CN112362153A - 基于uuv平台的低频主动水声探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于UUV平台的低频主动水声探测系统及方法，涉及水下智能探测技术领域，能够可满足小尺寸UUV平台产生低频指向性声源的需求，并可对水中目标进行低频主动探测。本发明的技术方案为：拖曳阵载荷舱段通过导线固定支架连接一个细线拖曳阵。声源载荷舱段安装舷侧参量阵换能器，舷侧参量阵换能器利用两列不同频率的原频信号产生差频声信号，进行目标探测，得到目标方位和散射强度；拖曳阵载荷舱段用于接收细线拖曳阵采集到的水声信号，处理得到目标距离信息和目标方位信息，送入本体控制舱段。本体控制舱段设置运动控制指令对目标进行跟踪。尾部推进模块接收运动控制指令，驱动UUV平台完成匹配的运动，实现对目标的跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及水下智能探测技术领域，具体涉及一种基于UUV平台的低频主动水声探测系统及方法。
背景技术
无人潜航器Unmanned Underwater Vehicle,UUV作为水下目标探测的重要载荷平台，具有智能化程度高、机动性好、隐蔽性高等优点，是推动未来智能化水声探测技术发展的关键。当前基于UUV平台的声学探测技术已经在海洋资源勘察、海岸警戒、蛙人探测和扫雷排爆等领域开展了广泛的应用。
在水声探测领域，降低声纳系统工作频率有利于提升目标感知能力，依据线性声学理论，更低的工作频率意味着需要更大的布阵空间，而UUV本身是一种尺寸受限的水下载体平台，因此无论是低频声源的发射还是采集接收，都难以在现有技术路线下利用UUV平台开展低频水声探测。
参量阵是利用声波之间的非线性作用所得的低频、宽带、高指向性、无旁瓣、小尺寸的换能器阵。参量阵低频指向性声源在刚提出时由于其低频宽带高指向性的优点受到关注，但又由于较低的转换效率使其早期一直难于在实际使用中有所突破。直到上个世纪九十年代，由于电子技术、计算机技术以及换能器技术的发展，使得参量阵的转换效率已经不再是一个主要的限制因素，参量阵设备得以发展。
拖曳阵是在拖曳于运载平台尾部进行水下目标探测的水听器阵列，阵列孔径不受平台自身尺寸限制，可以提供声纳的作用距离和水下适应性，在潜艇和舰船用声纳中已较为成熟。由于能源和搭载能力受限，常规直径的拖曳阵列难以适用于UUV，为此需要发展阵列直径足够小的细线拖曳阵以减少流体阻力。
针对当前UUV平台由于尺寸受限难以开展低频水声探测的难题，提出基于UUV平台的低频主动水声探测系统与方法，具有重要应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于UUV平台的低频主动水声探测系统及方法，能够可满足小尺寸UUV平台产生低频指向性声源的需求，并可对水中目标进行低频主动探测。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：基于UUV平台的低频主动水声探测系统，包括UUV平台主体由前至后顺次分为首部避碰舱段、声源载荷舱段、本体控制舱段、拖曳阵载荷舱段以及尾部推进模块；拖曳阵载荷舱段通过导线固定支架连接一个细线拖曳阵。
声源载荷舱段安装舷侧参量阵换能器，舷侧参量阵换能器利用两列不同频率的原频信号产生差频声信号，进行目标探测，得到目标方位和散射强度；目标在差频声信号的激发下，产生散射声波。
细线拖曳阵中包含线性水听器阵列，用于采集目标的散射声波得到水声信号。
拖曳阵载荷舱段用于接收细线拖曳阵采集到的水声信号，对水声信号进行处理，得到目标距离信息和目标方位信息，送入本体控制舱段。
本体控制舱段获取UUV平台的自身位置信息。
本体控制舱段根据UUV平台的自身位置信息，目标位置信息和散射强度信息，设置运动控制方向和运动控制速度作为运动控制指令对目标进行跟踪，发送运动控制指令。
