CN116008996A - 用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海底探测监视技术领域，公开一种用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，包括自主式水下航行器模块、声源模块和声纳信号处理模块，自主式水下航行器模块包括自主式水下航行器和拖曳阵列声呐，拖曳阵列声呐、声源模块和声纳信号处理模块搭载在自主式水下航行器上；拖曳阵列声呐实时监视沿海海底获取监测信号，声源模块将监测信号传送给声纳信号处理模块，声纳信号处理模块使用连续主动声呐技术从监测信号中分析沿海海底的集群信息。本发明可以提高对海底环境的监测效率、提高对海底中集群的目标跟踪性能。
Description
技术领域
本发明涉及海底探测监视技术领域，尤其是指一种用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统。
背景技术
在反潜作战(Anti-Submarine Warfare，ASW)中，需要对周围沿海海域进行实时监测，现阶段对沿海海底的监测通常使用的是传统脉冲主动声纳(PAS)，这种技术虽然可以实现对沿海海底的监测，但是信号传输速度慢，监测速度不高，不能满足反潜作战时对实时性的需求。同时，脉冲主动声纳技术不能检测和处理回波，传输占空比低，这也会影响监测效率，进一步降低反潜作战效率。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，可以提高对海底环境的监测效率、提高对海底中集群的目标跟踪性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，包括自主式水下航行器模块、声源模块和声纳信号处理模块，
所述自主式水下航行器模块包括自主式水下航行器和拖曳阵列声呐，所述拖曳阵列声呐、声源模块和声纳信号处理模块搭载在所述自主式水下航行器上；
所述拖曳阵列声呐实时监视沿海海底获取监测信号，所述声源模块将所述监测信号传送给所述声纳信号处理模块，所述声纳信号处理模块使用连续主动声呐技术从所述监测信号中分析沿海海底的集群信息。
在本发明的一个实施例中，所述自主式水下航行器模块包括两艘海洋探索者自主式水下航行器，海洋探索者自主式水下航行器上配备有声学调制解调器，与所述拖曳阵列声呐结合使用用于与其他航行器和控制中心共享数据。
在本发明的一个实施例中，所述自主式水下航行器模块上还搭载有GPS，GPS实时采集所述拖曳阵列声呐获取的监测信号对应的GPS数据；
所述声源模块提供传输定时和声源定位信号功能，所述声源模块将监测信号和GPS数据同步的波形进行耦合后传送给所述声纳信号处理模块，实现传输定时和声源定位。
在本发明的一个实施例中，所述声源模块为ATLAS声源系统。
在本发明的一个实施例中，所述ATLAS声源系统传输24秒相同脉冲重复间隔上的复合连续有源声呐波形并由回声中继器重新传输给所述声纳信号处理模块，所述ATLAS声源系统传输的波形用于捕获频带位移。
在本发明的一个实施例中，所述ATLAS声源系统传输的波形包括：与GPS时钟同步的1800Hz-2500Hz频带中的18秒持续时间线性调频和3000Hz-3700Hz频带中的3秒延迟。
在本发明的一个实施例中，所述声纳信号处理模块包括连续主动声呐处理器，所述连续主动声呐处理器使用子频带进行数据处理。
在本发明的一个实施例中，所述连续主动声呐处理器的脉冲为18秒持续时间线性调频，所述连续主动声呐处理器扫过的1800Hz-2500Hz频带被分成多个子频带。
在本发明的一个实施例中，所述连续主动声呐处理器扫过的1800Hz-2500Hz频带被分成8个子频带，所述8个子频带重叠，每个子频带长4秒，每个子频带与前一个子频带重叠2秒。
在本发明的一个实施例中，所述声纳信号处理模块使用连续主动声呐技术从所述监测信号中分析沿海海底中的集群信息，具体为：
对监测信号进行傅里叶变换，对傅里叶变化后的信号进行基带及其采样，形成波束后对子带进行匹配滤波，对匹配滤波后的信息进行傅里叶逆变换，对傅里叶逆变换后的信息进行集群检测得到集群信息；
将提取到的集群信息和GPS信息传送给目标跟踪器，实现对沿海海底中集群的跟踪管理。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明通过在自主式水下航行器上搭载拖曳阵列声呐进行沿海海底的探测监视，结合声源模块和声纳信号处理模块搭建基于自主式水下航行器的连续主动声呐检测处理链，通过连续主动声呐技术进行实时连续主动声呐处理，提高了信号传输速度的同时提高了占空比，从而提高监测效率；同时，还提高跟踪目标的目标更新率，从而提高目标跟踪性能，在沿海场景的海底监视中具有可行性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明的结构示意图，
