一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法技术

一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，本发明专利技术涉及水下声学线谱目标被动探测的方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有水下滑翔机平台无法完成水下远距离低信噪比的探测问题。过程为：1：在水下滑翔机平台上搭载水听器、罗经系统、声速梯度仪、深度计以及GPS系统；2：获得滑翔机水下运动轨迹；3：将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；4：根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；若4中得到的虚拟阵波束谱输出存在单个峰值时，执行5；若4中得到的虚拟阵波束谱输出存在多个峰值时，执行6；5：得到目标线谱频率；6：得到多目标线谱频率。本发明专利技术用于水声被动探测领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法
本专利技术属于水声被动探测领域，涉及水下声学线谱目标被动探测的方法。
技术介绍
深海由于环境特殊性要实现对水下声目标被动探测和海洋环境噪声特性测量对探测系统平台有着严格的要求。深海声传播存在明显的声汇聚和影区效应，系统的探测性能受工作深度的影响较大，探测系统往往要具有对多个不同深度的深海声信号采集纪录能力，才能保证探测设备可以对位于不同距离的目标进行有利探测。深海水下滑翔机平台则是能够满足上述要求的良好载体。水下滑翔机具有水下工作时间长、续航距离远、深度可机动、可进行位置控制和信息回传的特点，在水声被动探测领域中可发挥重要的作用。利用水下滑翔机平台搭载声学设备在深海探测水下声学线谱目标的优势在于，水下滑翔机搭载的传感器可以在不同深度获取水下声学线谱目标的声信号信息，可避开影区的影响合理利用声汇聚现象改进探测能力。由于水下滑翔机的尺寸和电力有限，无法装备大型声纳设备，只能搭载小型声学系统，因此常规的探测处理方法所能获得的探测能力非常受限，难以获得有效的空间处理增益，无法完成水下远距离低信噪比的探测。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有水下滑翔机平台无法完成水下远距离低信噪比的探测问题，而提出一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法。一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤1：在水下滑翔机平台上搭载水听器、罗经系统、声速梯度仪、深度计以及GPS系统，水下滑翔机平台在水平和深度二维方向上进行滑翔机动，同时采集存储由水听器记录的声学信号、由罗经系统记录的罗经姿态、由深度计记录的水下滑翔机平台深度、声速梯度仪记录的声速参数信息，滑翔机出水时可获取在水面的GPS位置信息；步骤2：基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；步骤3：将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；步骤4：将步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹拟合成虚拟垂直阵阵型，对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，得到不同虚拟扫描量的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；若步骤4中得到的虚拟阵波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；若步骤4中得到的虚拟阵波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；步骤5：对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率；步骤6：若步骤4中得到的虚拟阵波束谱输出存在多个峰值时则分别对每个峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到多目标线谱频率。本专利技术的有益效果为：本专利技术主要针对深海水下目标远距离探测问题给出一种水下滑翔机虚拟阵的被动探测方法，通过滑翔机平台搭载的单基元或小规模多基元声学系统，当滑翔机在深度方向滑翔的过程利用不同深度采集的数据形成一个虚拟的空间阵列，再通过时空联合信号处理技术获得高信号处理增益，实现对远距离低信噪比目标的探测。本专利技术的优点在于利用搭载于水下滑翔机的单个或多个阵元的小规模声学系统接收信号，通过对信号进行合理的虚拟阵划分，来获得虚拟的探测垂直孔径和处理增益，从而实现对远距离低信噪比线谱目标的有效探测，为基于水下滑翔机平台的声学系统对低频目标被动探测提供了一种新方法。相比于大规模垂直阵可显著降低系统复杂度和成本，且基于滑翔机平台的探测系统本身可进行自主机动和卫星通信，更便于布放，便于调整和控制系统在海上工作位置，垂直深度可机动的特点有利选择探测深度，且可以对探测结果进行必要的信息回传。