CN111337881B - 一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方法，利用水下目标工作时螺旋桨会产生周期性噪声信号，在水下布置传感器网络，传感器网络同时接收水下目标产生的周期性噪声信号，选取其中一个节点为参考节点，然后通过自相关互相关技术得到周期性噪声信号传输到每个传感器网络节点与参考节点的时延差；根据水下目标到水下传感器网络各节点的位置差等于时延差乘上周期性噪声信号在水下的传播速度得到三个方程，解方程组得到水下目标的三维坐标。再估计传感器网络节点接收到的水下目标产生的周期性噪声信号的基音频率，利用多普勒效应得到四个方程，再结合已经得到的水下目标的三维坐标可以解方程得到水下目标的三维速度。

Description

一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方法

技术领域

本发明涉及水下目标探测技术领域，具体涉及一种利用船舰螺旋桨周 期性噪声结合多普勒效应的水下目标探测的方法。

背景技术

目前的水下目标探测主要分为主动探测和被动探测。主动探测是指从 系统中发射某种声信号，声信号在水下传播遇到目标反射回波，反射的回 波带有目标信息，对接收到的回波信号进行分析可以得到目标的距离、方 位、速度等参数。主动探测分为超短基线，短基线，长基线。超短基线是 基于信号相位差进行定位的，定位距离小且定位精度不及短基线和长基线 系统。短基线和长基线是基于信号时间差进行定位的，短基线相比长基线系统组成简单，相比于超短基线定位精度高。被动探测是指利用传感器基 阵接收目标自身发出的噪声或信号来检测目标，具有隐蔽性高和能进行目 标识别的优点。

被动声呐探测分为基于时域或频域的检测技术和基于空域的信号检 测技术。基于时域或频域的检测技术主要应用于复杂噪声的坏境下的特定 声信号检测，需要背景噪声和目标特性等先验知识的帮助；基于空域的信 号检测技术主要利用信号与噪声和空间分布的不同来进行目标信号检测。 专利CN105353340A提出了一种双层圆柱阵水下被动目标检测方法，通过 体积阵接收目标噪声信号，设定阈值判断目标是否存在，但此方法没有得 到水下目标的三维坐标和三维速度以及所用的接收阵较复杂。专利 CN108802735A提出一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法和 装置，此方法采用主动探测，通过收发双工阵元发射探测信号、接收目标 反射信号再根据多普勒原理进行目标定位，测速，但此方法采用主动探测， 不隐蔽且装置复杂。

为了克服上述水下目标探测方法功能不完整，步骤繁琐，精度不高， 成本大，需要发射信号，容易暴露自己的位置等不足，目前亟待提出一种 利用螺旋桨噪声进行水下目标探测的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种利用螺旋 桨噪声的水下目标探测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方法，所述的探测方法包括以下 步骤：

S1、确定水下传感器网络各个节点的摆放位置以及选定参考节点，其 中，所述的水下传感器网络由N，N≥4个时钟同步的水声换能器组成；

S2、对传感器网络节点接收到的周期性噪声信号进行处理，计算水下 目标的三维坐标；

S3、估计传感器网络每个节点接收到的水下目标产生的周期性噪声信 号的基音频率，并根据多普勒效应计算水下目标的三维速度。

进一步地，所述的水下传感器网络由N个时钟同步的水声换能器组成， 确定水下传感器网络各个节点的摆放位置以及选定参考节点过程如下：

在坐标系中放置N个水声换能器R_i，R_i坐标为R_i(x_i,y_i,z_i)，i＝0,1,2,...,N- 1，以R₀(x₀,y₀,z₀)为原点建立三维直角坐标系，其中x₀＝0,y₀＝0,z₀＝0。同时 设定存在一个水下目标S，其三维坐标为S(x,y,z)，三维速度为

水下目标工作时螺旋桨产生基音频率为f_s的周期性噪声信号S(t)。

进一步地，所述的步骤S2过程如下：

N个水声换能器同时接收水下目标发出的周期性噪声信号，N个水声 换能器R_i同时接收到的水下目标发出的周期性噪声信号是基音频率为f_i的 周期性噪声信号S_i(t)；

