CN115657116A - 基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法。对于重点区域，低空飞行直升机成为主要入侵目标，本发明基于声震耦合原理，提出利用超前地震波对低空飞行的直升机进行探测。首先，合理布设地震检波器阵列，通过校准时延对整个阵列信号进行叠加压噪。然后，通过超前波多普勒频移公式以及相应的数值关系求出超前波所在频带区间进而带通滤波压噪。再利用互相关检测法将多组阵列对应的超前波检测出来，根据直升机激发的超前波的特征设计到时拾取算法。经过仿真数据分析，本研究方法相比声波探测技术能够更早探测直升机的到达，具有明显优势。

Description

基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法

技术领域：

本发明涉及低空直升机探测应用领域，本发明为该领域提供一种全新的探测时间早于声探测技术的传感方式，特别是涉及一种基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法。

背景技术：

在一些重点保护区域，例如边境线、发电厂、石油传输线、公路交叉路、通讯设施等，需要对这些区域进行全天候监视防止敌方入侵对其造成破坏。低空飞行的直升机是主要的入侵目标之一，目前主要通过声探测技术对直升机产生的声信号进行监视，这种方式相比雷达技术、视觉识别以及红外等技术具有无低空盲区、全天候监测且不受光源干扰等优点。通过声探测技术能在低空飞行的直升机到达前尽早识别出入侵目标，为后方争取更多的处理时间。然而由于飞行目标的速度较快，声探测技术存在预警时间较短、信号容易被地表建筑等大型物体遮挡以及信号质量易受恶劣天气影响等缺点。

事实上，基于声震耦合原理，低空飞行目标产生的声波能够耦合进地面形成超前波，理论上能以大于3-10倍声速的速度和在地下传播进而更早被监测到。因此，通过检测超前波有望实现对低空飞行的直升机更早的探测，对于边境安全和打击非法走私等都具有重要意义。目前国际上已有多项研究证明了超前波的存在，然而上述研究中的超前波在时域上直观清晰，而本发明针对的是直升机激发的超前波远距离传播的应用背景，超前波常常淹没在噪声中而不易观测。而且利用超前波探测低空飞行目标的难点在于不清楚超前波的特征，使得当超前波在时域上被噪声淹没时，无法根据特征去检测超前波。因此，迫切需要一种能够根据超前波的特征利用超前波超前探测低空飞机的直升机的方法。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法。

本发明的发明思想是，首先，基于声震耦合原理，低空声源产生的声波能够耦合进地面形成超前波，理论上能以大于3-10倍声速的速度和在地下传播进而更早被监测到。其次，由于实际环境中超前波淹没在环境噪声中，通过增加阵元的方式叠加信号进行压噪。针对直升机产生的地震信号具有单频特性，根据超前波多普勒频移公式得出超前波的频率特征，并据此设计滤波频带以及超前波的到时拾取算法，最后通过分析不同组阵列的超前波到时结果的斜率分析到时结果的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

1.基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.分析布设场地的背景噪声，选择较为安静的场地，将地震检波器埋置地下且深度不小于0.3m，采集一段至少5分钟的地震背景噪声，要求地震背景噪声的平均质点振动速度不超过0.4μm/s，否则需要将检波器埋置更深或者更换布设场地；

b.布设地震检波器阵列，一共J组阵列，阵列间距不小于500米，其中每个阵列中的阵元(地震检波器)数量不小于10个且灵敏度不低于2cm/s/V，阵元间距要大于布设场地的随机噪声的相关半径长度，使得各阵元接收到的地震背景噪声之间的相关系数不超过0.2；

c.对地震信号叠加压噪，采集到直升机地震信号后，对于第j组阵列，求出阵元中信噪比最高的信号与其它阵元信号的相对时延，再把第j组阵列中的校准时延后的所有阵元信号相加，得到叠加压噪后的地震信号S_j(n)，j＝1，2，...，J，n是采样点序号，n＝1，2，...，N，N是采样长度，采样频率是Fs，单位为Hz；

d.分析直升机激发的超前波的频率，通过查阅区域地质资料等方式得到阵列布设场地地下P波和S波速度V_p和V_s，通过雷达或其它传感技术等方式得到直升机的飞行速度V_f，求出|S_j(n)|的信号中最大振幅对应的采样点序号n₀，再求出S_j(n)时频图中n₀对应的频率F₀，根据超前波多普勒频移公式求出超前P波和超前S波的频率值

f_wp＝V_pF₀/(V_p-V_f)，f_ws＝V_sF₀/(V_s-V_f) (1)

e.确定超前波的频率区间，设A_j是S_j(n)中的最早到达的一段信号，A_j在时频域中到达最早且频率值不随时间而改变，求出A_j的频率F_C，f_wp和f_ws还满足以下关系