图2是本发明中声纳信号处理模块分析沿海海底中的集群信息的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明公开了一种用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，包括自主式水下航行器模块、声源模块和声纳信号处理模块。所述自主式水下航行器模块包括自主式水下航行器和拖曳阵列声呐，所述拖曳阵列声呐、声源模块和声纳信号处理模块搭载在所述自主式水下航行器上。所述拖曳阵列声呐实时监视沿海海底获取监测信号，所述声源模块将所述监测信号传送给所述声纳信号处理模块，所述声纳信号处理模块使用连续主动声呐技术从所述监测信号中分析沿海海底的集群信息。本实施例中使用的拖曳阵列声呐为超薄拖曳阵列(SLITA)，与传统的声纳相比，拖曳阵列声呐容纳声阵的空间得到了提升，可以提高声纳性能；同时，拖曳阵列声呐可以减少来自舰艇平台的自噪声(包括航行水噪声)的干扰。通过拖曳阵列声呐对沿海海底进行探测、标定、跟踪以及类型识别，可以避免因依托舰艇平台而受到的多重限制。
本实施例中，自主式水下航行器模块包括两艘海洋探索者自主式水下航行器，海洋探索者自主式水下航行器上配备有声学调制解调器，与所述拖曳阵列声呐结合使用用于与其他航行器和控制中心共享数据。海洋探索者自主式水下航行器是OceanExplorer(OEX)系列的自主式水下航行器，是一种长4.5米、直径0.53米的鱼雷形自主式水下航行器，可在最大深度300米处运行。所述自主式水下航行器模块上还搭载有GPS，GPS实时采集所述拖曳阵列声呐获取的监测信号对应的GPS数据。
本实施例中，声源模块提供传输定时和声源定位信号功能，所述声源模块将监测信号和GPS数据同步的波形进行耦合后传送给所述声纳信号处理模块，实现传输定时和声源定位，这是多基地声纳处理的关键输入信号。
声源模块使用ATLAS声源系统，ATLAS声源系统是一种基于自由溢流环技术的可编程拖曳声源，最大声源电平为219dB，在1kHz-4kHz的可编程声学频率范围内工作。ATLAS声源系统传输24秒相同脉冲重复间隔(PRI)上的复合连续有源声呐波形并由回声中继器(ER)重新传输，所述ATLAS声源系统传输的波形用于捕获频带位移。所述ATLAS声源系统传输的波形包括：与GPS时钟同步的1800Hz-2500Hz频带中的18秒持续时间线性调频(LFM)和3000Hz-3700Hz频带中的3秒延迟。自主式水下航行器上的接收系统也与GPS时间同步，以便进行信号采集。
本实施例中，声纳信号处理模块包括连续主动声呐(Continuous Active Sonar,CAS)处理器，所述连续主动声呐处理器使用子频带进行数据处理。所述连续主动声呐处理器的脉冲为18秒持续时间线性调频，所述连续主动声呐处理器扫过的1800Hz-2500Hz频带被分成8个子频带。这使得在回声中继器(ER)上的检测速度比具有相同脉冲重复间隔(PRI)的脉冲声纳快六倍。从这个角度很容易看出CAS向AUV提供信息的速率获得了提升，具有更好的自主决策能力。所述8个子频带重叠，每个子频带长4秒，每个子频带与前一个子频带重叠2秒。相同条件下，连续主动声呐处理器的运行速度大约是脉冲主动声纳(PAS)处理器的三倍，即在处理来自64个水听器的数据并以10000.84Hz采样24秒文件时，根据实时处理的要求，所有计算都可以在脉冲重复间隔内安全地完成，可以有效提高处理结果的信噪比。
本实施例中，所述声纳信号处理模块使用连续主动声呐技术从所述监测信号中分析沿海海底中的集群信息的过程如图2所示，具体为：
将获取的监测信号加载到连续主动声呐处理器的内存，对傅里叶变化后的信号进行基带及其采样，形成波束后对子带进行匹配滤波，对匹配滤波后的信息进行傅里叶逆变换，对傅里叶逆变换后的信息进行标准化处理，之后进行集群检测和集群标记，得到集群信息。将提取到的集群信息和GPS信息传送给目标跟踪器，实现对沿海海底中集群的跟踪管理。
基带及其采样是对数据应用基带算法以降低采样率，从而减少后续算法的计算时间。基带上的信号保持信号带中的所有信息，但在频率上移位，以便采样率可以降低到的带宽。
波束形成目的是记录在阵列每个元素上的信号，并将来自阵列元素的信号加在一起。应用于每个元件的延迟是根据光束被操纵的角度来计算的。
对波束形成的数据进行子带匹配过滤目的是将匹配的滤波器模板在频域上与波束形成的数据相乘，相当于在时域上的相关性。
本发明利用子频带处理信号将长脉冲分解为多个短段脉冲作为子带，使用传统脉冲主动声纳(PAS)单独处理这些子段得到的信号处理结果将组成CAS阵列的匹配滤波数据库，可以创造更多的检测机会，如果在跟踪器级别适当利用这些机会，则有可能提高系统的整体性能。所述声纳信号处理模块还包括多假设跟踪器，将提取到的集群的范围信息和GPS采集到的方位信息传送给目标跟踪器，实现对沿海海底中集群的跟踪管理，本实施例中使用的目标跟踪器为分布式多假设跟踪器(DMHT)。
传感器和计算技术的最新进展可以推动连续主动声呐(Continuous ActiveSonar,CAS)或高占空比(High duty cycle，HDC)声纳的概念应用于反潜作战领域。与传统的主动脉冲声纳不同的是，连续主动声呐可以处理检测回波，同时以接近100％的占空比进行传输。
