CN112859186A - 基于重力信息的水下目标探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于重力信息的水下目标探测方法，它包括如下步骤：首先将探测器部署到探测水域坐底，利用探测器携带的原子干涉重力仪持续监测水域内的重力变化；然后，当水下目标的质量引起的重力畸变超过原子干涉重力仪重力测量的灵敏度范围时，探测器可探知监测水域内有水下目标进入；建立水下目标的数学模型，根据水下目标产生的垂直重力可推测其排水量。本发明利用探测器携带的高精度小型化原子干涉重力测量装置，测量水下目标进入探测区域后导致的区域内的重力畸变，实现基于重力畸变信息的新概念水下目标探测。

Description

基于重力信息的水下目标探测方法及系统

技术领域

本发明涉及物体探测技术领域，具体地指一种基于重力信息的水下目标探测方法及系统。

背景技术

目前，水下目标探测技术主要以声学探测和磁探测为主，但随着现代减振消声、消磁技术的不断发展、无磁性壳体材料工艺水平的不断进步，水下目标的声学噪声和磁场特征不断减小，甚至淹没于海洋背景噪声之中，传统方法的探测能力被大大削弱。激光探测、合成孔径雷达和红外热成像等非声学、非磁效应的探测技术也在加速发展，但都存在一定的缺陷。激光探测利用光波对水中目标进行成像，可获得分辨率较高的图像，根据图像可判别目标类型，但光波在海水中衰减较严重，且对水质要求较高。合成孔径雷达探测技术通过无线电回波进行探测，雷达可覆盖面积大，定位精度高，但同样地，无线电在水下衰减快，探测深度十分有限。红外热成像对水下目标或者其形成的热尾迹进行探测，由于红外辐射强度与表面温度密切相关，探测性能不佳。

可以看出，目前的水下目标探测技术或受海洋环境影响，探测效果不佳，或其对抗技术发展，探测能力被削弱，因此研究新的探测手段，发展新的探测技术势在必行。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种基于重力信息的水下目标探测方法及系统，本发明利用探测器携带的高精度小型化原子干涉重力测量装置，测量水下目标进入探测区域后导致的区域内的重力畸变，实现基于重力畸变信息的新概念水下目标探测。

为实现此目的，本发明所设计的基于重力信息的水下目标探测方法，它包括如下步骤：

步骤1：将探测器部署到探测水域坐底，利用探测器携带的原子干涉重力仪持续监测水域内的重力变化；

步骤2：当水下目标的质量引起的重力畸变超过原子干涉重力仪重力测量的灵敏度范围时，探测器可探知监测水域内有水下目标进入；

步骤3：建立水下目标的数学模型，设水下目标模型为一旋转椭球体，其质量分布在水下目标的外壳上，水下目标的内腔为空气，以椭球中心为坐标原点建立直角坐标系，取垂直向上为Z轴，前向为X轴，左向为Y轴，设椭球长半径为a，短半径为b，则椭球方程为：

其中，x₀、y₀和z₀分别表示X轴、Y轴和Z轴坐标，水下目标引起的重力变化分为两个部分，第一部分是外壳质量引起的重力变化，第二部分是内腔排开海水引起的重力变化；

步骤4：设水下目标排水量为m，海水密度为ρ，则水下目标表面积S按下式计算：

其中，e为水下目标旋转椭球体的子午椭圆的第一偏心率；

水下目标在水下处于平衡状态，其所受重力与浮力相等，即质量与排开水的质量相等，则得到其面密度为：

步骤5：计算外壳质量引起的重力变化，椭球上一面元dS，坐标为(x,y,z)，其引起的空间中一点(X,Y,Z)的引力位V1为：

其中，G为引力常数，

为(x,y,z)和(X,Y,Z)两点间的距离，该式对Z求偏导，可以得到重力在Z轴方向上的分量：

该式为对面积的曲面积分，积分区域Σ为椭球体外壳曲面，将其转换为二重积分，转换公式为：

其中，D_yz为Σ在yOz面上的投影区域，f(x,y,z)表示被积函数，f[x(y,z),y,z]表示将被积函数中的变量x转换为x(y,z)，x_y(y,z)和x_z(y,z)分别表示x(y,z)对y和z求偏导，将椭球面Σ分为前后两部分，即：

