CN115453503A

CN115453503A - 适用于水下航行器的目标探测方法及其应用

Info

Publication number: CN115453503A
Application number: CN202211118867.8A
Authority: CN
Inventors: 王秉谦; 薛欢欢
Original assignee: Zhejiang Xianlin Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Xianlin Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2022-09-15
Filing date: 2022-09-15
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2042-09-15
Also published as: CN115453503B

Abstract

本申请提出了一种适用于水下航行器的目标探测方法及其应用，包括以下步骤：S00、生成0~360°均匀方位的矢量一级波束和标量阵一级波束；S10、将矢量一级波束和标量阵一级波束通过自适应波束形成算法融合形成二级波束，以使得波束能够覆盖0~360°空间并均匀分布；S20、对二级波束进行平方检波，以获得不同方向上的波束形成能量结果；S30、将不同方向上的波束形成能量结果作为目标探测结果并输出。本申请可实现精确的目标探测，快速探测目标噪声。

Description

适用于水下航行器的目标探测方法及其应用

技术领域

本申请涉及海洋监测系统技术领域，特别是一种涉及适用于水下航行器的目标探测方法及其应用。

背景技术

在现有的海洋监测研究领域中，多采用布设声纳基阵的方式来实现对水面和水下远距离移动目标的探测和识别。也有部署于海上无人装备的声纳系统，用于监测海洋环境。

目前在海洋环境噪声的监测，需要对异常噪声进行探测，因此需要从接收到的众多海洋声信号中分析出异常噪声源，并使得水下滑翔机等设备能够跟踪定位目标进行二次判别。然而现有技术由于计算量较大无法快速分析出异常噪声源，且探测能力存在不足，导致水下滑翔机等设备无法顺利跟踪定位目标进行二次判别。

因此，亟待一种能够显著提高探测能力的适用于水下航行器的目标探测方法及其应用。

发明内容

本申请实施例提供了一种适用于水下航行器的目标探测方法及其应用，针对目前技术存在的由于计算量较大无法快速分析出异常噪声源，且探测能力存在不足等问题。

本发明核心技术主要是通过矢量一级波束形成算法和标量阵一级波束形成算法将综合标矢量声基阵接收的海洋声信号转化为固定方位的波束域信号，通过第二级自适应波束形成算法形成融合探测结果，形成波束覆盖0~360°空间均匀分布。通过对空间分布的波束信号进行平方检波即可快速形成能量结果并输出。

第一方面，本申请提供了一种适用于水下航行器的目标探测方法，所述方法包括以下步骤：

S00、生成0~360°均匀方位的矢量一级波束和标量阵一级波束；

S10、将矢量一级波束和标量阵一级波束通过自适应波束形成算法融合形成二级波束，以使得波束能够覆盖0~360°空间并均匀分布；

S20、对二级波束进行平方检波，以获得不同方向上的波束形成能量结果；

S30、将不同方向上的波束形成能量结果作为目标探测结果并输出。

进一步地，步骤S00中，矢量一级波束通过矢量水听器的声压标量通道和三个矢量通道形成。

进一步地，步骤S00中，标量阵一级波束通过矢量水听器的声压标量通道和多个标量水听器组成的多元声基阵形成。

进一步地，步骤S00中，矢量一级波束和标量阵一级波束均为360°方位内均匀间隔设置的波束信号。

进一步地，步骤S00中，通过矢量一级波束形成算法和标量阵一级波束形成算法将综合标矢量声基阵接收的海洋声信号转化为固定方位的波束域信号，该波束域信号为0~360°均匀方位的矢量一级波束和标量阵一级波束。

进一步地，步骤S10中，自适应波束形成算法为基于子阵域稳健自适应波束形成的最优宽带检测技术，其中子阵域通过标量阵一级波束形成。

进一步地，矢量一级波束和所述标量阵一级波束均为设定间隔的M个方位的波束信号，且二级波束也为M个二级方位的波束信号，其中设定间隔为360°/M。

第二方面，本申请提供了一种适用于水下航行器的目标探测装置，包括：

信号转换模块，用于通过矢量一级波束形成算法和标量阵一级波束形成算法将综合标矢量声基阵接收的海洋声信号转化为固定方位的波束域信号，该波束域信号为0~360°均匀方位的矢量一级波束和标量阵一级波束；

