CN111880165B - 一种利用友邻干扰校正拖曳声纳系统误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用友邻干扰对拖曳声纳系统误差进行校正的方法，属于总体集成设计领域，包括：在到达预订海区后，利用友邻舰艇上的固定声源作为干扰发射源，采用己方待校正拖曳声纳及舰壳声纳作为接收端，构建收发双信道；利用友邻舰艇全向发射的脉冲信号，通过收发双信道，己舰舰壳声纳与拖曳声纳同时采集一系列目标信息序列；对目标信息序列进行数据整理及平滑处理，得到经过整理和平滑处理后的干扰方位信息序列；根据己舰舰壳声纳、己舰拖曳声纳及友邻舰艇和折算投影间的几何关系求解折算坐标参数；采用折算坐标参数的统计值，得到真实目标下拖曳声纳测向测距折算值。可以支持不同水面平台拖曳声纳的系统误差校正。

Description

一种利用友邻干扰校正拖曳声纳系统误差的方法

技术领域

本发明属于总体集成设计领域，更具体地，涉及一种利用友邻干扰校正拖曳声纳系统误差的方法。

背景技术

拖曳线列阵声纳在使用时，拖曳于搭载平台尾部一定距离上，通过调节放缆长度和拖曳航速调整线列阵的工作深度，可建立较好的探测传输信道，探测距离远。但由于采用柔性的拖缆拖曳，拖曳声纳在将其探测的目标信息折算到全舰水下坐标原点(一般位于舰体某固定部位)时，会带来较大的系统误差，主要包括：一是线列阵阵内的航向传感器在补偿舰艏艉线方向与线列阵的拖曳方向时，引入的航向传感器的测量误差；二是海流引起的线列阵阵型畸变带来的误差；三是线列阵声中心折算到舰坐标原点时，因几何参数不准确带来的误差。其中误差成分三占整个系统误差的一半以上。航向传感器可通过定期校准修正，对于其它误差源尚缺少实用的测量和修正手段。

在特定的使用海区、一定的使用时间周期内，同一拖曳工况下，拖曳声纳的上述系统误差的各成分来源相对固定，在探测任务开始前采用一定的方法进行误差校正，这对于提高拖曳声纳探测精度，进而使其具备较好的目标指示能力意义重大。因此，如何针对误差占比最大的折算误差，探索解决工程实际问题的校正方法是目前亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种利用友邻干扰对拖曳声纳系统误差进行校正的方法，用于解决拖曳声纳在使用时系统误差大，缺乏有效实用的测量和修正手段的问题，支持不同水面平台拖曳声纳的系统误差校正。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用友邻干扰对拖曳声纳系统误差进行校正的方法，包括：

(1)在到达预订海区后，利用友邻舰艇上的固定声源作为干扰发射源，采用己方待校正拖曳声纳及舰壳声纳作为接收端，构建收发双信道；

(2)利用友邻舰艇全向发射的脉冲信号，按照统一的时间基准，通过收发双信道，己舰舰壳声纳与拖曳声纳同时采集一系列目标信息序列；

(3)对采集到的目标信息序列进行数据整理，剔除误差数据得到整理后的目标信息序列；

(4)对经过整理后的目标信息序列进行数据平滑处理，得到平滑处理后的干扰方位信息序列；

(5)基于干扰方位信息序列，根据己舰舰壳声纳、己舰拖曳声纳及友邻舰艇和折算投影间的几何关系求解折算坐标参数；

(6)采用折算坐标参数的统计值，得到真实目标下拖曳声纳测向测距折算值。

优选地，步骤(2)包括：

利用友邻舰艇全向发射的脉冲信号，按照统一的时间基准，通过收发双信道，己舰舰壳声纳与拖曳声纳同时采集一系列发射信号，对接收到的信号进行能量检测，将舰壳声纳输出的干扰舷角信息序列记录为α_i，将拖曳声纳输出的干扰舷角信息序列记录为β_i，将拖曳声纳输出的干扰舷角折算到舰壳声纳声中心后的信息序列记录为γ_i，其中，i＝1，2，3，…，N。

