵌入式计算机的控制指令，将声纳浮标探测到的水下目标信息和声纳浮标的位置信息，发送到平台上的多通道无线电发射机/接收机，计算机接收存储来自多通道无线电发射机/接收机的水下目标信息和声纳浮标的位置信息，由计算机实现低频、大孔径、多线谱的高空时增益的信号处理，获取远程目标的方位和距离信息；计算机将远程目标的方位和距离信息送到显示控制终端；
声纳浮标为被动声纳浮标，声纳浮标入水后工作在低功耗值更状态；声纳浮标布放后处于值更状态，并等待多通道无线电发射机/接收机发射的无线电同步信号A1唤醒，声纳浮标在多通道无线电发射机/接收机发射的无线电同步信号A1唤醒后，在多通道无线电发射机/接收机发射的同步信号A2的控制下，声纳浮标按嵌入式计算机控制的时序逻辑对水下目标信息和位置坐标进行采集存储，并通过声纳浮标上的无线电发射机/接收机，按一定间隔时间发射信息数据组至多通道无线电发射机/接收机，信息数据组包括声纳浮标的位置坐标信息和接收到的水下目标信息；声纳浮标接收到来自多通道无线电发射机/接收机发射的同步信号A3后进入值更状态；平台上的计算机按接收到的声纳浮标的位置信息完成坐标变换；根据声纳浮标的坐标位置信息、海流信息和布放误差对N个声纳浮标探测的目标信息按线列阵实现补偿；根据工作频率变化可实现N个声纳浮标阵列中的阵元信号的虚拟；水面或空中平台上的计算机进行多种信号处理算法并由计算机控制平台上的无线电发射机/接收机发射同步信号A1唤醒、A2控制声纳浮标1的水下目标信息采集和数据传送、A3进入节能值更状态；声纳浮标布放成两条相互垂直的线列阵；声纳浮标布放间距在最低工作频率的半波长至四分之三波长之间，水声接收换能器布放深度在20-100米，布放海域深度大于50米；多通道无线电发射机/接收机和计算机能够同时接收存储声纳浮标发射的位置坐标信息和声纳浮标接收到的水下目标信息，并按声纳浮标的位置坐标和声纳浮标接收到的水下目标信息分区、分组存放，实现在线实时和离线信号处理使用。
2.根据权利要求1所述的低频多线谱远程水下目标探测系统，其特征在于声纳浮标集成有低频水声探测系统和水声接收换能器、嵌入式计算机、无线电发射/接收机、北斗接收机、浮囊、北斗及无线电天线、供电电池。
3.根据权利要求1所述的低频多线谱远程水下目标探测系统，其特征在于显示控制终端以极坐标或平面坐标形式显示水下目标和干扰信息。
4.基于权利要求1所述的低频多线谱远程水下目标探测系统的探测方法，其特征在于包括以下步骤：
⑴按使用规程确定水面或空中平台和N个声纳浮标组成的两条线列阵布放的位置、态势、布放方法并实施完成布放；⑵由多通道无线电发射机/接收机发射同步信号A1唤醒两条声纳浮标线列阵的全部声纳浮标，使声纳浮标的水声探测系统供电并进入工作状态；⑶每个声纳浮标由多通道无线电发射机/接收机发射的同步信号A2启动，对水下目标信息进行采集存储；⑷在声纳浮标的嵌入式计算机的控制下，声纳浮标上的无线电发射机/接收机按一定间隔时间发射信息数据组，信息数据组包括声纳浮标的位置坐标信息和接收到的水下目标信息；⑸计算机根据多通道无线电发射机/接收机接收到的各声纳浮标坐标位置信息和水下目标信息，按线列阵进行补偿，按工作频段进行虚拟阵列处理；⑹计算机根据接收到的各声纳浮标水下目标信息数据组结合虚拟阵列完成各种信号处理算法，获取水下目标计算结果并发送至显示控制终端；⑺当多通道无线电发射机/接收机发射的下一个同步信号A2到来时，声纳浮标集成的无线电发射机/接收机再向多通道无线电发射机/接收机发射下一信息数据组，如此反复；⑻当没发现水下目标时，由多通道无线电发射机/接收机发射同步信号A3控制声纳浮标进入值更状态。
5.基于权利要求4所述的低频多线谱远程水下目标探测系统的探测方法，其特征在于包括以下步骤：计算机按接收到的声纳浮标位置信息完成坐标变换；根据海流信息和布放误差对N个声纳浮标的坐标位置信息和水下目标信息按线列阵实现补偿；根据工作频率变化可实现N个声纳浮标阵列中的阵元信号的虚拟；并由计算机控制水面或空中平台上的多通道无线电发射机/接收机发射同步信号A1、A2、A3。
6.基于权利要求5所述的低频多线谱远程水下目标探测系统的探测方法，其特征在于信号处理算法包括信号检测算法、波束形成算法、目标识别算法、水下目标航迹比对算法、水面目标剔除算法、目标方位和距离算法。
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