尾部推进模块接收运动控制指令，驱动UUV平台完成匹配的运动，实现对目标的跟踪。
进一步地，本体控制舱段外接水声定位与通信信标以及北斗天线。
水声定位与通信信标用于与水面控制中心的超短基线定位系统和水声通信系统交互，获取UUV平台的自身位置信息和航向信息。
北斗天线用于在UUV平台浮出水面时，获取卫星定位的UUV平台的自身位置信息。
进一步地，首部避碰舱段上安装避碰声纳，用于测量UUV平台距离海底或障碍物的距离。
本体控制舱段外接避碰声纳。
本体控制舱段获取避碰声纳测量的测量UUV平台距离海底或障碍物的距离，并据此设置安全距离。
本体控制舱段在设置运动控制指令时，保证UUV平台的位置处于安全距离之内。
进一步地，尾部推进模块包括转舵机构和推进器，接收本体控制舱段发出的运动控制指令，转舵机构和推进器完成运动控制指令，驱动UUV平台完成匹配的运动。
本体控制舱段根据UUV平台的自身位置信息，目标位置信息和散射强度信息，设置运动控制方向和速度作为运动控制指令对目标进行跟踪，具体为：所设置的运动控制指令包括以运动控制方向作为转舵机构的转动方向，和以运动控制速度作为推进器的推进速度。
进一步地，细线拖曳阵顺次分为首部隔振段、水听器阵列段以及尾部隔振段。
首部隔振段与尾部隔振段分别设置在水听器阵列段的两端，用于消减水听器阵列段末端的抖动。
水听器阵列段包含水听器阵列及信号采集电路，水听器阵列用于采集目标的散射声波得到水声源信号；信号采集电路对水声源信号进行信号放大、模数AD转换得到水声信号。
本发明的另外一个实施例还提供了基于UUV平台的低频主动水声探测方法，该方法采用如上述任一实施例提供的系统进行目标探测，包括如下步骤：
S01：UUV平台进入既定目标水域后，声源载荷舱段的舷侧参量阵换能器发出差频声信号，对目标进行探测。
S02：目标在差频声信号的激发下，产生散射声波，一定方向上的散射声波被细线拖曳阵采集。
S03：拖曳阵载荷舱段接收细线拖曳阵采集到的水声信号后，通过匹配滤波获得目标距离信息，通过波束形成方法进行信号处理，获取目标方位信息和目标散射强度。
S04：本体控制舱段接收目标距离信息和目标方位信息，结合获取的UUV平台的自身位置信息，设置UUV平台的运动控制方向和运动控制速度作为运动控制指令，对目标进行跟踪。
进一步地，S03，具体为：
差频声信号为线性调频宽带信号s(t)；t为时间变量。
细线拖曳阵采集到的水声信号为：
S(t)＝[S1(t) S2(t) … SL(t)]
其中L表示细线拖曳阵中线性水听器阵列的水听器数目，Sl(t)为第l个水听器获得的回波信号。
利用s(t)波形函数对水声信号S(t)进行匹配滤波，得到脉冲峰值时间点t1，进而根据声源发射时刻t0估算声传播距离R：
R＝c(t1-t0)。
其中c为声在水中的传播速度，R即为目标距离信息；
对水声信号S(t)进行波束形成处理，利用数字多波束形成技术对接收水听器阵列方位空间上的所有的角度进行扫描，此时阵列波束形成表达式为：
其中BP(θ)为阵列波束的输出强度，wl为第l个水听器接收到的回波信号对应的加权系数，dl为第l个水听器与预先设定的参考水听器之间的距离，θ表示波束形成的聚焦角度，λ为水声信号波长。
当BP(θ)取最大值时，此时波束形成的波束聚焦角度为θ0与来波方向一致，θ0即为目标方位信息。
有益效果：
本发明提供的一种基于UUV平台的低频主动水声探测系统及方法，采用UUV舷侧安装参量阵换能器的方式，可满足小尺寸UUV平台产生低频指向性声源的需求，并可对水中目标进行低频主动探测。同时采用UUV尾部搭载细线拖曳阵的方式，可突破UUV尺寸限制，进行大孔径水听器阵列布阵，从而满足UUV对低频水声信号的高增益采集需求。本发明将参量阵换能器和细线拖曳阵集成与UUV平台，构建低频水声探测的智能化水下平台，与传统的大尺度低频水下目标探测平台相比，具有更好的机动性和灵活性。