优选地，步骤(3)包括：

利用己舰与友邻舰的卫星导航手段，测量记录每个采样时刻，友邻舰在发射声波时所处位置与己舰在接收到声波时所处位置之间的间距信息序列R_i；

对采集到的各信息序列按3σ原则进行数据整理，将目标信息序列中一次差大于其三倍标准差的数据剔除，并保证α_i、β_i和γ_i同一时刻的数据同时有效，用整理后的数据序列替换原数据序列得到新的数据序列α_j、β_j、γ_j和R_j，其中，j＝1，2，3，…，M。

优选地，步骤(4)包括：

基于整理后的数据序列，分别采用最小二乘原理对α_j、β_j、γ_j进行拟合处理，得到与采集时间对应的干扰方位信息序列

和

优选地，步骤(5)包括：

根据己舰舰壳声纳、己舰拖曳声纳、友邻舰艇和折算投影间的几何关系，得到拖曳声纳声中心与方位折算点的间距L_j和角度修正量ξ_j，然后得到拖曳声纳声中心与方位折算点的间距L_j和角度修正量ξ_j的算术平均值

和

优选地，由

得到拖曳声纳声中心与方位折算点的间距L_j，由

得到角度修正量ξ_j，其中，L′为拖曳声纳声中心与折算投影点的间距，j＝1，2，3，…，M，b为拖曳声纳实测目标的距离。

优选地，步骤(6)包括：

由

得到修正后的目标距离R^*，由

得到修正后的目标方位角γ^*，其中，β为拖曳声纳实测目标的舷角，b为拖曳声纳实测目标的距离，L为拖曳声纳声中心与折算坐标原点的间距。

优选地，为保证收发双信道的有效性，需适当调整己方舰艇的运动状态，使其满足如下条件：

(a)己舰舰壳声纳接收波束和友邻舰舰壳声纳发射波束可互相通视，同时友邻舰保持在己舰拖曳声纳声阵30゜～150゜舷角范围内；

(b)己舰和友邻舰均作匀速直航运动，运动速度不大于18kn，不小于6kn；

(c)己舰处于友邻舰舰壳声纳的远场，两舰艇的间距R满足：R>D²/λ，D为发射源基阵孔径，λ为发射干扰对应的波长；

(d)友邻舰舰壳声纳采用短脉宽发射方式发射声信号，脉宽τ满足：

H₁、H₂为两舰艇声阵工作深度距离海底的距离，取较大者为H₁，较小者为H₂，c为海水中的声速。

优选地，N≥50。

优选地，M≥30。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)校正效果好：水面平台拖曳声纳折算误差占其系统误差的一半以上，通过该方法进行校正，可大幅提高声纳的探测精度，进而提高其目标指示能力。

(2)适用性强：针对水面平台拖曳声纳，在友邻舰的发射干扰的配合下，可在探测任务实施前进行系统误差校正，操作简单方便，易于实施。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种利用友邻干扰校正拖曳声纳系统误差方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种建立收发双信道示意图；

图3是本发明实施例提供的一种友邻舰发射干扰传播与舰艇运动的时间关系；

图4是本发明实施例提供的一种己舰与友邻舰收发双信道输出方位折算几何关系；

图5是本发明实施例提供的一种拖曳声纳实测目标输出方位折算几何关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明利用友邻固定安装声源发射干扰，构建己方固定安装接收基阵和拖曳声纳线列阵双接收通道，对接收到的直达波信号进行滤波处理，利用校正数学模型，对己方拖曳声纳的系统误差进行校正，可在探测任务开始前实施，实际使用限制少、环境适应性较强。

如图1所示，本发明实施例提供的一种利用友邻干扰校正拖曳声纳系统误差方法包括以下步骤：

S1：在到达预订海区后，利用友邻舰艇上的固定声源作为干扰发射源，采用己方待校正拖曳声纳及舰壳声纳作为接收端，构建收发双信道；

如图2所示，在本发明实施例中，在进入预订海区执行探测任务前，利用友邻舰艇舰壳声纳等固定声源作为发射源，采用己方待校正拖曳声纳及舰壳声纳作为接收端，构建两个收发信道，分别定义为信道1和信道2。

