一种应用于潜器平台水下声信标搜探的梳形路径设计方法技术

本发明专利技术提出一种应用于潜器平台水下声信标搜探的梳形路径设计方法，所述方法包括声纳作用距离预测、梳形路径间隔计算和梳形路径实施。在声纳作用距离预测中，对优质因数及声传播损失分布进行了计算，获得了声纳作用距离的准确估计；梳形路径间隔计算考虑了搜探效率与探测概率，通过引入海底起伏余量及作用距离余量建立了计算公式，并将所预测的声纳作用距离带入公式获得了优化的梳形路径间隔；梳形路径实施根据所计算的梳形路径间隔及潜器航程合理规划潜器梳形路径，设计出潜器平台水下声信标搜探路径。本发明专利技术可应用于飞机、舰船黑匣子搜索，失事潜艇、潜器营救等场景。采用本发明专利技术所设计的梳形搜探路径能有效提高搜探系统的搜探效率与探测概率。

A Comb Path Design Method for Underwater Soundbeacon Search of Submarine Platform

【技术实现步骤摘要】
一种应用于潜器平台水下声信标搜探的梳形路径设计方法
本专利技术属于声信标搜探
，特别是涉及一种应用于潜器平台水下声信标搜探的梳形路径设计方法。
技术介绍
黑匣子声信标搜探技术，广泛应用于失事舰船与飞机的搜索、潜艇营救等场合，特指利用水下声信标所发射水声信号对水下声信标进行定位的一项技术。传统的水下声信标搜探主要利用水面舰船平台实现，受到水声作用距离的限制，无法完成深海区域搜探。采用自主式水下潜器(AutonomousUnderwaterVehicle，潜器)平台，可以有效避免这一限制。潜器可下潜至较深海域，提高了水下声信标搜探深度，可作用于深海区域搜探；而且潜器可以沿预定航路自主行驶，节约了人力成本，具有重要的经济意义。潜器平台水下声信标搜探的一个关键问题是进行航路规划，即：设计潜器的行驶轨迹，使声信标搜探效率与探测概率最优化。最常用的规划航路为梳形路径。梳形路径的一个关键参数为梳形路径间隔，现有的航路规划中梳形路径间隔往往是根据经验设定的，这样，一方面在声纳作用距离较远时易形成对搜探面积的重复覆盖，降低了搜探效率；而另一方面在声纳作用距离较近时产生了未覆盖区域，降低了探测概率。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种应用于潜器平台水下声信标搜探的梳形路径设计方法。采用本专利技术所述方法可有效保证水下声信标搜探质量，避免搜探效率与探测概率的下降。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种应用于潜器平台水下声信标搜探的梳形路径设计方法，所述方法包括三个步骤：声纳作用距离预测、梳形路径间隔计算及梳形路径实施；步骤一：声纳作用距离预测，在声纳作用距离预测中，首先基于声纳方程计算优质因数，然后根据射线声学相关知识计算声传播损失的分布情况，最后综合优质因数与声传播损失分布获得声纳作用距离的准确估计；步骤二：梳形路径间隔计算，梳形路径间隔计算引入海底起伏余量及作用距离余量，建立了优化计算公式；将上一步骤所估计的声纳作用距离作为设计输入，代入优化计算公式获得了梳形路径间隔的优化计算结果；步骤三：梳形路径实施，梳形路径实施根据所述梳形路径间隔的优化计算结果，结合潜器的航程信息进行潜器梳形路径规划，设计出潜器平台水下声信标搜探路径。进一步地，根据声纳方程，在声纳的作用距离内，有：(SL-NL+DI-DT)≥TL(1)式中：SL为声信标声源级；NL为噪声声源级；DI为信号处理增益，所述信号处理增益包括时间处理增益与空间处理增益；DT为检测阈；TL为传播损失；(SL-NL+DI-DT)统称为优质因数。进一步地，基于优质因数与声传播损失，进行声纳作用距离估计的具体步骤如下：第一步：根据声信标声源级、噪声声源级、信号处理增益及检测阈确定优质因数(SL-NL+DI-DT)；第二步：根据现场水文情况和声信标频率信息确定声传播损失分布；第三步：选取使声传播损失小于等于优质因数的最大距离作为声纳作用距离的估计值。进一步地，步骤二中引入海底起伏余量dS及作用距离余量RS；假设海底起伏在d±dS范围内变化，d为海底深度，则潜器相对于声信标的深度差最大值为：hS＝max(h-dS,h+dS)(3)式中，h为潜器航行深度；则，引入两个余量后的梳形路径间隔S的优化计算公式为：式中，R为估计的声纳作用距离。进一步地，所述梳形路径间隔指的是两相邻梳齿之间的间隔。进一步地，在步骤二中，已经通过优化计算，得到梳形路径间隔的优化计算结果，结合梳形路径宽度L及潜器的航程K，所述梳形路径宽度L满足L＞＞S，则单个潜器在航程内所能覆盖的搜探区域面积为：由式可见，每个潜器在航程内所能覆盖搜探区域仅与潜器航程及梳形路径间隔有关，而与梳形路径宽度无关。本专利技术的有益效果：当潜器采用本专利技术所设计的梳形路径进行声信标搜探时，可以有效提高搜探效率及探测概率。附图说明图1为不同深度、不同距离下的声传播损失分布图；图2为扫描效率及探测概率随梳形路径间隔的变化曲线图；图3为梳形路径间隔优化示意图；图4为不同余量要求下的梳形路径间隔图；图5为梳形路径设计的结果及其相应的覆盖搜探区域示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提出一种应用于潜器平台水下声信标搜探的梳形路径设计方法，所述方法包括三个步骤：声纳作用距离预测、梳形路径间隔计算及梳形路径实施；步骤一：声纳作用距离预测，在声纳作用距离预测中，首先基于声纳方程计算优质因数，然后根据射线声学相关知识计算声传播损失的分布情况，最后综合优质因数与声传播损失分布获得声纳作用距离的准确估计；步骤二：梳形路径间隔计算，梳形路径间隔计算引入海底起伏余量及作用距离余量，建立了优化计算公式；将上一步骤所估计的声纳作用距离作为设计输入，代入优化计算公式获得了梳形路径间隔的优化计算结果；该结果是在保证100％探测概率下，对于探测效率的最优化。步骤三：梳形路径实施，梳形路径实施根据所述梳形路径间隔的优化计算结果，结合潜器的航程信息进行潜器梳形路径规划，设计出潜器平台水下声信标搜探路径。具体步骤一：声纳作用距离预测。声纳作用距离预测是进行声信标航路规划的先决条件。只有在确知声纳作用距离后，才能根据声纳作用距离确定梳形路径间隔，避免对声信标搜探的漏扫。根据声纳方程，在声纳的作用距离内，有：(SL-NL+DI-DT)≥TL(1)式中：SL为声信标声源级；NL为噪声声源级；DI为信号处理增益，包括时间处理增益与空间处理增益；DT为检测阈；TL为传播损失。(SL-NL+DI-DT)统称为优质因数，只有当优质因数大于声传播损失时，搭载于潜器的声纳才可能检测到声信标所发射的声信号。图1所示为在声信标位于海底时，潜器处在不同深度、不同距离下的传播损失分布图。其中，图1(a)为浅海分布，图1(b)为深海分布。可见，在浅海中，同一深度下，TL随距离基本呈单调变化；而在深海中，由于主声线的存在(图中的正弦曲线)，TL随距离变化有一定震荡。实际应用时，基于优质因数与声传播损失，进行声纳作用距离预测的具体步骤如下：第一步：根据声信标声源级、噪声声源级、信号处理增益及检测阈确定优质因数(SL-NL+DI-DT)；第二步：根据现场水文情况、声信标频率等信息确定传播损失分布；第三步：选取使传播损失小于等于优质因数的最大距离作为声纳作用距离的估计值。具体步骤二：梳形路径间隔计算。梳形路径间隔指的是两相邻梳齿之间的间隔。梳形路径间隔是梳形路径设计的一个主要参数，其会直接影响搜索效率与探测概率两个关键指标。图2所示为梳形路径间隔对搜索效率及探测概率的影响曲线。可见，随着梳形路径间隔的增大，搜索效率提高，但探测概率显著下降。因此，探测概率和搜索效率对于梳形路径间隔的要求是相互矛盾的。对梳形路径间隔进行优化，在保证探测概率的同时尽可能提高搜索效率则更为必要。图3所示为梳形路径间隔优化的示意图。图中：h为潜器航行深度；d为海底深度(假定声信标位于海底平面)；S为梳形路径间隔，R为估计的声纳作用距离。如图3所示，在理想情况下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于潜器平台水下声信标搜探的梳形路径设计方法，其特征在于：所述方法包括三个步骤：声纳作用距离预测、梳形路径间隔计算及梳形路径实施；步骤一：声纳作用距离预测，在声纳作用距离预测中，首先基于声纳方程计算优质因数，然后根据射线声学相关知识计算声传播损失的分布情况，最后综合优质因数与声传播损失分布获得声纳作用距离的准确估计；步骤二：梳形路径间隔计算，梳形路径间隔计算引入海底起伏余量及作用距离余量，建立了优化计算公式；将上一步骤所估计的声纳作用距离作为设计输入，代入优化计算公式获得了梳形路径间隔的优化计算结果；步骤三：梳形路径实施，梳形路径实施根据所述梳形路径间隔的优化计算结果，结合潜器的航程信息进行潜器梳形路径规划，设计出潜器平台水下声信标搜探路径。

