一种水下目标定位方法技术

本发明专利技术公开了一种水下目标定位方法，目的是找出水下目标电磁扰动的有效范围，研究水下目标定位精度与其长轴和经纬度夹角的关系，通过多尺度检测方法提高水下目标探测定位的实时性、准确性。根据分布式高压输电网络工频电磁场与水下金属目标的相互作用规律，通过检测空间中的电磁场异常来识别与探测多个不同方向水下目标的位置。首先建立不同体积尺度的水下目标模型，观察水下目标的体积大小和电磁扰动范围的关系，然后建立多方向水下目标模型，分析水下目标轴向和经纬度夹角对定位精度的影响，获取大尺度、中尺度、小尺度上观测平面的工频电磁场分布数据，分析电磁场异常信号，从而探测水下目标所在的位置。

An underwater target location method

【技术实现步骤摘要】
一种水下目标定位方法
本专利技术涉及工频电磁场探测技术、信号处理技术的交叉领域，更具体地，涉及一种水下目标定位方法。
技术介绍
金属壳体沉船目标是海洋勘探中广泛研究的对象，这类对象往往大小形态各异。不同体积的水下目标产生的电磁异常范围不同。遍布全世界的高压输/变/用电网络会产生工频电磁场，水下金属目标的存在会改变整个空间的电磁场分布，在外界的工频电磁场中会产生交变电磁反应信号，同时目标产生的工频电磁场扰动会传播到空间中的其他位置，而水下目标的体积不同，产生的交变电磁反应信号的传播范围也不同。过去专利中关于利用工频电磁场探测水下目标的方法没有讨论水下航行器的轴向在经纬度坐标系中的方向，缺少对水下航行器方向的不同对探测准确度影响的考虑。水下目标的方向问题影响探测精度、难点。由于船型物体的长轴和短轴的长度不同，不同方位的沉船、水下航行器以及不规则的金属矿物资源对周围探测环境的影响也不同，在探测时需要注意到水下金属腔体的对探测产生的影响的方向性。传统的水下目标探测手段通常是采用声呐探测方式，通过接收被探测对象的声呐回波来感知目标的方位。利用声呐探测沉船等水下目标存在着一些问题，沉船往往会受到海洋泥沙的覆盖，而声呐手段很容易受到海底起伏地形的干扰，从而带来较大的检测虚警。同时，声学探测要布置大量的探测阵列，耗费巨大，也极易受到海洋背景噪声的干扰。声学探测手段已经很难远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下目标，无法满足我国广阔海域的探测需求，因此亟需发展更高精度的多方向非声遥感探测手段来探测水下目标。在分布式电网辐射场中水下航行器扰动的有效强度在空间范围受限。对水下航行器的高精度探测需要对其进行不同尺度上的定位，以及进一步的精确打捞。当发现水下航行器时，首先进行大尺度探测，在一个大的探测区域内，快速获取电磁探测仪的测量数据。通过大尺度定位到的疑似区域，缩小探测范围，对其进行更细尺度的精确测量，确定最小深度，确保航行安全。考虑尺度因素对遥感数据空间关系的影响，目标区域内一些小的波动在大比例尺图像上会消失，因此在多尺度遥感数据检索中会面对不同尺度上电磁异常大小增减等一系列问题，使用多尺度的数据处理方法对空间关系进行描述。同时，考虑到电磁干扰形状在不同尺度下差异较大，用电磁干扰几何中心之间的距离表示他们的距离关系，考虑到不同尺度下绝对距离不同，将进行标准化处理。因此，可以通过在不同尺度上遥感探测目标海域的工频电磁场异常发现并定位水下目标的位置。虽然理论上单一精细化建模可以模拟水下目标在电磁环境中的情况，但庞大的数据量会使数据溢出，并且水下目标的方向不一致性带来的仿真数据结果不同会共同作用并导致结果失真，故需在提高尺度间性能传递认知度的同时，寻找精度和模型方位计算代价的平衡点，即建立同时具备多种尺度属性的不同方向的水下目标模型。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于解决现有模型模拟水下目标在电磁环境中的情况，数据量庞大，且水下目标的方向不一致性带来的仿真结果失真的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种水下目标定位方法，包括以下步骤：(1)建立多体积、多方向水下目标仿真模型及空间域；(2)将水下目标看作金属腔体，探测水下目标对输电网络产生的工频电磁场的影响；(3)基于所述水下目标仿真模型及空间域，根据所述水下目标对所述工频电磁场的影响确定水下目标的位置。