F₀＜f_wp＜f_ws＜F_C (2)

公式(2)是对步骤d的f_wp和f_ws结果再一次验证，使超前波的频率更加可靠，超前波的频率范围是[f_wp-W，f_ws+W]，其中W是A_j频谱中F_C谱峰的半个谱峰宽度；

f.将S_j(n)在[f_wp-W，f_ws+W]频带进行带通滤波后得到B_j(n)，选择B₁(n)中的A₁部分并与B_j(n)进行互相关检测得到C_j(n)；

g.超前波的到时拾取，

|C_j(n)|²＞mean(|C_j(n)|²)+X₁·std(|C_j(n)|²) (3)

其中，X₁是到时权值参数，“·”表示乘法，mean()为求出括号内一维数组的平均值的函数，std()为求出括号内一维数组的标准差的函数，求出满足公式(3)的第一个n的值记为n_j，n_j/Fs是第j组对应的超前波到时(即探测时刻)，单位为秒，然后求出所有阵列的超前波到时；

h.判定探测时刻的可靠性，设E(j)是所有组阵列的探测结果，diff(E(j))是E(j)的求导结果，

|diff(E(j))|²＞mean(|diff(E(j))|²)+X₂·std(|diff(E(j))|²) (4)

其中，X₂是可靠性权值参数，求出满足公式(4)的j的最小值记为j₀，则E(j)中的前j₀组的探测结果都是可靠的。

有益效果：

本发明利用超前地震波超前探测低空飞行的直升机到达，有利于保护重点区域。本发明方法得到的探测时间能比声探测方法更早，为后方防御系统争取更多的准备时间。此外，本发明方法对其它应用例如维持直升机飞机场交通秩序等同样具有重要的参考价值。

附图说明：

图1根据本发明方法得到的30组阵列对应的互相关结果的时距图，在P波和声直达波到时曲线之间的部分是检测到的超前波；

图2根据本发明方法检测的30组阵列对应的超前波早于声波到达的时间，图中本发明方法对应的结果只有既小于P波对应的线又大于0才是有意义的。

下面结合附图和实施例对本发明提出的基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法作进一步的详细说明。

本实施例仿真一个30组的阵列，阵列的间距是0.5km并排成直线，每个阵列各50个阵元，其中第1组阵列与直升机的起始位置的水平距离是0.5km。Vp＝1400m/s，Vs＝1000m/s，地震背景噪声的质点振动速度最大是0.15μm/s。直升机保持80米的飞行高度，速度是70m/s，直升机飞行时产生声信号的声压级是150dB(标准大气压下)。

基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.分析布设场地的背景噪声，选择较为安静的场地，将地震检波器埋置地下0.3m的深度，地震背景噪声的平均质点振动速度是0.15μm/s；

b.布设地震检波器阵列，一共30组阵列，阵列间距为500米，其中每个阵列中的阵元(地震检波器)数量是50个且灵敏度为2cm/s/V，各阵元接收到的地震背景噪声之间的相关系数小于0.05；

c.对地震信号叠加压噪，采集到直升机地震信号后，对于第j组阵列，求出阵元中信噪比最高的信号与其它阵元信号的相对时延，再把第j组阵列中的校准时延后的所有阵元信号相加，得到叠加压噪后的地震信号S_j(n)，n是采样点序号，j＝1，2，...，30，n＝1，2，...，N，N是采样长度，采样频率是1000Hz；

d.分析直升机激发的超前波的频率，阵列布设场地地下P波和S波速度分别是1400m/s和1000m/s，直升机的飞行速度是70m/s，求出|S_j(n)|的信号中最大振幅对应的采样点序号n₀，再求出S_j(n)时频图中n₀对应的频率F₀＝28Hz，根据超前波多普勒频移公式求出超前P波和超前S波的频率值

f_wp＝1.053F₀，f_ws＝1.075F₀ (1)

得出f_wp和f_ws分别是29.5Hz和30.1Hz；

e.确定超前波的频率区间，设A_j是S_j(n)中的最早到达的一段信号，A_j在时频域中到达最早且频率值不随时间而改变，求出A_j的频率F_C，f_wp和f_ws还满足以下关系

F₀＜f_wp＜f_ws＜F_C (2)

