一种水下目标被动定位的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开一种水下目标被动定位的系统和方法，水下传感器设备用于采集水下目标的噪声信号，获取并发送所述噪声信号的能量信息；浮标设备与传感器设备相通信，将所述能量信息转发给中心处理设备，并且所述浮标设备充当系统的锚点；中心处理设备，与浮标设备相通信，用于根据所接收的所述能量信息和所述锚点的信息基于最大似然法获取水下目标的方位。本发明专利技术可以用于水下航行器、鲸鱼、水下爆炸声源等水下发声体的定位，完成目标在水下环境的监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及声纳信号处理
，更具体地，本专利技术涉及一种水下目标 :故动定4立的系统和方法。
技术介绍
水下目标被动定位是声纳信号处理的重要研究课题，其利用目标本身辐射 的信号对目标方位进行估计，定位系统不需要发出任何信号，具有相当强的隐 蔽性。传统的水下目标被动定位系统基于水听器阵列，依据测量基元接收到的 相关信号在空间或时间上的某种分布特性来完成目标的被动定位，采用阵列信号处理方法，例如到达时延差(TD0A)和方位估计值(D0A)的估计，得到目标 距测量中心的距离或与测量中心的角度信息，采用基于几何原理的方法获得目 标的被动定位，测量系统可为舰船的拖曳线列阵，或悬挂于声纳浮标的垂直阵， 所使用的单站观测所不能直观地反映目标与测量中心或参考中心的坐标关系； 该定位系统被动目标定位的计算复杂度大，定位精度主要取决于阵元孔径而致 使基阵尺度难于控制，增加孔径导致定位系统庞大难于快速实施。该定位方法 受到阵元孔径、不同阵元接收信号相关特性等限制，当为了增加定位精度而增 大孔径时，基阵尺度难于测量，形状不容易控制，且各阵元接收到的信号相关 性减小，影响了定位的精度增加了处理的复杂性，并且定位方法存在难于相交， 定位误差大，监测区域有限且存在定位盲区的不足之处。
技术实现思路
4为克服现有水下目标定位中计算复杂、精度差的缺陷，本专利技术提出了一种 水下目朽》故动定位的系统和方法。根据本专利技术的一个方面，提出了一种水下目标被动定位的系统，包括 多个水下传感器设备，用于采集水下目标的噪声信号，发送所述噪声信号 的能量信息；三个或者多个浮标设备，分别与所述一个或者多个传感器设备相通信，将 所述能量信息转发给中心处理设备，并且所述浮标设备充当系统的锚点；和中心处理设备，与所述多个浮标设备相通信，用于根据所接收的所述能 量信息和所述锚点的位置信息获取水下目标的方位。其中，所述多个水下传感器设备与多个浮标设备的通信釆用声无线通信或 者有线通信，多个浮标设备与中心处理设备的通信可以釆用无线电通信或者有 线通信。其中，所述水下传感器设备通过所述锚点的位置信息和自身与锚点的方位 关系获取自身的位置信息；或者所述锚点通过其位置信息和所述水下传感器设 备与自身所处水下网络拓朴关系获取所述水下传感器设备的位置信息。其中，所述一个或者多个水下传感器设备与一个或者多个浮标设备的位置 可以随机布置，也可以按照诸如方形或菱形的拓朴结构布置。其中，所述水下传感器设备包括传感器模块，用于采集、整理目标噪声及水下环境信息的数据； 处理4莫块，用于将所述传感器模块采集的数据进行能量估计运算，并分析 估计的方差；通信-漠块，用于实现水下传感器设备之间的声载波无线链接，进行信息的 传递。其中，所述浮标设备通过其上安装的GPS装置完成自身定位，充当系统中 的锚节点。根据本专利技术的另 一方面，提出了 一种使用上述任何系统的水下目标被动定步骤10)、所述传感器设备接收并测量水下目标噪声信号，根据水下声波 传输原理建立的噪声信号能量传播模型获取所述噪声信号的能量信息；步骤20)、所述浮标设备接收所述能量信息，并获取所述传感器设备的位 置信息；步骤30)、所述中心处理设备接收所述能量信息和所述传感器设备的位置 信息，采用最大似然法，估计目标的方位信息。其中，步骤10)还包括所述系统中的所述传感器设备、所述浮标设备以及所 述中心处理设备之间的同步。步骤IO)中，基于水下声波传输原理的所述能量信息为/^)=五&(, )}，其 中，z, =f vK义，S) + ", hl,2…iV ,其中，^为目标辐射信号，k为水下目标数目，^,(.)为水下空间传输函数，(义,30为目标与传感器距离，",为噪声。