双目标结果如图7、8、9所示。具体仿真条件为M＝60，T＝600，Δt＝10s。双目标频率分别为75Hz和100Hz，两目标距离分别为15km，30km。虚拟阵波束谱输出仿真结果如图7，由图可见，当存在双目标时波束谱扫描结果会出现双峰值。根据双峰的位置分别聚焦到各自的峰值得到各自的谱分析结果，图8为目标1谱分析结果，图9为目标2谱分析结果。根据这两个结果对比发现图8中75Hz线谱明显高于图9中75Hz谱结果，因此判断75Hz为目标1特征，100Hz规律与之相反，则判断100Hz为目标2对应的频率。附图说明图1是深海声传播特性仿真示意图；图2是水下滑翔机运动状态剖面示意图；图3是实现本专利技术的流程框图；图4是滑翔机水下运动状态和待探测运动目标相对位置侧视图，R0、Rk为目标到滑翔机的距离；图5是单目标探测案例虚拟阵波束谱输出仿真示意图；图6是单目标探测案例虚拟阵波束谱峰值对应的频谱结果仿真示意图；图7是多目标探测案例虚拟阵波束谱输出仿真示意图；图8是虚拟阵波束谱峰1对应的频谱结果仿真示意图；图9是虚拟阵波束谱峰2对应的频谱结果仿真示意图；图10水下滑翔机平台载体坐标系示意图；图11水下滑翔机平台入水点坐标系示意图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法具体过程为：基于搭载于水下滑翔机上的水听器在其上浮或下沉的过程中接收声信号，利用每一帧接收信号的空间位置变化，对信号进行时间帧划分等效虚拟成一个垂直阵列，再进行虚拟垂直阵列信号的空时联合处理，获得信号处理增益，从而实现对水下线谱目标的远距离探测。如图1所示，深海声传播存在明显的声汇聚区和声影区效应，滑翔机探测系统位于汇聚区则有利于探测，位于影区则不利于探测到目标，不同距离的目标声汇聚区深度不同，因此滑翔机探测系统要具有多个深度声信号采集记录能力，以保证探测设备可以对位于不同距离的目标进行有利探测。滑翔机探测工作状态示意图如图2所示，探测时保持大倾角滑翔的运动状态下行运动，工作时可采集到不同深度层的声信号。滑翔机可搭载单个或者多个位于机身不同位置的水听器对声信号进行同步采集存储，并且滑翔机平台同时搭载深度计和罗经同步采集存储深度和罗经信息。滑翔机声学探测系统主要有5部分组成，分别是声学数据采集存储系统、深度采集系统、罗经数据采集系统、探测信号处理系统，GPS系统。具体探测方法步骤如图3所示。步骤1：在水下滑翔机平台上搭载水听器、罗经系统、声速梯度仪、深度计以及GPS系统，水下滑翔机平台在水平和深度二维方向上进行滑翔机动，同时采集存储由水听器记录的声学信号(声波信号，水中各种声源产生的声音信号混合在一起总的声音信号)、由罗经系统记录的罗经姿态、由深度计记录的水下滑翔机平台深度、声速梯度仪记录的声速(滑翔机所在的位置声波传播的速度)参数信息，滑翔机出水时可获取在水面的GPS位置信息；所述罗经系统型号为美国PNI公司的TCM3电子罗经；步骤2：基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；步骤3：将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；步骤4：将步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹拟合成虚拟垂直阵阵型，对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，得到不同虚拟扫描量(设定的一个时延或者相移的扫描变量)的虚拟垂直阵列波束谱输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤1：在水下滑翔机平台上搭载水听器、罗经系统、声速梯度仪、深度计以及GPS系统，水下滑翔机平台在水平和深度二维方向上进行滑翔机动，同时采集存储由水听器记录的声学信号、由罗经系统记录的罗经姿态、由深度计记录的水下滑翔机平台深度、声速梯度仪记录的声速参数信息，滑翔机出水时可获取在水面的GPS位置信息；步骤2：基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；步骤3：将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；步骤4：将步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹拟合成虚拟垂直阵阵型，对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，得到不同虚拟扫描量的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；若步骤4中得到的虚拟阵波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；若步骤4中得到的虚拟阵波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；步骤5：对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率；步骤6：若步骤4中得到的虚拟阵波束谱输出存在多个峰值时则分别对每个峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到多目标线谱频率。...