自适应波束形成模块，用于基于子阵域稳健自适应波束形成的最优宽带检测技术将矢量一级波束和标量阵一级波束通过自适应波束形成算法融合形成二级波束，以使得波束能够覆盖0~360°空间并均匀分布，其中子阵域通过标量阵一级波束形成；

平方检波模块，用于对二级波束进行平方检波，以获得不同方向上的波束形成能量结果；

输出模块，用于将不同方向上的波束形成能量结果作为目标探测结果并输出。

第三方面，本申请提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述的适用于水下航行器的目标探测方法。

第四方面，本申请提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据上述的适用于水下航行器的目标探测方法。

本发明的主要贡献和创新点如下：1、与现有技术相比，本申请通过形成矢量一级波束和标量阵一级波束，将综合标矢量声基阵接收的海洋声信号转化为固定方位的波束域信号，再利用具有相较常规波束形成器更好的强干扰抑制能力以及多目标分辨能力的自适应波束形成算法融合形成二级波束，由此具有广泛的应用空间，且可以在不损失基阵孔径的情况下降低算法的运算量、提高波束形成器的稳健性及加快收敛速度；

2、与现有技术相比，本申请采用的基于子阵域稳健自适应波束形成算法，具有收敛速度快、稳健性好、运算量适中、强干扰抑制能力强等优点，联合宽带最优后置处理技术非均匀加权各窄子带输出、最大化输出信噪比的优势，得到一种基于子阵域稳健自适应波束形成的最优宽带检测技术，以提高系统的被动宽带检测能力。从而实现了显著提高探测能力。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的适用于水下航行器的目标探测方法的流程；

图2是宽容性自适应波束形成最优检测技术的流程图；

图3是常规波束形成（CBF）的方位历程图；

图4是本申请采用的最优检测技术的方位历程图；

图5是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书一个或多个实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。

需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。

现有技术由于计算量较大无法快速分析出异常噪声源，且探测能力存在不足，导致水下滑翔机等水下航行器无法顺利跟踪定位目标进行二次判别。

基于此，本发明基于子阵域稳健自适应波束形成的最优宽带检测技术来解决现有技术存在的问题。

实施例一

本申请旨在提出适用于水下航行器的目标探测方法，通过矢量一级波束形成算法和标量阵一级波束形成算法将综合标矢量声基阵接收的海洋声信号转化为固定方位的波束域信号，通过第二级自适应波束形成算法形成融合探测结果，形成波束覆盖0~360°空间均匀分布。通过对空间分布的波束信号进行平方检波即可快速形成能量结果并输出。

如在本实施例中，通过水下滑翔机上的水听器阵进行目标探测识别，其中水下滑翔机上的水听器阵主要是由安装在滑翔机首端的一个矢量水听器和安装在尾端和两翼的多个标量水听器（本实施例中为三个）组成。设定阵元坐标，首端矢量水听器的阵元坐标为(x0,y0)，尾端水听器坐标为(x1,y1)，左翼水听器坐标(x2,y2)，右翼水听器坐标(x3,y3)。根据各水听器的安装位置，进行通道编号：

（1）0号通道：矢量水听器的标量P通道，坐标为(x0,y0)；

（2）1号通道：尾端标量水听器，坐标为(x1,y1)；

（3）2号通道：左翼标量水听器，坐标为(x2,y2)；

（4）3号通道：右翼标量水听器，坐标为(x3,y3)；

（5）4号通道：矢量水听器的矢量X通道，滑翔机中轴线的前方为正，坐标为(x0,y0)；

（6）5号通道：矢量水听器的矢量Y通道，滑翔机右方为正，坐标为(x0,y0)；

（7）6号通道：矢量水听器的矢量Z通道，滑翔机上方为正，坐标为(x0,y0)。

各水听器阵的工作频带如表1所示：

工作方式	工作频带（Hz）	运用标量通道	运用矢量通道
				宽带处理	500~2000	0、1、2、3	4、5
窄带处理	0.1～1000	0、1、2、3	4、5、6