附图说明
图1为基于UUV平台的低频水声信号发射与采集系统示意图；
图2为基于UUV平台的低频主动水声探测系统作业方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了基于UUV平台的低频主动水声探测系统，如图1所示，包括UUV平台主体由前至后顺次分为首部避碰舱段1、声源载荷舱段2、本体控制舱段3、拖曳阵载荷舱段4以及尾部推进模块5；拖曳阵载荷舱段4通过导线固定支架连接一个细线拖曳阵。
本发明实施例中，首部避碰舱段1上安装避碰声纳6，用于测量UUV平台距离海底或障碍物的距离；首部避碰舱段还要布设防撞胶块，避碰声纳可测量UUV离海底或障碍物的距离，防撞胶块起到缓冲头段受到的冲击力，从而避免因操作不当引起的航行器头部受到撞击造成的破坏。
声源载荷舱段2安装舷侧参量阵换能器7，舷侧参量阵换能器7利用两列不同频率的原频信号产生差频声信号，频率范围为1kHz-20kHz，进行目标探测，得到目标方位和散射强度；目标在差频声信号的激发下，产生散射声波。本发明实施例中，该差频声信号可看作是分布在高频波束共同覆盖区域内的次级声源。对于共轴的窄波束，次级声源如同一个沿波束的轴向连续分布的虚源端射阵。差频声源端射阵的孔径由原频声波的传播距离决定，因此尽管差频声源频率很低，参量阵的实际尺寸很小，仍能得到高指向性波束。
细线拖曳阵中包含线性水听器阵列，用于采集目标的散射声波得到水声信号。
拖曳阵载荷舱段4用于接收细线拖曳阵采集到的水声信号，对水声信号进行处理，得到目标距离信息和目标方位信息，送入本体控制舱段3。
本发明实施例中，细线拖曳阵与拖曳阵载荷舱段之间通过导线固定支架相连接。导线固定支架一端连接拖曳阵载荷舱段底部，另一端连接推进器外壳，可固定拖曳阵传输线缆并防止与推进器缠绕。
本体控制舱段3获取UUV平台的自身位置信息。本体控制舱段3根据UUV平台的自身位置信息，目标位置信息和散射强度信息，设置运动控制方向和运动控制速度作为运动控制指令对目标进行跟踪，发送运动控制指令。
本发明实施例中，本体控制舱段3外接水声定位与通信信标8以及北斗天线9。水声定位与通信信标8用于与水面控制中心的超短基线定位系统和水声通信系统交互，获取UUV平台的自身位置信息和航向信息；述北斗天线9用于在UUV平台浮出水面时，获取卫星定位的UUV平台的自身位置信息。
本发明实施例中，本体控制舱段3还外接避碰声纳6；本体控制舱段3获取避碰声纳6测量的测量UUV平台距离海底或障碍物的距离，并据此设置安全距离；本体控制舱段3在设置运动控制指令时，保证UUV平台的位置处于安全距离之内。
尾部推进模块5接收运动控制指令，驱动UUV平台完成匹配的运动，配合完成下潜、上浮、转向等运动，实现对目标的跟踪。
本发明实施例中，尾部推进模块5包括转舵机构10和推进器11，接收本体控制舱段3发出的运动控制指令，转舵机构10和推进器11完成运动控制指令，驱动UUV平台完成匹配的运动。
本体控制舱段3根据UUV平台的自身位置信息，目标位置信息和散射强度信息，设置运动控制方向和速度作为运动控制指令对目标进行跟踪，具体为：所设置的运动控制指令包括以运动控制方向作为转舵机构10的转动方向，和以运动控制速度作为推进器11的推进速度。
本发明实施例中，细线拖曳阵顺次分为首部隔振段13、水听器阵列段14以及尾部隔振段15。
首部隔振段13与尾部隔振段15分别设置在水听器阵列段14的两端，用于消减水听器阵列段14末端的抖动。前隔振段与导线固定支架连接，用于隔离UUV平台和拖缆产生的低频随机干扰振动。后隔振段结构用于消减水听器阵列末端的低频抖动，降低自噪声，其器件布置与前隔振段相同，因此前后隔振段可以互易。
