CN114194364B - 一种基于水下滑翔机的声电联合探测装置及方法 - Google Patents

一种基于水下滑翔机的声电联合探测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于水下滑翔机的声电联合探测装置，包括滑翔机本体及声电传感器组件，所述声电传感器组件包括：位于水下滑翔机前导流罩头部的一号声传感器及二号声传感器，位于机翼端部的一号电传感器、二号电传感器，位于水下滑翔机尾部的三号电传感器、四号电传感器；一号声传感器及二号声传感器均为主动声传感器和被动声传感器的组合或均为被动声传感器，集成声主动探测、声‑电场联合被动探测模块于一体；还公开对应探测方法；声‑电场联合被动探测模块充分发挥声场探测距离远、电场定位精度高、声‑电低频信息相关性强等优势，解决单一声探测虚警率高、识别率低的问题。

Description

一种基于水下滑翔机的声电联合探测装置及方法
技术领域
本发明的实施例属于水下探测领域，更具体地，涉及一种基于水下滑翔机的声电联合探测装置。
背景技术
当前，大多数国家都是通过声纳浮标对水下目标进行有效的探测与追踪，当锁定水下目标的大致行踪后，并在对应处海域抛掷一定数量的浮标，而每个浮标均会通过其一头的声纳传感器搜寻他水下目标。由于每个浮标都是漂在水面，又由于海面的风浪较大，故而，投掷在水面的声纳浮标很容易被海水冲走；单一声探测存在虚警率高、识别率低的问题。
相对于声探测，电场探测在水下小目标的探测中更具优势，尤其是在一些深海声干扰较大的海域。相对来说，电场深海背景干扰较小，探测可靠性较高。
发明的内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明目的在于解决水下探测中单一声探测存在虚警率高、识别率低的问题。
为解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供一种基于水下滑翔机的声电联合探测装置，包括滑翔机本体及声电传感器组件，所述声电传感器组件包括：位于水下滑翔机前导流罩头部的一号声传感器及二号声传感器，位于机翼端部的一号电传感器、二号电传感器，位于水下滑翔机尾部的三号电传感器、四号电传感器，所述一号声传感器及二号声传感器均为主动声传感器和被动声传感器的组合。
进一步的，所述一号电传感器、二号电传感器、三号电传感器及四号电传感器均采用碳纤维电极。
进一步的，所述碳纤维电极采用超低噪声放大器，频率为0.1-10Hz，噪声峰值小于20Nv；此外，电极采用6通道32位采集器，其频带为DC-2kHz，采样率为4k，噪声5nV/Hz1/2。
优选的，一种基于水下滑翔机的声电联合探测装置，包括滑翔机本体及声电传感器组件，其特征在于:所述声电传感器组件包括：位于水下滑翔机前导流罩头部的一号声传感器及二号声传感器，位于机翼端部的一号电传感器、二号电传感器，位于水下滑翔机尾部的三号电传感器、四号电传感器，所述一号声传感器及二号声传感器均为被动声传感器。
总体而言，通过本发明的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：
本发明利用水下滑翔机待机时间长、航行区域大、本体噪声小、制造维护成本低等优点，作为水下执行隐蔽侦察、预警任务的平台；平台集成声主动探测、声-电场联合被动探测模块于一体；声-电场联合被动探测模块充分发挥声场探测距离远、电场定位精度高、声-电低频信息相关性强等优势，解决单一声探测虚警率高、识别率低的问题。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的整体结构示意图；
图2为图1的侧视结构示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-一号声电传感器、2-二号声电传感器、3-三号声电传感器、4-四号声电传感器、5-五号声电传感器、6-六号声电传感器。
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，对本发明的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用以解释本发明的，并不用于限定本发明的。此外，下面所描述的本发明的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。