利用自相关法对S₀(t),S_i(t)做处理得到水声换能器R₀,R_i之间的时延τ_i0， 进而得到以下N个方程：

其中

为水下目标到传感器网络节点R_i的距离，v_m为水下声速，从公式(1)除i＝0以外的N-1个方程中任选3个方程求 解，共有

种选法，每一种选法对应一组解，所以共有

组解，再对这 

组解做算术平均得到水下目标的三维坐标S(x,y,z)。

进一步地，所述的步骤S3过程如下：

利用频率估计方法得到水声换能器R_i接收到的水下目标产生的周期性 噪声信号基音频率f_i，水下目标与水声换能器之间存在相对运动，根据多 普勒效应得到f_s与f_i之间的关系式如下：

其中α_i代表水下目标指向水声换能器R_i方向的向量与三维直角坐标x轴的 夹角，β_i代表水下目标指向水声换能器R_i方向的向量与三维直角坐标y轴 的夹角，γ_i代表水下目标指向水声换能器R_i方向的向量与三维直角坐标z 轴的夹角，α_i、β_i和γ_i分别由公式(3)、公式(4)和公式(5)获得。

并且公式(2)中v_x cosα_i+v_y cosβ_i+v_z cosγ_i表示水下目标速度

分解到

方向的分速度，从公式(2)的N个方程中任选4个方程求解，共有

种选 法，每一种选法对应一组解，所以共有

组解，再对这

组解做算术平 均得到水下目标的三维速度

和水下目标产生的周期性噪声信 号S(t)的基音频率f_s。

本发明提出的一种利用螺旋桨噪声进行水下目标探测的方法与现有 的水下目标探测技术相比具有如下优点：

1、本发明不仅能够确定水下目标的位置，还能够较精确地测量出水 下目标的三维速度，因此，本发明在水下目标探测中更具有实用性。

2、本发明理论明确清晰，无需多次测量。

3、本发明运用被动式定位和测速，安全静默，节约能量消耗，节约成 本。

附图说明

图1是本发明实施例中水下目标探测的场景图；

图2是本发明实施例中水下目标探测的定位图；

图3是本发明实施例中水下目标到传感器网络节点方向的单位向量与 三维直角坐标X、Y、Z轴的夹角图；

图4是本发明实施例中目标速度分解图；

图5是本发明实施例中公开的一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方 法步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方法，该方法主 要是利用水下目标工作时螺旋桨会产生周期性噪声信号，在水下布置传感 器网络，传感器网络同时接收水下目标产生的周期性噪声信号，选取其中 一个节点为参考节点，然后通过自相关互相关技术得到周期性噪声信号传 输到每个传感器网络节点与参考节点的时延差。传感器网络每个节点的位 置已知，水下目标坐标未知，可以根据水下目标到水下传感器网络各节点 的位置差等于时延差乘上周期性噪声信号在水下的传播速度得到三个方 程，解方程组得到水下目标的三维坐标。再估计传感器网络节点接收到的 水下目标产生的周期性噪声信号的基音频率，由于水下目标与传感器网络 之间存在相对运动，所以会产生多普勒效应。利用多普勒效应得到四个方 程，再结合已经得到的水下目标的三维坐标可以解方程得到水下目标的三 维速度。

本发明的主要步骤如下：

S1、确定水下传感器网络各个节点的摆放位置以及选定参考节点，其 中，水下传感器网络由N(N≥4)个时钟同步的水声换能器组成；

本实施例中，以N＝4为例，确定水下传感器网络各个节点的摆放位置 以及选定参考节点过程如下：

在坐标系中放置四个水声换能器R₀,R₁,R₂,R₃。以R₀(x₀,y₀,z₀)为原点建立 三维直角坐标系，其中x₀＝0,y₀＝0,z₀＝0。R₁坐标为R₁(x₁,y₁,z₁)，R₂坐标为R₂(x₂,y₂,z₂)，R₃坐标为R₃(x₃,y₃,z₃)。同时设定存在一个水下目标S，其三维 坐标为S(x,y,z)，三维速度为