表1

宽带处理（也就是本实施例中的目标探测）工作参数要求如表1所示，频带为（500Hz～2000Hz）；积分时间可调。

具体地，本申请实施例提供了一种适用于水下航行器的目标探测方法，具体地，参考图1，所述方法包括：

S00、通过矢量一级波束形成算法和标量阵一级波束形成算法将综合标矢量声基阵接收的海洋声信号转化为固定方位的波束域信号，以生成均为360°方位的矢量一级波束和标量阵一级波束；

优选地，矢量一级波束通过矢量水听器的声压标量通道和三个矢量通道形成，标量阵一级波束通过矢量水听器的声压标量通道和三个标量水听器组成的四元圆环声阵列基阵形成。且矢量一级波束和所述标量阵一级波束均为设定间隔的M个方位的波束信号，且二级波束也为M个二级方位的波束信号，其中设定间隔为360°/M。

在本实施例中，根据表1的要求，宽带噪声警戒完成500Hz～2000Hz的频域波束形成，然后将相应频带的波束输出进行平方检波、积分处理，形成M个宽带预成波束，覆盖0~360°水平空间，每个波束宽度360°/M。同时将积分后的多波束能量值送至水下滑翔机的跟踪模块，将跟踪波束的数据合成全频带（0.1Hz～1000Hz）数据后输出时域数据给窄带处理。

如在本实施例中，可采用以下计算方式，标量阵一级波束采用常规波束形成方法，应用了0-3通道的标量声压信号，计算步骤公式如下：

扫描方位内波束号：l =0:1:M-1；

每个波束对应的方位：θ_l=(l*360/M),0≤ l ≤ M-1；

阵元间距d(i)（以首阵元的坐标（x0,y0）为阵中心）：

得到每条谱线代表的频率f(k)：

其中，△f相邻两条谱线间隔频率，k为频域谱线号。

计算相位差：

输出标量阵一级波束：

其中，l为波束序号，k为谱线数量，τ(i,k,l)为阵元间相位延迟，X13(i,k)=X12(i,k)。

其中，i为声通道序列，n为时域信号序列，k为频域谱线号。FFT（fast Fouriertransform，快速傅里叶变换）。

如矢量一级波束采用矢量水听器常规波束形成方法，应用了0、4、5通道的矢量声压信号，计算步骤公式如下：

引导波束角：

θ_l=(l*360/M),0≤ l ≤ M-1

构建信号矩阵：

计算导向矢量：

输出矢量一级波束：

其中，a’为a的转置，X15’同理，均为数学符号，不再赘述。

如在本实施例中，可采用以下计算方式，二级波束通过构建二级信号矩阵，X16(l,k)作为首阵元，坐标为(0,0), X14(l,k)作为第二个阵元，坐标为(0,-3m)；

得到：

计算协方差矩阵R：

计算导向矢量：

阵元间距（以首阵元为阵中心）：

得到每条谱线代表的频率f(k)：

其中，△f相邻两条谱线间隔频率，k为频域谱线号。

计算相位差：

导向矢量为：

输出二级波束：

在本实施例中，自适应波束形成算法为基于子阵域稳健自适应波束形成的最优宽带检测技术，其中基于子阵域稳健自适应波束形成的最优宽带检测技术是在第一级利用常规波束形成得到子阵域数据的基础上，二级波束形成时，计算导引向量可通过命令选择使用标准阵坐标，再利用宽容性自适应技术得到多波束频域数据，最后基于信号、噪声的频谱结构差异性得到宽带最优后置滤波器系数，经过最优后置处理得到最终的空间方位谱。具体技术途径如图2所示。

其中，自适应波束形成算法具有相较常规波束形成器更好的强干扰抑制能力以及多目标分辨能力，由此具有广泛的应用空间。目前针对圆环四阵元声基阵自适应波束形成算法，可以在不损失基阵孔径的情况下降低算法的运算量、提高波束形成器的稳健性及加快收敛速度。