其中，步骤20 )还包括，所述传感器设备通过所述浮标设备的位置信息和自 身与所述浮标设备的方位关系获取自身的位置信息并传送给所述浮标设备；或 者所述浮标设备通过其位置信息和所述水下传感器设备与自身的方位关系获取 所述水下传感器设备的位置信息。其中，步骤30)中，采用最大似然法估计的水下目标的坐标矢量为^,mjn/肌⑨，/Mi(。 = ||Z-HS|2,其中，Z = ,s = 7'，《0 AW.) ... ^(') 《0……,其中，A=《，A2=2cr,i/M乂O…本专利技术通过水下目标的被动定位的系统和方法，用于水下航行器、鲸鱼、 水下爆炸声源等水下发声体的定位，完成目标在水下环境的监测，本专利技术可以 广泛地应用于民用和军事领域，在民用领域，可以对特定水域下发声的生物体6如鲸鱼进行定位，辅助科研人员研究该类生物的活动特性；也可以准确地监测 发生海底地震的震源中心的位置；也可以完成对特定海区水下潜艇等航行器的 精确定位，这样能够直观地完成对水下区域的目标的监控任务；也可以精确的 测量水下爆炸点的位置，将其应用于水雷、鱼雷的耙场训练。附图说明图1是基于声传感器网络的水下目标被动定位系统的示意图； 图2是传感器节点的功能模块图3是根据本专利技术的实施例的传感器节点的电路示意图4是基于声传感器网络的水下目标被动定位的方法流程图5是网络初试化的流程图6是水下目标定位的统计模型示意图7是采用全分布式组网络拓朴结构示意图8是根据本专利技术的实施例的单目标被动定位仿真结果示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术提供的 一种水下目标被动定位的系统 牙口方法进4亍"i羊细4苗述。图1为根据本专利技术的一个实施例的基于声传感器网络的水下目标被动定位 系统示意图。利用水下声传感器设备，组成静态的水下声无线传感器监测网络， 如图所示，该系统包括水下传感器设备l、水面的浮标(网关)设备2、无线通 信网络和位于岸基的中心处理设备3。水下传感器设备1通过水下声载波无线方 式和浮标设备2通信，也可以使用线缆的有线方式和浮标设备2通信，实现二 者之间数据的传输。浮标设备2既可以与水下传感器设备进行通信，也可以与 陆上部分的中心处理设备3以及卫星进行无线电波通信。浮标设备2通过其上 安装的GPS系统完成自身的定位，在系统中作为位置已知的锚点，辅助水下声也可以采用固定的方式布置在水面和水下。并且二者可以通过线缆连接或者不 使用线缆连接而通过无线通信。一般情况，传感器设备1处于省电模式，当传感器设备1检测到水下有目 标或者岸基发送定位命令时，水下传感器设备1处于采集状态，通过其上安装 的水听器釆集水下目标辐射的噪声信号，经过能量计算后，检测到目标的水下 传感器设备将该估计的能量信息通过路由协议采用声载波无线通信方式或者有线方式发送给水面的浮标设备2，浮标设备2收集各个水下传感器设备1发来的 信息后将数据传输给搭载中心处理设备3的岸基或舰船上(中心处理设备可为 一台带有无线通信设备的PC),通过基于统计模型的协同目标最大似然被动定 位算法完成对目标的被动定位，最后将结果显示出来。图2示出根据本专利技术实施例的水下传感器设备1的组成结构，主要四个模 块，分别为供电模块、通信模块、处理模块和传感器模块。供电模块完成对整 个设备的电能供给；处理模块是设备的计算单元，采用商业的DSP芯片，负责 将传感器的水听器采集的水下声信号(根据设备所使用的传感器还可以包括深 度、温度、盐度等辅助定位的采集信号)进行能量估计运算，并分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下目标被动定位的系统，包括：　多个水下传感器设备，用于采集水下目标的噪声信号，发送所述噪声信号的能量信息；　三个或者多个浮标设备，分别与所述多个传感器设备相通信，将所述能量信息转发给中心处理设备，并且所述浮标设备充当系统的 锚点；　和中心处理设备，与所述多个浮标设备相通信，用于根据所接收的所述能量信息和所述锚点的信息获取水下目标的方位。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：王彪，李宇，黄海宁，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]