分别给出椭球前半部分和后半部分引起的垂直重力计算公式：

外壳质量引起的总的重力变化为：

g1_z＝g1_z1+g1_z2

步骤6：计算水下目标排开海水引起的重力变化，假设内腔中一体元为dV＝dxdydz，则在空间一点(X,Y,Z)处由该体元引起的引力位V2表达式为：

式中，ρ为海水密度，负号表示此处为海水质量亏损，对Z求偏导，可得(X,Y,Z)处的垂直重力g2_z为：

步骤7：计算水下目标产生的总的垂直重力，总的垂直重力包括分布在外壳上的质量产生的垂直重力和内腔海水质量亏损产生的垂直重力，即：g_z＝g1_z+g2_z。

本发明将可机动部署的水下目标探测器提前布置到特定水域，采用海底静基座测量的重力信息进行水下目标探测，由步骤3-7的计算可得，探测一排水量约2万吨的目标，重力测量精度约需达到μGal(微伽)量级，以目前原子干涉重力仪的精度水平，具有技术可行性。

本发明利用原子干涉重力仪的高精度重力测量，能够感知区域范围内由于物体的介入产生的微小重力变化，从而达到物体探测的目的。与传统探测技术相比，其优势明显，相比于声学探测、磁探测，由于重力信息不可被隐藏，不容易被对抗削弱。相比于雷达、激光等光学探测技术，不受海洋环境影响，探测信号不会衰减。相比于红外热成像，对目标自身的特征要求不高。

附图说明

图1为本发明的探测原理示意图；

图2为水下目标与探测器之间的坐标位置关系图；

图3为重力变化曲线图(Y＝0，Z＝200m，X＝-1000～1000m)，横坐标为水下目标与探测器的X轴向距离(单位：m)，纵坐标为引起的重力畸变值(单位：m/s²)。

其中，1—水下目标、1.1—外壳、1.2—内腔、2—探测器、2.1—原子干涉重力仪、3—地面站。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示的基于重力信息的水下目标探测方法，它包括如下步骤：

步骤1：将探测器2部署到探测水域坐底，利用探测器2携带的原子干涉重力仪2.1持续监测水域内的重力变化；

步骤2：当水下目标1的质量引起的重力畸变超过原子干涉重力仪2.1重力测量的灵敏度范围时，探测器2可探知监测水域内有水下目标1进入；

步骤3：建立水下目标1的数学模型，设水下目标1模型为一旋转椭球体，其质量分布在水下目标1的外壳1.1上，水下目标1的内腔1.2为空气，以椭球中心为坐标原点建立直角坐标系，取垂直向上为Z轴，前向为X轴，左向为Y轴，如图2所示，设椭球长半径为a，短半径为b，则椭球方程为：

其中，x₀、y₀和z₀分别表示X轴、Y轴和Z轴坐标，水下目标1引起的重力变化分为两个部分，第一部分是外壳1.1质量引起的重力变化，第二部分是内腔1.2排开海水引起的重力变化；