另一方面，对于被动宽带检测，传统做法是将整个处理频带划分成若干个窄子带，对每个子带进行空间处理，再将各个子带的结果非相干叠加。当信号与噪声具有相同的频谱结构，即各个处理子带的信噪比相同时，均匀加权的处理方法最优。当信号与噪声的频谱结构具有差异性时，即带内各频点存在信噪比差异性时，输出信噪比将受影响。本实施例基于最大化输出信噪比准则，推导出宽带最优后置滤波器，压制处理频带内的噪声，对处理频带内信噪比高的子带给予大的加权，对信噪比低的子带则给予小的加权，这种成比例的子带加权可以最大化输出信噪比。

结合上述两方面的优势，本申请利用子阵域稳健自适应波束形成技术收敛速度快、稳健性好、运算量适中、强干扰抑制能力强等优点，联合宽带最优后置处理技术非均匀加权各窄子带输出、最大化输出信噪比的优势，得到一种基于子阵域稳健自适应波束形成的最优宽带检测技术，以提高系统的被动宽带检测能力。

如图3-4所示，采用真实海试实验数据，积分时间为64s，分布得到常规波束形成（图3）和最优检测技术（图4）的方位历程图。可见，最优检测技术提高了其输出信噪比，对常规波束形成历程中忽隐忽现的120°起始、140°起始两弱目标，最优检测技术在观察时段内能够稳定持续得到两目标的方位历程，如此表明了最优检测技术相较常规波束形成的性能优势。

在本实施例中，可采用以下计算方式：

平方检波与积分(M次积分)：

其中，k2为用于计算的谱线数量。

其中，M为积分次数。

在本实施例中，可采用以下计算方式：

输出最大波束角度（也可以称为宽带噪声警戒最大波束的目标方位，如此可得到多个目标方位，即得到不同方向上的波束形成能量结果）即输出数据θ_m：

X21=max(X20(l))

l_m=find(X21对应的l值)

θ_m=l_m*360/M

其中l_m为波束号。

如此能够为后续的水下滑翔机的目标跟踪，二次探测识别起到关键性的信息来源。

实施例二

基于相同的构思，本申请还提出了一种适用于水下航行器的目标探测装置，包括：

实施例三

本实施例还提供了一种电子装置，参考图5，包括存储器404和处理器402，该存储器404中存储有计算机程序，该处理器402被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

具体地，上述处理器402可以包括中央处理器（CPU），或者特定集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称为ASIC），或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

其中，存储器404可以包括用于数据或指令的大容量存储器404。举例来说而非限制，存储器404可包括硬盘驱动器（HardDiskDrive，简称为HDD）、软盘驱动器、固态驱动器（SolidStateDrive，简称为SSD）、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线（UniversalSerialBus，简称为USB）驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器404可包括可移除或不可移除（或固定）的介质。在合适的情况下，存储器404可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器404是非易失性（Non-Volatile）存储器。在特定实施例中，存储器404包括只读存储器（Read-OnlyMemory，简称为ROM）和随机存取存储器（RandomAccessMemory，简称为RAM）。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称为PROM）、可擦除PROM（ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EPROM）、电可擦除PROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EEPROM）、电可改写ROM（ElectricallyAlterableRead-OnlyMemory，简称为EAROM）或闪存（FLASH）或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器（StaticRandom-AccessMemory，简称为SRAM）或动态随机存取存储器（DynamicRandomAccessMemory，简称为DRAM），其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器404（FastPageModeDynamicRandomAccessMemory，简称为FPMDRAM）、扩展数据输出动态随机存取存储器（ExtendedDateOutDynamicRandomAccessMemory，简称为EDODRAM）、同步动态随机存取内存（SynchronousDynamicRandom-AccessMemory，简称SDRAM）等。

存储器404可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器402所执行的可能的计算机程序指令。

处理器402通过读取并执行存储器404中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种适用于水下航行器的目标探测方法。