水听器阵列段包含水听器阵列及信号采集电路，水听器阵列用于采集目标的散射声波得到水声源信号；信号采集电路对水声源信号进行信号放大、模数AD转换得到水声信号。水听器阵列长度不受UUV平台尺寸限制，可满足低频水声信号探测的大孔径布阵要求。
本发明另外一个实施例基于UUV平台的低频主动水声探测方法，该方法采用上述任一实施例提供的系统进行目标探测，包括如下步骤：
S01：UUV平台进入既定目标水域后，声源载荷舱段2的舷侧参量阵换能器7发出差频声信号，对目标进行探测；
S02：目标在差频声信号的激发下，产生散射声波，一定方向上的散射声波被细线拖曳阵采集；
S03：拖曳阵载荷舱段4接收细线拖曳阵采集到的水声信号后，通过匹配滤波获得目标距离信息，通过波束形成方法进行信号处理，获取目标方位信息和目标散射强度。
S03，具体为：
差频声信号为线性调频宽带信号s(t)；t为时间变量。
细线拖曳阵采集到的水声信号为：
S(t)＝[S1(t) S2(t) … SL(t)]
其中L表示细线拖曳阵中线性水听器阵列的水听器数目，Sl(t)为第l个水听器获得的回波信号。
利用s(t)波形函数对水声信号S(t)进行匹配滤波，得到脉冲峰值时间点t1，进而根据声源发射时刻t0估算声传播距离R：
R＝c(t1-t0)；
其中c为声在水中的传播速度，R即为目标距离信息。
对水声信号S(t)进行波束形成处理，利用数字多波束形成技术对接收水听器阵列方位空间上的所有的角度进行扫描，此时阵列波束形成表达式为：
其中BP(θ)为阵列波束的输出强度，wl为第l个水听器接收到的回波信号对应的加权系数，dl为第l个水听器与预先设定的参考水听器之间的距离，θ表示波束形成的聚焦角度，λ为水声信号波长。
当BP(θ)取最大值时，此时波束形成的波束聚焦角度为θ0与来波方向一致，θ0即为目标方位信息。
S04：本体控制舱段3接收目标距离信息和目标方位信息，结合获取的UUV平台的自身位置信息，设置UUV平台的运动控制方向和运动控制速度作为运动控制指令，对目标进行跟踪。
图2示出了基于UUV平台的低频主动水声探测系统作业方式，其中201为航行器本体，202为参量阵声源，203为目标，204为细线拖曳阵。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于UUV平台的低频主动水声探测系统，其特征在于，包括UUV平台主体由前至后顺次分为首部避碰舱段(1)、声源载荷舱段(2)、本体控制舱段(3)、拖曳阵载荷舱段(4)以及尾部推进模块(5)；所述拖曳阵载荷舱段(4)通过导线固定支架连接一个细线拖曳阵；
所述声源载荷舱段(2)安装舷侧参量阵换能器(7)，所述舷侧参量阵换能器(7)利用两列不同频率的原频信号产生差频声信号，进行目标探测，得到目标方位和散射强度；目标在所述差频声信号的激发下，产生散射声波；
所述细线拖曳阵中包含线性水听器阵列，用于采集目标的散射声波得到水声信号；
所述拖曳阵载荷舱段(4)用于接收所述细线拖曳阵采集到的水声信号，对水声信号进行处理，得到目标距离信息和目标方位信息，送入所述本体控制舱段(3)；
所述本体控制舱段(3)获取所述UUV平台的自身位置信息；
所述本体控制舱段(3)根据所述UUV平台的自身位置信息，目标位置信息和散射强度信息，设置运动控制方向和运动控制速度作为运动控制指令对目标进行跟踪，发送所述运动控制指令；
所述尾部推进模块(5)接收所述运动控制指令，驱动所述UUV平台完成匹配的运动，实现对目标的跟踪。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述本体控制舱段(3)外接水声定位与通信信标(8)以及北斗天线(9)；
所述水声定位与通信信标(8)用于与水面控制中心的超短基线定位系统和水声通信系统交互，获取所述UUV平台的自身位置信息和航向信息；