水下滑翔机是一种依靠浮力驱动的水下无人潜行器，通过浮力调节实现升沉，并借助固定翼的水动力，在水下进行锯齿状剖面运动，具有低阻力、低噪声、低功耗、长航期、远航程、高隐蔽性等特点。水下滑翔机最大滑翔速度不小于1.5节，持续时间长达几个月，续航能力可达数千公里。水下滑翔机搭载的传感器可测量温度、盐度、海流、海洋背景噪声等物理特性和溶解氧、PH、叶绿素/浊度、硝酸盐等化学特性。通过卫星或无线通讯传回观测数据、接受遥控指令，为海洋动力环境、海洋声学特征、海洋生态生化观测提供有力保障。
实施例1：
请参考图1-图2，一种基于水下滑翔机的声电联合探测装置，包括滑翔机本体及声电传感器组件，其特征在于:所述声电传感器组件包括：位于水下滑翔机前导流罩头部的一号声传感器1及二号声传感器2，位于机翼端部的一号电传感器3、二号电传感器4，位于水下滑翔机尾部的三号电传感器5、四号电传感器6，所述一号声传感器1及二号声传感器2均为主动声传感器和被动声传感器的组合。
所述一号电传感器3、二号电传感器4、三号电传感器5及四号电传感器6均采用碳纤维电极。
所述碳纤维电极采用超低噪声放大器，频率为0.1-10Hz，噪声峰值小于20Nv；此外，电极采用6通道32位采集器，其频带为DC-2kHz，采样率为4k，噪声5nV/Hz1/2。
上述基于水下滑翔机的声电联合探测装置的探测方法，包括如下步骤：
步骤1：在低频声场、电场测量数据的基础上，利用声电传感器提取海洋环境背景干扰信号的特性和特征差异；
具体包括如下步骤：
步骤1.1：利用声电传感器对水下声场信号进行被动观测，声场信号包括声压和振速，其中声压为标量场，振速为矢量场；电场信号包括电场强度E；
步骤1.2：对声场观测信号中的目标信号和干扰信号进行处理，干扰信号主要包括海洋环境噪声和非感兴趣目标辐射噪声；对于单频声波，声压和振速组合的矢量传感器同点输出声压和正交二维三维振速分量，振速Vt的两个正交分量为：
Figure GDA0003488444220000041
θ为波达方向水平方位角，t表示时间变量，设声压表达式为p(t)＝x(t)，其中
Figure GDA0003488444220000042
xt，令声阻抗
Figure GDA0003488444220000043
为1，其中ρ表示密度，c表示声速，声压通道和振速通道的表达式为：
Figure GDA0003488444220000044
其中，n1，n2，n3表示海洋噪声；
步骤1.3：利用低噪声碳纤维电极对对电场信号进行观测，并对目标电场信号和干扰信号进行联合处理，得到其相应信号频谱E(t)。
其中目标电场信号包括四类：电化学腐蚀和防腐系统产生的电场；目标运动产生的感应电场；目标运动引起海水扰动产生的感应电场；电磁辐射产生的电场；其中，腐蚀相关电场是目标电场的主要组成部分，也是用于目标识别和探测的主要信号，它包括静电场UEP和低频电场ELFE。
步骤2：采用复声强方法、浮动门限与固定门限相结合的方法对疑似线谱信号进行检测，并利用积分累计的方法对疑似线谱特征进行目标确认；
所述步骤2具体方法包括如下步骤：
步骤2.1：利用复声强方法对声压、振速进行联合信息处理，对声压p(t)和振速vi(t)(i＝x,y)做傅里叶变换，得到其相应频谱P(ω)、Vi(ω)(i＝x,y)，则复声强的定义为
Figure GDA0003488444220000051
符号*表示共轭运算；
复声强也可以用有功声强和无功声强表示，I(ω)＝Ia(ω)+iIr(ω)，Ia(ω)为有功声强，表示远处传播的声能，Ir(ω)代表无功声强，无功声强不传播声能；在海洋信道中，声源的声压和振速是同相位的，近似满足声学欧姆定律，根据傅里叶变换的基本特性，两个同相位的输入的能量集中在互谱的实部，所以目标信号能量集中在复声强器互谱的输出的实部，虚部中主要为干扰；
步骤2.1：对复声强器互谱的输出的实部信号以及电场频谱信号分别设置阈值进行监测；阈值包括点阈值和积分阈值，两类信号在当前时刻如果超出阈值则利用对当前信号进行积分处理，积分累计超过设置的积分阈值则进入步骤三进行主动探测。
步骤3：最后唤醒周边海域水下滑翔机组，采用主动声探测方法实现对目标的二次确认和目标定位。
具体如下步骤：
步骤3.1：当滑翔机利用被动声电场发现疑似目标时，则中断水下航行被动监测程序，利用声源换能器发出声音信号唤醒周边海域水下滑翔机组，并开启主动声探测；
步骤3.2：周边海域水下滑翔机不少于3台接收到声音信号后，同时中断水下航行被动监测，并开启主动声探测；