为保证信道1和信道2的有效性，需适当调整己方舰艇的运动状态，使其满足如下条件：

(a)己舰舰壳声纳接收波束和友邻舰舰壳声纳发射波束可互相通视，同时友邻舰保持在己舰拖曳声纳声阵30゜～150゜舷角范围内；

(b)己舰和友邻舰均作匀速直航运动，运动速度不大于18kn，不小于6kn；

(c)己舰处于友邻舰舰壳声纳的远场，两舰艇的间距R满足：R>D²/λ，D为发射源基阵孔径，λ为发射干扰对应的波长，单位均为m；

(d)友邻舰舰壳声纳采用短脉宽发射方式发射声信号，脉宽τ满足：

H₁、H₂为两舰艇声阵工作深度距离海底的距离，单位均为m，取较大者为H₁，较小者为H₂，c为海水中的声速，单位为m/s。

(2)利用友邻舰艇全向发射的脉冲信号，按照统一的时间基准，通过收发双信道，己舰舰壳声纳与拖曳声纳同时采集一系列目标信息序列；

在本发明实施例中，利用友邻舰艇全向发射的脉冲信号，按照统一的时间基准(t₀为己方声纳采集友邻干扰方位的起始时刻，t_i为随后的各采集时刻)，通过信道1和信道2，己舰舰壳声纳与拖曳声纳同时采集一系列发射信号(调整合适的接收增益，保证接收不限幅)，对接收到的信号进行能量检测，将舰壳声纳输出的干扰舷角信息序列记录为α_i，将拖曳声纳输出的干扰舷角信息序列记录为β_i、拖曳声纳输出的干扰舷角折算到舰壳声纳声中心后的信息序列记录为γ_i，其中，i＝1，2，3，…，N，N≥50。

(3)对采集到的目标信息序列进行数据整理，剔除误差数据得到整理后的目标信息序列；

在本发明实施例中，如图3所示，友邻舰在Y₁位置发射声波，此时己舰在J₁位置；声波到达己舰时，己舰运动到J₂位置，此时友邻舰运动到Y₂。利用两舰艇的卫星导航手段，测量记录Y₁和J₂两点间的间距信息序列为R_i，由于只利用了声波的单向传播，因此无需进行声速滞后修正。

对采集到的各目标信息序列按3σ原则进行数据整理，将测量数据中一次差大于其三倍标准差的数据剔除，并保证α_i、β_i和γ_i同一时刻的数据同时有效，整理后的有效数据长度应不小于30个。将整理后的数据序列分别记录为α_j、β_j、γ_j和R_j(j＝1，2，3，…，M)，M≥30。

(4)对经过整理后的目标信息序列进行数据平滑处理，得到平滑处理后的干扰方位信息序列；

在本发明实施例中，在两舰艇均为匀速直航运动条件下，目标方位数据的变化规律基本上可用时间的二次函数来描述，如式(1)所示。这样，采用最小二乘原理对数据进行拟合处理，消除因舰艇航向漂移、起伏等引起的随机误差。

F_j＝a'+b'(t_j-t₀)+c'(t_j-t₀)² (1)

其中，t₀为己方声纳采集友邻干扰方位的起始时刻；t_j为随后己方声纳采集友邻干扰方位的时刻(j＝1，2，3，…，M)；F_j为与采集时刻对应的干扰方位(j＝1，2，3，…，M)；a'、b'、c'为三个待定的系数，可按最小二乘原理建立如下形式的线性方程组得解：

令F_j分别为α_j、β_j、γ_j，可按上式计算出三组a'、b'、c'，分别代入三组系数，即可按式(1)计算出与采集时间对应的干扰方位信息序列

和

(5)基于干扰方位信息序列，根据己舰舰壳声纳、己舰拖曳声纳及友邻舰艇和折算投影间的几何关系求解折算坐标参数；

在本发明实施例中，如图4所示，根据己舰舰壳声纳、己舰拖曳声纳、友邻舰艇和折算投影间的几何关系，求解三角函数，可得拖曳声纳声中心与方位折算点的间距L_j和角度修正量ξ_j。

L′为拖曳声纳声中心与折算投影点的间距，单位为m，j＝1，2，3，…，M。

求解拖曳声纳声中心与方位折算点的间距L_j、角度修正量ξ_j的算术平均值

和

(6)采用折算坐标参数的统计值，得到真实目标下拖曳声纳测向测距折算值。

在本发明实施例中，针对真实目标，如图5所示，采用折算坐标参数的统计值，求解修正后的目标距离R^*和修正后的目标方位角γ^*。

β为拖曳声纳实测目标的舷角，单位为゜，b为拖曳声纳实测目标的距离，单位为m，L为拖曳声纳声中心与折算坐标原点的间距，单位为m。

本发明提出一种利用友邻干扰对拖曳声纳系统误差进行校正的方法，主要用于解决现有水面平台拖曳声纳探测精度不高、目标指示能力弱的问题，支持不同水面平台拖曳声纳的系统误差校正。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用友邻干扰对拖曳声纳系统误差进行校正的方法，其特征在于，包括：