水下目标工作时螺旋桨产生基音 频率为f_s的周期性噪声信号S(t)。利用螺旋桨噪声进行水下目标探测的场 景图如图1所示。

S2、对传感器网络节点接收到的周期性噪声信号进行处理，计算水下 目标的三维坐标；

具体过程如下：

四个水声换能器同时接收水下目标发出的周期性噪声信号，四个水声 换能器R_i(i＝0,1,2,3)同时接收到的水下目标发出的周期性噪声信号是基音 频率为f_i(i＝0,1,2,3)的周期性噪声信号S_i(t)(i＝0,1,2,3)。

利用自相关法技术对S₀(t),S₁(t)做处理得到水声换能器R₀,R₁之间的时延 τ₁₀，对S₀(t),S₂(t)做处理得到水声换能器R₀,R₂之间的时延τ₂₀，对S₀(t),S₃(t)做 处理得到水声换能器R₀,R₃之间的时延τ₃₀，进而得到以下方程：

其中

为水下目标到传感器网络节点R_i(i＝0,1,2,3)的距离，如图2所示。v_m为水下声速，求解公式(6)得到 水下目标的三维坐标S(x,y,z)。

S3、估计传感器网络每个节点接收到的水下目标产生的周期性噪声信 号的基音频率，并根据多普勒效应计算水下目标的三维速度；

具体过程如下：

根据多普勒效应，当水下目标远离水声换能器时，水声换能器接收到 的水下目标产生的周期性噪声信号频率会比水下目标发出的周期性噪声 信号频率要低，当水下目标靠近水声换能器时，水声换能器接收到的水下 目标产生的周期性噪声信号频率会比水下目标发出的周期性噪声信号频 率要高。利用频率估计方法得到水声换能器R_i(i＝0,1,2,3)接收到的水下目标 产生的周期性噪声信号基音频率f_i(i＝0,1,2,3)。水下目标与水声换能器之间 存在相对运动，所以根据多普勒效应得到f_s与f₀，f₁，f₂，f₃之间的关系式 如下：

其中α_i(i＝0,1,2,3)代表水下目标指向水声换能器R_i(i＝0,1,2,3)方向的向量与三维直角坐标x轴的夹角，β_i(i＝0,1,2,3)代表水下目标指向水声换能器R_i (i＝0,1,2,3)方向的向量与三维直角坐标y轴的夹角，γ_i(i＝0,1,2,3)代表水下目 标指向水声换能器R_i(i＝0,1,2,3)方向的向量与三维直角坐标z轴的夹角，如 图3所示，α_i、β_i和γ_i可分别由公式(8)、公式(9)和公式(10)获得。

并且公式(7)中v_x cosα_i+v_y cosβ_i+v_z cosγ_i(i＝0,1,2,3)表示水下目标速度 

分解到

方向的分速度，如图4所示。求解公式(7)可得到 水下目标的三维速度

和水下目标产生的周期性噪声信号S(t)的 基音频率f_s。

实施例二

本实施例公开了一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方法，主要工作 步骤如图5所示，具体如下：

S1、在水底下放置四个水声换能器R₀,R₁,R₂,R₃同时接收水下目标产生 的基音频率为f_s的周期性噪声信号S(t)。选中R₀为参考点建立空间直角坐 标系，R₀的坐标为(0，0，0)，R₁的坐标为(400，0，0)，R₂的坐标为(400，400，0)， R₃的坐标为(0，400，0)，以上坐标单位为米。