步骤3.3：根据总数不少于4台的水下滑翔机经纬度坐标建立大地坐标系，结合各台滑翔机主动探测到的目标距离得到疑似目标准确坐标,求解公式如下：
Figure GDA0003488444220000061
式中(x,y,z)表示疑似目标经度纬度，(xn,yn,zn)表示各台水下滑翔机的经纬度坐标,dn为各台滑翔机主动探测到的目标距离；当水下滑翔机数量大于或等于4台时，可以对上述方程求解；以4台为例，对上述方程进行分解：
Figure GDA0003488444220000062
对上式两两相减：
Figure GDA0003488444220000071
其中：
Figure GDA0003488444220000072
则有：
Figure GDA0003488444220000073
Figure GDA0003488444220000074
实施例2：
实施例2提供乐另一种基于水下滑翔机的声电联合探测装置，包括滑翔机本体及声电传感器组件，其特征在于:所述声电传感器组件包括：位于水下滑翔机前导流罩头部的一号声传感器1及二号声传感器2，位于机翼端部的一号电传感器3、二号电传感器4，位于水下滑翔机尾部的三号电传感器5、四号电传感器6，所述一号声传感器1及二号声传感器2均为被动声传感器，在一号声传感器1及二号声传感器2均为被动声传感器的情况下，所述的基于水下滑翔机的声电联合探测装置的探测方法为：当滑翔机利用被动声电场发现疑似目标时，则中断水下航行被动监测程序，利用声源换能器发出声音信号给海面基站或船舰；海面单位收到声音信号后发出预警，启动海面及空中探测联合对水下目标进行定位和识别。
本装置可实现三个方面功能，一是收集海洋环境信息模式，水下滑翔机实现对不同深度剖面(10m～600m)温度、盐度、电导率、声场、电场等环境信息的采集和测量；二是测量评估舰船物理场模式，水下滑翔机按照预定航路规划，实现对己方舰船物理场信号的快速测量和评估；三是侦察水下目标模式，水下滑翔机长期工作在100m～300m深度区域，自动解析环境与目标的低频声、电场信息特征(重点是100Hz以下频段)，实现对重点海域、要地、要道的监测。收集得到的环境和目标信息可通过天基传输至指挥终端。
采用低功耗微弱声-电传感采集技术，一方面，由于水下滑翔机携带的能源有限，因此降低系统功耗是水下侦测平台长期追求的目标。另一方面，探测目标的前提是首先敏感到目标引起的异常变化，采用低功耗、微弱声-电传感采集技术并实现与水下滑翔机共型一体的声电传感器。
本发明利用水下滑翔机待机时间长、航行区域大、本体噪声小、制造维护成本低等优点，作为水下执行隐蔽侦察、预警任务的平台。平台集成声主动探测、声-电场联合被动探测模块于一体，声-电场联合被动探测模块平时工作在值更和信息收集状态，发现疑似目标后，利用主动声实现对目标的准确定位，声-电场联合被动探测模块充分发挥声场探测距离远、电场定位精度高、声-电低频信息相关性强等优势，解决单一声探测虚警率高、识别率低的问题。是实现海洋环境监测、测量评估舰船物理场、侦察重点目标功能于一体的探测装置。
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，并不用于限制本发明的，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 (8)

1.一种基于水下滑翔机的声电联合探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在低频声场、电场测量数据的基础上，利用声电传感器提取海洋环境背景干扰信号的特性和特征差异；
步骤2：采用复声强方法、浮动门限与固定门限相结合的方法对疑似线谱信号进行检测，并利用积分累计的方法对疑似线谱特征进行目标确认；
步骤3：最后唤醒周边海域水下滑翔机组，采用主动声探测方法实现对目标的二次确认和目标定位；
上述基于水下滑翔机的声电联合探测方法所用到的装置包括滑翔机本体及声电传感器组件，所述声电传感器组件包括：位于水下滑翔机前导流罩头部的一号声传感器(1)及二号声传感器(2)，位于机翼端部的一号电传感器(3)、二号电传感器(4)，位于水下滑翔机尾部的三号电传感器(5)、四号电传感器(6)，所述一号声传感器(1)及二号声传感器(2)均为主动声传感器和被动声传感器的组合。
2.根据权利要求1所述的基于水下滑翔机的声电联合探测方法，所述一号电传感器(3)、二号电传感器(4)、三号电传感器(5)及四号电传感器(6)均采用碳纤维电极。