【技术特征摘要】
1.一种应用于潜器平台水下声信标搜探的梳形路径设计方法，其特征在于：所述方法包括三个步骤：声纳作用距离预测、梳形路径间隔计算及梳形路径实施；步骤一：声纳作用距离预测，在声纳作用距离预测中，首先基于声纳方程计算优质因数，然后根据射线声学相关知识计算声传播损失的分布情况，最后综合优质因数与声传播损失分布获得声纳作用距离的准确估计；步骤二：梳形路径间隔计算，梳形路径间隔计算引入海底起伏余量及作用距离余量，建立了优化计算公式；将上一步骤所估计的声纳作用距离作为设计输入，代入优化计算公式获得了梳形路径间隔的优化计算结果；步骤三：梳形路径实施，梳形路径实施根据所述梳形路径间隔的优化计算结果，结合潜器的航程信息进行潜器梳形路径规划，设计出潜器平台水下声信标搜探路径。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据声纳方程，在声纳的作用距离内，有：(SL-NL+DI-DT)≥TL(1)式中：SL为声信标声源级；NL为噪声声源级；DI为信号处理增益，所述信号处理增益包括时间处理增益与空间处理增益；DT为检测阈；TL为传播损失；(SL-NL+DI-DT)统称为优质因数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁国龙，孙思博，付进，王燕，郑策，齐滨，张光普，王逸林，邹男，王晋晋，
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