可选地，上述电子装置还可以包括传输设备406以及输入输出设备408，其中，该传输设备406和上述处理器402连接，该输入输出设备408和上述处理器402连接。

传输设备406可以用来经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括电子装置的通信供应商提供的有线或无线网络。在一个实例中，传输设备包括一个网络适配器（Network Interface Controller，简称为NIC），其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备406可以为射频（Radio Frequency，简称为RF）模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

输入输出设备408用于输入或输出信息。在本实施例中，输入的信息可以是海洋声信号等，输出的信息可以是目标探测结果等。

实施例四

本实施例还提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据实施例一的适用于水下航行器的目标探测方法。

需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

通常，各种实施例可以以硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合来实现。本发明的一些方面可以以硬件来实现，而其他方面可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件来实现，但是本发明不限于此。尽管本发明的各个方面可以被示出和描述为框图、流程图或使用一些其他图形表示，但是应当理解，作为非限制性示例，本文中描述的这些框、装置、系统、技术或方法可以以硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备或其某种组合来实现。

本发明的实施例可以由计算机软件来实现，该计算机软件由移动设备的数据处理器诸如在处理器实体中可执行，或者由硬件来实现，或者由软件和硬件的组合来实现。包括软件例程、小程序和/或宏的计算机软件或程序(也称为程序产品)可以存储在任何装置可读数据存储介质中，并且它们包括用于执行特定任务的程序指令。计算机程序产品可以包括当程序运行时被配置为执行实施例的一个或多个计算机可执行组件。一个或多个计算机可执行组件可以是至少一个软件代码或其一部分。另外，在这一点上，应当注意，如图中的逻辑流程的任何框可以表示程序步骤、或者互连的逻辑电路、框和功能、或者程序步骤和逻辑电路、框和功能的组合。软件可以存储在诸如存储器芯片或在处理器内实现的存储块等物理介质、诸如硬盘或软盘等磁性介质、以及诸如例如DVD及其数据变体、CD等光学介质上。物理介质是非瞬态介质。

本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种适用于水下航行器的目标探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S00、生成0~360°均匀方位的矢量一级波束和标量阵一级波束；

S10、将所述矢量一级波束和所述标量阵一级波束通过自适应波束形成算法融合形成二级波束，以使得波束能够覆盖0~360°空间并均匀分布；

2.如权利要求1所述的一种适用于水下航行器的目标探测方法，其特征在于，步骤S00中，所述矢量一级波束通过矢量水听器的声压标量通道和三个矢量通道形成。

3.如权利要求1所述的一种适用于水下航行器的目标探测方法，其特征在于，步骤S00中，所述标量阵一级波束通过矢量水听器的声压标量通道和多个标量水听器组成的多元圆环声阵列基阵形成。

4.如权利要求1所述的一种适用于水下航行器的目标探测方法，其特征在于，步骤S00中，所述矢量一级波束和所述标量阵一级波束均为360°方位内均匀间隔设置的波束信号。

5.如权利要求1所述的一种适用于水下航行器的目标探测方法，其特征在于，步骤S00中，通过矢量一级波束形成算法和标量阵一级波束形成算法将综合标矢量声基阵接收的海洋声信号转化为固定方位的波束域信号，该波束域信号为0~360°均匀方位的矢量一级波束和标量阵一级波束。

6.如权利要求1所述的一种适用于水下航行器的目标探测方法，其特征在于，步骤S10中，所述自适应波束形成算法为基于子阵域稳健自适应波束形成的最优宽带检测技术，其中子阵域通过标量阵一级波束形成。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种适用于水下航行器的目标探测方法，其特征在于，所述矢量一级波束和所述标量阵一级波束均为设定间隔的M个方位的波束信号，且所述二级波束也为M个二级方位的波束信号，其中设定间隔为360°/M。

8.一种适用于水下航行器的目标探测装置，其特征在于，包括：

9.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至7任一项所述的适用于水下航行器的目标探测方法。

10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括根据权利要求1至7任一项所述的适用于水下航行器的目标探测方法。