3.根据权利要求2所述的基于水下滑翔机的声电联合探测方法，所述碳纤维电极采用超低噪声放大器，频率为0.1-10Hz，噪声峰值小于20Nv；此外，电极采用6通道32位采集器，其频带为DC-2kHz，采样率为4k，噪声5nV/Hz1/2。
4.根据权利要求1所述的基于水下滑翔机的声电联合探测方法，其特征在于所述步骤1具体方法包括如下步骤：
步骤1.1：利用声电传感器对水下声场信号进行被动观测，声场信号包括声压和振速，其中声压为标量场，振速为矢量场；电场信号包括电场强度E；
步骤1.2：对声场观测信号中的目标信号和干扰信号进行处理，干扰信号主要包括海洋环境噪声和非感兴趣目标辐射噪声；对于单频声波，声压和振速组合的矢量传感器同点输出声压和正交二维振速分量，振速V(t)的两个正交分量为：
Figure FDA0003830039870000021
θ为波达方向水平方位角，t表示时间变量，设声压表达式为p(t)＝x(t)，其中
Figure FDA0003830039870000022
x(t)，令声阻抗
Figure FDA0003830039870000023
为1，其中ρ表示密度，c表示声速，声压通道和振速通道的表达式为：
Figure FDA0003830039870000024
其中，n1，n2，n3表示海洋噪声；
步骤1.3：利用低噪声碳纤维电极对对电场信号进行观测，并对目标电场信号和干扰信号进行联合处理，得到其相应信号频谱E(t)。
5.根据权利要求1所述的基于水下滑翔机的声电联合探测方法，其特征在于所述步骤2具体方法包括如下步骤：
步骤2.1：利用复声强方法对声压、振速进行联合信息处理，对声压p(t)和振速vi(t)(i＝x,y)做傅里叶变换，得到其相应频谱
Figure FDA0003830039870000025
则复声强的定义为I(ω)＝P(ω)Vi *(ω)，符号*表示共轭运算；
复声强也可以用有功声强和无功声强表示，I(ω)＝Ia(ω)+iIr(ω)，Ia(ω)为有功声强，表示远处传播的声能，Ir(ω)代表无功声强，无功声强不传播声能；在海洋信道中，声源的声压和振速是同相位的，近似满足声学欧姆定律，根据傅里叶变换的基本特性，两个同相位的输入的能量集中在互谱的实部，所以目标信号能量集中在复声强器互谱的输出的实部，虚部中主要为干扰；
步骤2.1：对复声强器互谱的输出的实部信号以及电场频谱信号分别设置阈值进行监测；阈值包括点阈值和积分阈值，两类信号在当前时刻如果超出阈值则利用对当前信号进行积分处理，积分累计超过设置的积分阈值则进入步骤三进行主动探测。
6.根据权利要求1所述的基于水下滑翔机的声电联合探测方法，其特征在于所述步骤3具体方法包括如下步骤：
步骤3.1：当滑翔机利用被动声电场发现疑似目标时，则中断水下航行被动监测程序，利用声源换能器发出声音信号唤醒周边海域水下滑翔机组，并开启主动声探测；
步骤3.2：周边海域水下滑翔机接收到声音信号后，同时中断水下航行被动监测，并开启主动声探测；
步骤3.3：根据总数不少于4台的水下滑翔机经纬度坐标建立大地坐标系，结合各台滑翔机主动探测到的目标距离得到疑似目标准确坐标,求解公式如下：
Figure FDA0003830039870000041
式中(x,y,z)表示疑似目标经度纬度，(xn,yn,zn)表示各台水下滑翔机的经纬度坐标,dn为各台滑翔机主动探测到的目标距离；当水下滑翔机数量大于或等于4台时，可以对上述方程求解。
7.根据权利要求4所述的基于水下滑翔机的声电联合探测方法，其特征在于，所述步骤1.3中目标电场信号包括四类：电化学腐蚀和防腐系统产生的电场；目标运动产生的感应电场；目标运动引起海水扰动产生的感应电场；电磁辐射产生的电场。
8.一种基于水下滑翔机的声电联合探测方法，其特征在于，包括：
当滑翔机利用被动声电场发现疑似目标时，则中断水下航行被动监测程序，利用声源换能器发出声音信号给海面基站或船舰；海面单位收到声音信号后发出预警，启动海面及空中探测联合对水下目标进行定位和识别；
上述基于水下滑翔机的声电联合探测方法所用到的装置包括滑翔机本体及声电传感器组件，所述声电传感器组件包括：位于水下滑翔机前导流罩头部的一号声传感器(1)及二号声传感器(2)，位于机翼端部的一号电传感器(3)、二号电传感器(4)，位于水下滑翔机尾部的三号电传感器(5)、四号电传感器(6)，所述一号声传感器(1)及二号声传感器(2)均为被动声传感器。
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