公式(2)是对步骤d的f_wp和f_ws结果再一次验证，使超前波的频率更加可靠，A_j频谱中F_C谱峰的半个谱峰宽度是3Hz，则超前波的频率范围是[26.5，33.1]；

f.将S_j(n)在[26.5，33.1]频带进行带通滤波后得到B_j(n)，选择B₁(n)中的A₁部分并与B_j(n)进行互相关检测得到C_j(n)；

g.超前波的到时拾取，

|C_j(n)|²＞mean(|C_j(n)|²)+X₁·std(|C_j(n)|²) (3)

其中，X₁是到时权值参数，“·”表示乘法，mean()为求出括号内一维数组的平均值的函数，std()为求出括号内一维数组的标准差的函数，求出满足公式(3)的第一个n的值记为n_j，n_j/1000是第j组对应的超前波到时(即探测时刻)，单位为秒，然后求出所有阵列的超前波到时；

h.判定探测时刻的可靠性，设E(j)是所有组阵列的探测结果，diff(E(j))是E(j)的求导结果，

|diff(E(j))|²＞mean(|diff(E(j))|²)+X₂·std(|diff(E(j))|²) (4)

其中，X₂是可靠性权值参数，求出满足公式(4)的j的最小值记为j₀，则E(j)中的前j₀组的探测结果都是可靠的。

由图1可以发现通过本发明方法能将超过10千米的超前波从噪声中检测出来。由图2可知在该实施例中，通过本发明方法能够最远探测11千米远的低空飞行的直升机，探测时间早于声探测技术约20秒，这说明本发明方法具有较好的有效性。

Claims (1)

1.基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.分析布设场地的背景噪声，选择较为安静的场地，将地震检波器埋置地下且深度不小于0.3m，采集一段至少5分钟的地震背景噪声，要求地震背景噪声的平均质点振动速度不超过0.4μm/s，否则需要将检波器埋置更深或者更换布设场地；

b.布设地震检波器阵列，一共J组阵列，阵列间距不小于500米，其中每个阵列中的阵元(地震检波器)数量不小于10个且灵敏度不低于2cm/s/V，阵元间距要大于布设场地的随机噪声的相关半径长度，使得各阵元接收到的地震背景噪声之间的相关系数不超过0.2；

c.对地震信号叠加压噪，采集到直升机地震信号后，对于第j组阵列，求出阵元中信噪比最高的信号与其它阵元信号的相对时延，再把第j组阵列中的校准时延后的所有阵元信号相加，得到叠加压噪后的地震信号S_j(n)，j＝1，2，...，J，n是采样点序号，n＝1，2，...，N，N是采样长度，采样频率是Fs，单位为Hz；

d.分析直升机激发的超前波的频率，通过查阅区域地质资料等方式得到阵列布设场地地下P波和S波速度V_p和V_s，通过雷达或其它传感技术等方式得到直升机的飞行速度V_f，求出|S_j(n)|的信号中最大振幅对应的采样点序号n₀，再求出S_j(n)时频图中n₀对应的频率F₀，根据超前波多普勒频移公式求出超前P波和超前S波的频率值

f_wp＝V_pF₀/(V_p-V_f)，f_ws＝V_sF₀/(V_s-V_f) (1)

e.确定超前波的频率区间，设A_j是S_j(n)中的最早到达的一段信号，A_j在时频域中到达最早且频率值不随时间而改变，求出A_j的频率F_C，f_wp和f_ws还满足以下关系

F₀＜f_wp＜f_ws＜F_C (2)

公式(2)是对步骤d的f_wp和f_ws结果再一次验证，使超前波的频率更加可靠，超前波的频率范围是[f_wp-W，f_ws+W]，其中W是A_j频谱中F_C谱峰的半个谱峰宽度；

f.将S_j(n)在[f_wp-W，f_ws+W]频带进行带通滤波后得到B_j(n)，选择B₁(n)中的A₁部分并与B_j(n)进行互相关检测得到C_j(n)；

g.超前波的到时拾取，

|C_j(n)|²＞mean(|C_j(n)|²)+X₁·std(|C_j(n)|²) (3)

其中，X₁是到时权值参数，“·”表示乘法，mean()为求出括号内一维数组的平均值的函数，std()为求出括号内一维数组的标准差的函数，求出满足公式(3)的第一个n的值记为n_j，n_j/Fs是第j组对应的超前波到时(即探测时刻)，单位为秒，然后求出所有阵列的超前波到时；

h.判定探测时刻的可靠性，设E(j)是所有组阵列的探测结果，diff(E(j))是E(j)的求导结果，

|diff(E(j))|²＞mean(|diff(E(j))|²)+X₂·std(|diff(E(j))|²) (4)

其中，X₂是可靠性权值参数，求出满足公式(4)的j的最小值记为j₀，则E(j)中的前j₀组的探测结果都是可靠的。

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