(1)在到达预订海区后，利用友邻舰艇上的固定声源作为干扰发射源，采用己方待校正拖曳声纳及舰壳声纳作为接收端，构建收发双信道；

(2)利用友邻舰艇全向发射的脉冲信号，按照统一的时间基准，通过收发双信道，己舰舰壳声纳与拖曳声纳同时采集一系列目标信息序列；

(3)对采集到的目标信息序列进行数据整理，剔除误差数据得到整理后的目标信息序列；

(4)对经过整理后的目标信息序列进行数据平滑处理，得到平滑处理后的干扰方位信息序列；

(5)基于干扰方位信息序列，根据己舰舰壳声纳、己舰拖曳声纳及友邻舰艇和折算投影间的几何关系求解折算坐标参数；

(6)采用折算坐标参数的统计值，得到真实目标下拖曳声纳测向测距折算值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：

利用友邻舰艇全向发射的脉冲信号，按照统一的时间基准，通过收发双信道，己舰舰壳声纳与拖曳声纳同时采集一系列发射信号，对接收到的信号进行能量检测，将舰壳声纳输出的干扰舷角信息序列记录为α_i，将拖曳声纳输出的干扰舷角信息序列记录为β_i，将拖曳声纳输出的干扰舷角折算到舰壳声纳声中心后的信息序列记录为γ_i，其中，i＝1，2，3，…，N。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：

利用己舰与友邻舰的卫星导航手段，测量记录每个采样时刻，友邻舰在发射声波时所处位置与己舰在接收到声波时所处位置之间的间距信息序列R_i；

对采集到的各信息序列按3σ原则进行数据整理，将目标信息序列中一次差大于其三倍标准差的数据剔除，并保证α_i、β_i和γ_i同一时刻的数据同时有效，用整理后的数据序列替换原数据序列得到新的数据序列α_j、β_j、γ_j和R_j，其中，j＝1，2，3，…，M。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括：

基于整理后的数据序列，分别采用最小二乘原理对α_j、β_j、γ_j进行拟合处理，得到与采集时间对应的干扰方位信息序列

和

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(5)包括：

根据己舰舰壳声纳、己舰拖曳声纳、友邻舰艇和折算投影间的几何关系，得到拖曳声纳声中心与方位折算点的间距L_j和角度修正量ξ_j，然后得到拖曳声纳声中心与方位折算点的间距L_j和角度修正量ξ_j的算术平均值

和

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，由

得到拖曳声纳声中心与方位折算点的间距L_j，由

得到角度修正量ξ_j，其中，L′为拖曳声纳声中心与折算投影点的间距，j＝1，2，3，…，M，b为拖曳声纳实测目标的距离。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤(6)包括：

由

得到修正后的目标的距离R^*，由

得到修正后的目标的方位角γ^*，其中，β为拖曳声纳实测目标的舷角，b为拖曳声纳实测目标的距离，L为拖曳声纳声中心与折算坐标原点的间距。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为保证收发双信道的有效性，需适当调整己方舰艇的运动状态，使其满足如下条件：

(a)己舰舰壳声纳接收波束和友邻舰舰壳声纳发射波束可互相通视，同时友邻舰保持在己舰拖曳声纳声阵30゜～150゜舷角范围内；

(b)己舰和友邻舰均作匀速直航运动，运动速度不大于18kn，不小于6kn；

(c)己舰处于友邻舰舰壳声纳的远场，两舰艇的间距R满足：R>D²/λ，D为发射源基阵孔径，λ为发射干扰对应的波长；

(d)友邻舰舰壳声纳采用短脉宽发射方式发射声信号，脉宽τ满足：

H₁、H₂为两舰艇声阵工作深度距离海底的距离，取较大者为H₁，较小者为H₂，c为海水中的声速。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，N≥50。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，M≥30。

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