本发明使用拖曳阵列声呐进行沿海海底的探测监视，通过基于自主式水下航行器的连续主动声呐检测处理链，将两台连续主动声呐处理器分别部署在两个自主式水下航行器上作为声纳系统的接收器，可以在自主联网多基地声纳系统中进行实时连续主动声呐处理提高了信号传输速度的同时提高了占空比，从而提高监测效率。同时，本发明通过使用子频带处理数据，可以在保持相同搜索半径的情况下，提供潜在的高于传统脉冲主动声纳的目标更新率，通过较高的目标更新率提高目标跟踪性能，在沿海场景的海底监视中具有可行性，可以适用于在浅水区实施连续主动声呐或高占空比声呐探测以应用于反潜作战。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：包括自主式水下航行器模块、声源模块和声纳信号处理模块，
所述自主式水下航行器模块包括自主式水下航行器和拖曳阵列声呐，所述拖曳阵列声呐、声源模块和声纳信号处理模块搭载在所述自主式水下航行器上；
所述拖曳阵列声呐实时监视沿海海底获取监测信号，所述声源模块将所述监测信号传送给所述声纳信号处理模块，所述声纳信号处理模块使用连续主动声呐技术从所述监测信号中分析沿海海底的集群信息。
2.根据权利要求1所述的用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：所述自主式水下航行器模块包括两艘海洋探索者自主式水下航行器，海洋探索者自主式水下航行器上配备有声学调制解调器，与所述拖曳阵列声呐结合使用用于与其他航行器和控制中心共享数据。
3.根据权利要求1所述的用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：所述自主式水下航行器模块上还搭载有GPS，GPS实时采集所述拖曳阵列声呐获取的监测信号对应的GPS数据；
所述声源模块提供传输定时和声源定位信号功能，所述声源模块将监测信号和GPS数据同步的波形进行耦合后传送给所述声纳信号处理模块，实现传输定时和声源定位。
4.根据权利要求1所述的用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：所述声源模块为ATLAS声源系统。
5.根据权利要求4所述的用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：所述ATLAS声源系统传输24秒相同脉冲重复间隔上的复合连续有源声呐波形并由回声中继器重新传输给所述声纳信号处理模块，所述ATLAS声源系统传输的波形用于捕获频带位移。
6.根据权利要求5所述的用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：所述ATLAS声源系统传输的波形包括：与GPS时钟同步的1800Hz-2500Hz频带中的18秒持续时间线性调频和3000Hz-3700Hz频带中的3秒延迟。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：所述声纳信号处理模块包括连续主动声呐处理器，所述连续主动声呐处理器使用子频带进行数据处理。
8.根据权利要求7所述的用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：所述连续主动声呐处理器的脉冲为18秒持续时间线性调频，所述连续主动声呐处理器扫过的1800Hz-2500Hz频带被分成多个子频带。
9.根据权利要求8所述的用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：所述连续主动声呐处理器扫过的1800Hz-2500Hz频带被分成8个子频带，所述8个子频带重叠，每个子频带长4秒，每个子频带与前一个子频带重叠2秒。
10.根据权利要求7所述的用于沿海海底监视的连续主动声纳检测系统，其特征在于：所述声纳信号处理模块使用连续主动声呐技术从所述监测信号中分析沿海海底中的集群信息，具体为：
对监测信号进行傅里叶变换，对傅里叶变化后的信号进行基带及其采样，形成波束后对子带进行匹配滤波，对匹配滤波后的信息进行傅里叶逆变换，对傅里叶逆变换后的信息进行集群检测得到集群信息；
将提取到的集群信息和GPS信息传送给目标跟踪器，实现对沿海海底中集群的跟踪管理。
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|---|---|---|---|---|
| CN117630895A (zh) * | 2024-01-25 | 2024-03-01 | 海南立岛海洋科技有限公司 | 一种基于数据分析的海底前视声呐故障监测系统 |
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- 2022-12-27 CN CN202211690184.XA patent/CN116008996A/zh not_active Withdrawn
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