所述北斗天线(9)用于在UUV平台浮出水面时，获取卫星定位的UUV平台的自身位置信息。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述首部避碰舱段(1)上安装避碰声纳(6)，用于测量UUV平台距离海底或障碍物的距离；
所述本体控制舱段(3)外接所述避碰声纳(6)；
所述本体控制舱段(3)获取避碰声纳(6)测量的测量UUV平台距离海底或障碍物的距离，并据此设置安全距离；
所述本体控制舱段(3)在设置运动控制指令时，保证所述UUV平台的位置处于所述安全距离之内。
4.如权利要求1～3任一所述的系统，其特征在于，所述尾部推进模块(5)包括转舵机构(10)和推进器(11)，接收所述本体控制舱段(3)发出的运动控制指令，转舵机构(10)和推进器(11)完成所述运动控制指令，驱动所述UUV平台完成匹配的运动；
所述本体控制舱段(3)根据所述UUV平台的自身位置信息，目标位置信息和散射强度信息，设置运动控制方向和速度作为运动控制指令对目标进行跟踪，具体为：所设置的运动控制指令包括以所述运动控制方向作为所述转舵机构(10)的转动方向，和以所述运动控制速度作为所述推进器(11)的推进速度。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述细线拖曳阵顺次分为首部隔振段(13)、水听器阵列段(14)以及尾部隔振段(15)；
首部隔振段(13)与尾部隔振段(15)分别设置在所述水听器阵列段(14)的两端，用于消减所述水听器阵列段(14)末端的抖动；
所述水听器阵列段包含水听器阵列及信号采集电路，所述水听器阵列用于采集目标的散射声波得到水声源信号；所述信号采集电路对所述水声源信号进行信号放大、模数AD转换得到所述水声信号。
6.基于UUV平台的低频主动水声探测方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1～5任一所述的系统进行目标探测，包括如下步骤：
S01：所述UUV平台进入既定目标水域后，所述声源载荷舱段(2)的舷侧参量阵换能器(7)发出差频声信号，对目标进行探测；
S02：目标在所述差频声信号的激发下，产生散射声波，一定方向上的散射声波被所述细线拖曳阵采集；
S03：所述拖曳阵载荷舱段(4)接收所述细线拖曳阵采集到的水声信号后，通过匹配滤波获得目标距离信息，通过波束形成方法进行信号处理，获取目标方位信息和目标散射强度；
S04：所述本体控制舱段(3)接收所述目标距离信息和所述目标方位信息，结合获取的所述UUV平台的自身位置信息，设置UUV平台的运动控制方向和运动控制速度作为运动控制指令，对目标进行跟踪。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S03，具体为：
所述差频声信号为线性调频宽带信号s(t)；t为时间变量；
所述细线拖曳阵采集到的水声信号为：
S(t)＝[S1(t) S2(t)…SL(t)]
其中L表示所述细线拖曳阵中线性水听器阵列的水听器数目，Sl(t)为第l个水听器获得的回波信号；
利用s(t)波形函数对所述水声信号S(t)进行匹配滤波，得到脉冲峰值时间点t1，进而根据声源发射时刻t0估算声传播距离R：
R＝c(t1-t0)；
其中c为声在水中的传播速度，R即为目标距离信息；
对所述水声信号S(t)进行波束形成处理，利用数字多波束形成技术对接收水听器阵列方位空间上的所有的角度进行扫描，此时阵列波束形成表达式为：
其中BP(θ)为阵列波束的输出强度，wl为第l个水听器接收到的回波信号对应的加权系数，dl为第l个水听器与预先设定的参考水听器之间的距离，θ表示波束形成的聚焦角度，λ为水声信号波长；
当BP(θ)取最大值时，此时波束形成的波束聚焦角度为θ0与来波方向一致，θ0即为目标方位信息。
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