【技术特征摘要】
1.一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤1：在水下滑翔机平台上搭载水听器、罗经系统、声速梯度仪、深度计以及GPS系统，水下滑翔机平台在水平和深度二维方向上进行滑翔机动，同时采集存储由水听器记录的声学信号、由罗经系统记录的罗经姿态、由深度计记录的水下滑翔机平台深度、声速梯度仪记录的声速参数信息，滑翔机出水时可获取在水面的GPS位置信息；步骤2：基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；步骤3：将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；步骤4：将步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹拟合成虚拟垂直阵阵型，对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，得到不同虚拟扫描量的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；若步骤4中得到的虚拟阵波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；若步骤4中得到的虚拟阵波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；步骤5：对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率；步骤6：若步骤4中得到的虚拟阵波束谱输出存在多个峰值时则分别对每个峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到多目标线谱频率。2.根据权利要求1所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤2中基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；具体过程为：步骤21、根据滑翔机的入水点和出水点的GPS位置信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息；步骤22、根据滑翔机搭载的深度计计算出滑翔机的垂直运动速度；步骤23、利用滑翔机搭载的罗经系统记录的罗经姿态获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵；步骤24、基于步骤21、步骤22、步骤23、步骤24，利用导航定位坐标转换公式推算得到滑翔机水下运动轨迹。3.根据权利要求1或2所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤21中根据滑翔机的入水点和出水点的GPS位置信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息；具体过程为：假设入水点和出水点两位置的GPS坐标为Gr＝(Xr,Yr)和Gc＝(Xc,Yc)，其中，Xr,Xc为经度，Yr,Yc为纬度；通过求解入水点和出水点两点之间的弧长得到距离；将经纬度转换为弧度：Y′r＝Yr*π/180X′r＝Xr*π/180Y′c＝Yc*π/180X′c＝Xc*π/180其中，Y′r为由入水点纬度转换的弧长，X′r为由入水点经度转换的弧长，Y′c为由出水点纬度转换的弧长，X′c为由出水点经度转换的弧长；*表示乘号；则，两点之间的南北向距离为dY＝RG*|(Yr′-Yc′)|，东西向距离为dX＝RG*|(Xr′-Xc′)|；其中，RG表示地球半径，RG＝6371.0km；设滑翔机下潜上浮形成一个剖面的时间为T，得出滑翔机所处运动区域的南北向和东西向的平均洋流流速分别VY＝dY/T，VX＝dX/T。4.根据权利要求3所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤22中根据滑翔机搭载的深度计计算出滑翔机的垂直运动速度；具体过程为：将滑翔机当前时刻记录的水下滑翔机平台深度信息对时间求导即得到t时刻滑翔机的垂直运动速度VZ(t)；设t时刻测得的水下滑翔机平台深度信息为h(t)，则滑翔机的垂直运动速度VZ(t)的计算公式为：VZ(t)＝dh(t)/dt其中，d表示求导数。5.根据权利要求4所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤23中利用滑翔机搭载的罗经系统记录的罗经姿态获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵；具体过程为：设t时刻的姿态转移矩阵表示为R(t)；水下滑翔机平台的前进方向作为X'轴正方向，将与X'轴方向垂直的机翼延展方向作为Y'轴，Z'轴为采用右手坐标系情况下与X'oY'平面垂直的方向；根据罗经安装方式，将沿水下滑翔机平台X'轴逆时针旋转的角度作为横滚角r(t)，将水下滑翔机平台自身轴线偏向海底与水平方位的夹角作为俯仰角即水下滑翔机平台沿Y'轴顺时针旋转的角度；将水下滑翔机平台在行进时偏向东与正北方向的夹角作为航向角θ(t)；姿态转移矩阵计算公式为：其中，R(t)为姿态转移矩阵。6.根据权利要求5所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤24中利用导航定位坐标转换公式推算得到滑翔机水下运动轨迹；具体过程为：根据滑翔机的垂直运动速度和每一个时刻的姿态转移矩阵，获得滑翔机在重力和浮力作用下第t时刻的瞬...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大军，吕云飞，梅继丹，兰华林，滕婷婷，师俊杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23