步骤4：设水下目标1排水量为m，海水密度为ρ，则水下目标1表面积S按下式计算：

其中，e为水下目标旋转椭球体的子午椭圆的第一偏心率；

水下目标1在水下处于平衡状态，其所受重力与浮力相等，即质量与排开水的质量相等，则得到其面密度为：

步骤5：计算外壳1.1质量引起的重力变化，椭球上一面元dS，坐标为(x,y,z)，其引起的空间中一点(X,Y,Z)的引力位V1为：

其中，G为引力常数，

为(x,y,z)和(X,Y,Z)两点间的距离，该式对Z求偏导，可以得到重力在Z轴方向上的分量：

该式为对面积的曲面积分，积分区域Σ为椭球体外壳1.1曲面，将其转换为二重积分，转换公式为：

其中，D_yz为Σ在yOz面上的投影区域，f(x,y,z)表示被积函数，f[x(y,z),y,z]表示将被积函数中的变量x转换为x(y,z)，x_y(y,z)和x_z(y,z)分别表示x(y,z)对y和z求偏导，将椭球面Σ分为前后两部分，即：

分别给出椭球前半部分和后半部分引起的垂直重力计算公式：

外壳1.1质量引起的总的重力变化为：

g1_z＝g1_z1+g1_z2

步骤6：计算水下目标1排开海水引起的重力变化，假设内腔1.2中一体元为dV＝dxdydz，则在空间一点(X,Y,Z)处由该体元引起的引力位V2表达式为：

式中，ρ为海水密度，负号表示此处为海水质量亏损，对Z求偏导，可得(X,Y,Z)处的垂直重力g2_z为：

在实际计算中，可把以上三重积分化成先对x、次对y，最后对z的三次积分：

步骤7：计算水下目标1产生的总的垂直重力，总的垂直重力包括分布在外壳1.1上的质量产生的垂直重力和内腔1.2海水质量亏损产生的垂直重力，即：g_z＝g1_z+g2_z。

上述技术方案的步骤7中，g1_z中的g1_z1、g1_z2为二重积分，积分区域均为圆域：y²+z²≤b²，为了方便计算，引入极坐标y＝r cosθ，z＝r sinθ，积分范围相应变为0≤r≤b，0≤θ≤2π；而计算g2_z时先对x求定积分，得到对变量y,z的积分，而后引入极坐标计算；给定计算点(X,Y,Z)后，在Mathematica代数系统中通过数值积分命令NIntegrate，即可得到水下目标在该点处引起的总的垂直重力。

一种基于上述探测方法的水下目标探测系统，它包括探测器2和地面站3，被测的水下目标1包括外壳1.1和内腔1.2，水下目标1的质量全部集中于外壳1.1上，内腔1.2为空气，探测器2上搭载了原子干涉重力仪2.1，原子干涉重力仪2.1用于持续监测水域内的重力变化，地面站3用于控制探测器2运行，为探测器2提供导航信息，并接收原子干涉重力仪2.1发送的重力探测信息，根据重力变化数值，推算水下目标1的排水量(重力变化量越大认为目标的排水量也越大)。

水下目标进入某特定水域后，带来质量分布发生显著变化，从而导致了该水域重力信息的畸变。考虑到水下目标重力信息不可隐蔽与伪装的特点，本发明基于现代量子物理领域的原子干涉测量技术，研究一种可机动部署的水下目标探测器，利用探测器携带的高精度小型化原子干涉重力测量装置，测量水下目标进入探测区域后导致的区域内的重力畸变，实现基于重力畸变信息的新概念水下目标探测。

以俄亥俄级潜艇为例，其排水量约为18700吨，长约170.7m，宽约12.8m，取椭球模型的长短半轴分别为长宽的一半，由步骤3～7计算可知，当Y为0，Z为200m，X从-1000m到+1000m变化时，X越接近0，引起的重力变化越大，当X＝0时，即目标在探测器的正上方时，引起的重力变化为1.53×10^-8m/s²，即1.53μGal，这个量级目前的原子重力仪能够敏感到，重力变化曲线如图3所示。

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 (3)

1.一种基于重力信息的水下目标探测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将探测器(2)部署到探测水域坐底，利用探测器(2)携带的原子干涉重力仪(2.1)持续监测水域内的重力变化；