可选地，所述步骤(1)包括如下步骤：(1.1)建立水下目标模型，水下目标模型为一个空心组合体，表示为：Mtarget＝(Vtarget，P，mtarget，Dtarget)其中，Mtarget表示水下的模型抽象，Vtarget表示水下目标的几何描述，P表示水下目标中心的位置坐标，mtarget表示目标的材料属性，Dtarget表示目标的方向；(1.2)建立空间域中多体积水下目标模型：Vtarget＝(al，bs，ch)；其中，al，bs，ch表示将水下目标视为一个椭球体对应的长轴、短轴和高度轴对应的长度；预设不同体积的水下目标，不同目标对应的al，bs，ch参数不同；(1.3)建立空间域中多方向水下目标模型：Dtarget＝(θ1，θ2，θ3，…θn)；水下目标处于不同方向时，在电磁环境中产生的电磁异常随着方向的变化有所不同，θi表示第i个方向上水下目标与地球经纬坐标系中纬线的夹角，1≤i≤n；(1.4)建立分布式高压输电网络模型与空间域模型以高压输电网络作为仿真模型的激励源，获取高压输电网络的节点分布和输电环路分布，在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型；高压输电网络在空间中产生工频电磁场，建立一个包括空气和水体空间域模型作为整个仿真过程中的实际计算域，在COMSOL建模时，将空气和水体均设置为长方体，对空间计算域的不同区域赋予不同的材料属性；在进入COMSOL电磁场仿真计算之前，有限元网格划分是至关重要的一步，由于空气和水体都是用长方体描述，而水下目标模型则是用空心组合体描述，分别对着两种几何模型进行不同精细度的网格划分；对仿真域进行网格划分之后，边界条件设定，进行仿真计算，基于Maxwell方程组，可以建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场方程；设置求解控制参数，设置迭代计算步数和仿真频率，对输电网络工频电磁场方程求解。可选地，通过修改al，bs，ch的具体数值模拟不同体积的水下目标，找出水下目标的体积对扰动范围的影响。可选地，在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型，具体包括如下步骤：在COMSOL的组件一栏的几何组件下创建曲线层，曲线是输电环路的几何描述，即仿真模型的激励源，根据输电网络的节点分布和输电环路信息设置曲线的参数，构建完曲线的位置分布后，根据电网中不同输电环路输送电流和传输电压的大小来对模型中的激励源赋值。可选地，分别对着两种几何模型进行不同精细度的网格划分，具体包括如下步骤：将水下目标网格划分模式设置为极端细化模式，将水体层和空气层网格划分模式设置为特别细化模式，COMSOL软件根据整个几何模型的大小自动地设置网格的大小，所述极端细化模式的细化精度高于所述特别细化模式。可选地，所述步骤(2)包括如下步骤：输电网络自身会在周围空间产生工频电磁场，假设某个地区的电网产生的在空间中任一点产生的工频电磁场为水下目标看作大型金属腔体，金属在工频电磁场做会产生感生电磁场那么空间中任一点的电磁场为：其中表示输电网络产生的工频电磁场，表示激励源作用于金属腔体上产生的感生电磁场，表示二者的矢量和，x，y，z表示空间坐标系下的三个坐标，t表示时间；将m个工频电磁场探测仪组成的探测组分别沿着相互平行的m条航线飞行，每条航行上对应一个工频电磁场探测仪，m大于1的整数，航线间的距离为d，获取航线上的工频电磁场分布，对飞行平面建立直角坐标系，在飞行平面内航线平行于x轴，对工频电磁场探测仪设置一个探测窗口，其航行直线的方程为：其中，Ll表示平行于x轴的直线，yl为该平行于x轴航线的坐标，H是观测直线的高度，通过分析观测直线上的电磁场强度变化，确定目标的存在造成空间的电磁场异常变化。可选地，所述步骤(3)包括如下步骤：(3.1)利用空基探测找出水下目标有效扰动范围在利用空基探测水下目标有效扰动范围和体积大小关系时，预设每个探测组航线间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立多体积、多方向水下目标仿真模型及空间域；(2)将水下目标看作金属腔体，探测水下目标对输电网络产生的工频电磁场的影响；(3)基于所述水下目标仿真模型及空间域，根据所述水下目标对所述工频电磁场的影响确定水下目标的位置。