S2、四个水声换能器R_i(i＝0,1,2,3)同时接收水下目标产生的周期性噪声 信号分别得到基音频率为f_i(i＝0,1,2,3)的周期性噪声信号S_i(t)(i＝0,1,2,3)。利 用自相关法技术对S₀(t),S₁(t)做处理得到水声换能器R₀,R₁之间的时延τ₁₀，对 S₀(t),S₂(t)做处理得到水声换能器R₀,R₂之间的时延τ₂₀，对S₀(t),S₃(t)做处理得 到水声换能器R₀,R₃之间的时延τ₃₀。水下目标的三维坐标为S(x,y,z)，则可 以列方程组：

其中

联立公式(11)、公式(12)求解得到水下目标的三维坐标S(x,y,z)。

S3、估计传感器网络每个节点接收到的水下目标产生的周期性噪声信 号的基音频率f_i(i＝0,1,2,3)，并根据多普勒效应计算水下目标三维速度。根 据多普勒效应得到f_s与f₀，f₁，f₂，f₃之间的关系式如下：

其中

求解公式(13)得到水下目标发出的周期性噪声信号S(t)的基音频率f_s和水下目标的三维速度

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上 述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改 变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方法，其特征在于，所述的探测方法包括以下步骤：

S1、确定水下传感器网络各个节点的摆放位置以及选定参考节点，其中，所述的水下传感器网络由N，N≥4个时钟同步的水声换能器组成；

S2、对传感器网络节点接收到的周期性噪声信号进行处理，计算水下目标的三维坐标；

S3、估计传感器网络每个节点接收到的水下目标产生的周期性噪声信号的基音频率，并根据多普勒效应计算水下目标的三维速度；所述的步骤S3过程如下：

利用频率估计方法得到水声换能器R_i接收到的水下目标产生的周期性噪声信号基音频率f_i，水下目标与水声换能器之间存在相对运动，根据多普勒效应得到f_s与f_i之间的关系式如下：

其中α_i代表水下目标指向水声换能器R_i方向的向量与三维直角坐标x轴的夹角，β_i代表水下目标指向水声换能器R_i方向的向量与三维直角坐标y轴的夹角，γ_i代表水下目标指向水声换能器R_i方向的向量与三维直角坐标z轴的夹角，α_i、β_i和γ_i分别由公式(3)、公式(4)和公式(5)获得，

并且公式(2)中v_xcosα_i+v_ycosβ_i+v_zcosγ_i表示水下目标速度

分解到

方向的分速度，从公式(2)的N个方程中任选4个方程求解，共有

种选法，每一种选法对应一组解，所以有

组解，再对这

组解做算术平均得到水下目标的三维速度

和水下目标产生的周期性噪声信号S(t)的基音频率f_s。

2.根据权利要求1所述的一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方法，其特征在于，所述的水下传感器网络由N个时钟同步的水声换能器组成，确定水下传感器网络各个节点的摆放位置以及选定参考节点过程如下：

在坐标系中放置N个水声换能器R_i，R_i坐标为R_i(x_i,y_i,z_i),以R₀(x₀,y₀,z₀)为原点建立三维直角坐标系，其中x₀＝0,y₀＝0,z₀＝0，i＝0,1,2,...,N-1，同时设定存在一个水下目标S，其三维坐标为S(x,y,z)，三维速度为

水下目标工作时螺旋桨产生基音频率为f_s的周期性噪声信号S(t)。

3.根据权利要求2所述的一种利用螺旋桨噪声的水下目标探测方法，其特征在于，所述的步骤S2过程如下：

N个水声换能器同时接收水下目标发出的周期性噪声信号，N个水声换能器R_i同时接收到的水下目标发出的周期性噪声信号是基音频率为f_i的周期性噪声信号S_i(t)；

利用自相关法对S₀(t),S_i(t)，做处理得到水声换能器R₀,R_i之间的时延τ_i0，进而得到以下N个方程：

其中

为水下目标到传感器网络节点R_i的距离，v_m为水下声速，从公式(1)除i＝0以外的N-1个方程中任选3个方程求解，共有

种选法，每一种选法对应一组解，所以得到

组解，再对这

组解做算术平均得到水下目标的三维坐标S(x,y,z)。

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