步骤2：当水下目标(1)的质量引起的重力畸变超过原子干涉重力仪(2.1)重力测量的灵敏度范围时，探测器(2)可探知监测水域内有水下目标(1)进入；

步骤3：建立水下目标(1)的数学模型，设水下目标(1)模型为一旋转椭球体，其质量分布在水下目标(1)的外壳(1.1)上，水下目标(1)的内腔(1.2)为空气，以椭球中心为坐标原点建立直角坐标系，取垂直向上为Z轴，前向为X轴，左向为Y轴，设椭球长半径为a，短半径为b，则椭球方程为：

其中，x₀、y₀和z₀分别表示X轴、Y轴和Z轴坐标，水下目标(1)引起的重力变化分为两个部分，第一部分是外壳(1.1)质量引起的重力变化，第二部分是内腔(1.2)排开海水引起的重力变化；

步骤4：设水下目标(1)排水量为m，海水密度为ρ，则水下目标(1)表面积S按下式计算：

其中，e为水下目标旋转椭球体(1)的子午椭圆的第一偏心率；

水下目标(1)在水下处于平衡状态，其所受重力与浮力相等，即质量与排开水的质量相等，则得到其面密度为：

步骤5：计算外壳(1.1)质量引起的重力变化，椭球上一面元dS，坐标为(x,y,z)，其引起的空间中一点(X,Y,Z)的引力位V1为：

其中，G为引力常数，

为(x,y,z)和(X,Y,Z)两点间的距离，该式对Z求偏导，可以得到重力在Z轴方向上的分量：

该式为对面积的曲面积分，积分区域Σ为椭球体外壳(1.1)曲面，将其转换为二重积分，转换公式为：

其中，D_yz为Σ在yOz面上的投影区域，f(x,y,z)表示被积函数，f[x(y,z),y,z]表示将被积函数中的变量x转换为x(y,z)，x_y(y,z)和x_z(y,z)分别表示x(y,z)对y和z求偏，将椭球面Σ分为前后两部分，即：

分别给出椭球前半部分和后半部分引起的垂直重力计算公式：

外壳(1.1)质量引起的总的重力变化为：

g1_z＝g1_z1+g1_z2

步骤6：计算水下目标(1)排开海水引起的重力变化，假设内腔(1.2)中一体元为dV＝dxdydz，则在空间一点(X,Y,Z)处由该体元引起的引力位V2表达式为：

式中，ρ为海水密度，负号表示此处为海水质量亏损，对Z求偏导，可得(X,Y,Z)处的垂直重力g2_z为：

步骤7：计算水下目标(1)产生的总的垂直重力，总的垂直重力包括分布在外壳(1.1)上的质量产生的垂直重力和内腔(1.2)海水质量亏损产生的垂直重力，即：g_z＝g1_z+g2_z。

2.根据权利要求1所述的基于重力信息的水下目标探测方法，其特征在于：所述步骤7中，g1_z中的g1_z1、g1_z2为二重积分，积分区域均为圆域：y²+z²≤b²，为了方便计算，引入极坐标y＝r cosθ，z＝r sinθ，积分范围相应变为0≤r≤b，0≤θ≤2π；而计算g2_z时先对x求定积分，得到对变量y,z的积分，而后引入极坐标计算；给定计算点(X,Y,Z)后，在Mathematica代数系统中通过数值积分命令NIntegrate，即可得到水下目标在该点处引起的总的垂直重力。

3.一种基于权利要求1所述探测方法的水下目标探测系统，其特征在于：它包括探测器(2)和地面站(3)，被测的水下目标(1)包括外壳(1.1)和内腔(1.2)，水下目标(1)的质量全部集中于外壳(1.1)上，内腔(1.2)为空气，探测器(2)上搭载了原子干涉重力仪(2.1)，原子干涉重力仪(2.1)用于持续监测水域内的重力变化，地面站(3)用于控制探测器(2)运行，为探测器(2)提供导航信息，并接收原子干涉重力仪(2.1)发送的重力探测信息，根据重力变化数值，推算水下目标(1)的排水量。

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