【技术特征摘要】
1.一种水下目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立多体积、多方向水下目标仿真模型及空间域；(2)将水下目标看作金属腔体，探测水下目标对输电网络产生的工频电磁场的影响；(3)基于所述水下目标仿真模型及空间域，根据所述水下目标对所述工频电磁场的影响确定水下目标的位置。2.根据权利要求1所述的水下目标定位方法，其特征在于，所述步骤(1)包括如下步骤：(1.1)建立水下目标模型，水下目标模型为一个空心组合体，表示为：Mtarget＝(Vtarget，P，mtarget，Dtarget)其中，Mtarget表示水下的模型抽象，Vtarget表示水下目标的几何描述，P表示水下目标中心的位置坐标，mtarget表示目标的材料属性，Dtarget表示目标的方向；(1.2)建立空间域中多体积水下目标模型：Vtarget＝(al，bs，ch)；其中，al，bs，ch表示将水下目标视为一个椭球体对应的长轴、短轴和高度轴对应的长度；预设不同体积的水下目标，不同目标对应的al，bs，ch参数不同；(1.3)建立空间域中多方向水下目标模型：Dtarget＝(θ1，θ2，θ3，…θn)；水下目标处于不同方向时，在电磁环境中产生的电磁异常随着方向的变化有所不同，θi表示第i个方向上水下目标与地球经纬坐标系中纬线的夹角，1≤i≤n；(1.4)建立分布式高压输电网络模型与空间域模型以高压输电网络作为仿真模型的激励源，获取高压输电网络的节点分布和输电环路分布，在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型；高压输电网络在空间中产生工频电磁场，建立一个包括空气和水体空间域模型作为整个仿真过程中的实际计算域，在COMSOL建模时，将空气和水体均设置为长方体，对空间计算域的不同区域赋予不同的材料属性；在进入COMSOL电磁场仿真计算之前，有限元网格划分是至关重要的一步，由于空气和水体都是用长方体描述，而水下目标模型则是用空心组合体描述，分别对着两种几何模型进行不同精细度的网格划分；对仿真域进行网格划分之后，边界条件设定，进行仿真计算，基于Maxwell方程组，可以建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场方程；设置求解控制参数，设置迭代计算步数和仿真频率，对输电网络工频电磁场方程求解。3.根据权利要求2所述的水下目标定位方法，其特征在于，通过修改al，bs，ch的具体数值模拟不同体积的水下目标，找出水下目标的体积对扰动范围的影响。4.根据权利要求2所述的水下目标定位方法，其特征在于，在COMSOL的几何建模过程中建立输电网络的模型，具体包括如下步骤：在COMSOL的组件一栏的几何组件下创建曲线层，曲线是输电环路的几何描述，即仿真模型的激励源，根据输电网络的节点分布和输电环路信息设置曲线的参数，构建完曲线的位置分布后，根据电网中不同输电环路输送电流和传输电压的大小来对模型中的激励源赋值。5.根据权利要求2所述的水下目标定位方法，其特征在于，分别对着两种几何模型进行不同精细度的网格划分，具体包括如下步骤：将水下目标网格划分模式设置为极端细化模式，将水体层和空气层网格划分模式设置为特别细化模式，COMSOL软件根据整个几何模型的大小自动地设置网格的大小，所述极端细化模式的细化精度高于所述特别细化模式。6.根据权利要求1所述的水下目标定位方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下步骤：输电网络自身会在周围空间产生工频电磁场，假设某个地区的电网产生的在空间中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天序，郑嫣然，吴一凡，董一斐，房莹，曹少平，杨柳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42