一种基于草原狼跳跃追踪机制的水下目标探测定位方法技术

本发明专利技术属于水下目标定位领域，涉及一种海洋复杂环境下的水下目标电磁定位方法。本发明专利技术的技术方案是设计了一种草原狼跳跃追踪机制来实现海洋复杂环境下的水下目标电磁定位，首先对任意形状不规则的水下目标进行外接椭球体形态等效，将其整体等效为均匀旋转椭球体磁源、其长轴两端等效为双电偶极子源，再根据电磁探测器所接收到的关于双电偶极子源的叠加电磁分量和椭球体源的磁场分量建立双电偶极子源、均匀旋转椭球体磁源的反演误差损失函数，从而实现水下目标探测定位体系中的定位部分，最后利用草原狼跳跃追踪机制，让草原狼在其解空间内随机远距离整数跳跃，选择出猎物气味值最大的整数位置，草原狼在此位置展开邻域追踪搜索，追踪到猎物气味值最大的整数位置后草原狼在此位置展开球体微域追踪搜索，直至追踪到猎物进而实现水下目标的高精准、低耗时定位。位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于草原狼跳跃追踪机制的水下目标探测定位方法


[0001]本专利技术涉及一种海洋复杂环境下的水下目标电磁定位方法，属于水下目标定位领域。

技术介绍

[0002]我国拥有辽阔的海洋领域，并且随着水下作战体系的高智能化发展，水下探测定位技术将更能凸显其重要性，研究表明，声场、磁场、电场等物理场均可应用于水下目标的探测与定位。在海洋复杂环境的背景下，声学探测定位技术不仅极易受到背景噪声、多径干扰、水中生物活动等不确定自然因素的影响，而且随着水下预警系统和水中兵器引信设计中消声等技术的发展，声学探测定位技术的稳定性、可靠性将不断受到更严峻的挑战。因此，急需打破常规，在非声学领域研究水下目标探测定位技术，去进一步增加水下目标探测定位技术的可靠性、稳定性。
[0003]由于海水腐蚀、阴极防腐措施以及水下运动目标切割地磁场等多因素的共同影响，无论水下目标的状态是静止还是运动，在其周围海水中都将存在着不可避免的电场，它也就具备了一定了电场源特性；由于水下目标的钢制材料在地球磁场中会被磁化，它同时又会具备一定的磁场源特性。从电磁场的频率特性上来看，水下目标所产生的电磁场属于极低频电磁场，具有衰减速度慢、传播距离远等特点，属于可以被用作远程探测的物理场。为了响应水下作战体系的智能化发展，克服海洋复杂、未知环境的影响，迎接反探测、反定位技术的挑战，可以将基于电磁学的水下非声学探测技术作为传统水声探测技术的补充。电偶极子和磁偶极子分别是电磁场场源和磁场场源最基本的模拟单元，基于“实体一电磁场源”的等效模型，利用一系列电磁传感器所接收到的探测数据，对电磁场源的参数进行反演从而实现实体定位，是目前常用的水下目标电磁定位方法。
[0004]通过对现有技术文献的检索发现，李涛等在《舰船电子工程》(2015，35(05)：142
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146)上发表的“浅海中时谐水平电偶极子定位研究”中将水下目标实体等效为电偶极子，结合一个电传感器所接收的探测数据和遗传机制进行电场参数反演，从而实现水下目标定位。在其整个水下目标探测定位系统中存在着几点不足：仅用一个电偶极子来等效水下目标，在实际中不具备泛化性；在仿真实验时没考虑海洋噪声，即电传感器所接收的探测数据为理想化数据，在实际中不具备实用性；基于遗传机制的电场参数反演过程速度缓慢、精度不高，从理论上来看，无噪声情况下的定位精度理想值应为100％，在实际中不具备可靠性、实时性。向前等在《探测与控制学报》(2019，41(03)：71
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75)上发表的“基于磁偶极子模型的水下目标定位与追踪”中将水下目标实体等效为磁偶极子，结合双三轴磁传感器所接收的探测数据和非线性最小二乘法反解机制进行磁场参数反演，从而实现水下目标定位。在其整个水下目标探测定位系统中同样存在着几点不足：仅用一个磁偶极子来等效水下目标，在实际中不具备泛化性；基于非线性最小二乘法反解机制的磁场参数反演过程速度缓慢、精度不高；对水下目标的活动范围具有严格的限制等。陈聪等在《华中科技大学学报(自然科学版)》(1
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7[2020
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09
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26])上发表的“半无限大海域中电偶极子源定位方法”中的创新之
处包括使用两个电偶极子来等效水下目标和定义传递矩阵求逆来反演电磁场参数，但是其定位体系极易受到海洋噪声的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是通过检索现有的水下目标电磁定位方法，可以发现其存在着几点不足：(1)仅使用电磁场场源或磁场场源来等效水下目标实体，从而导致探测定位体系缺乏泛化性；(2)基于遗传等智能优化机制或数学反解公式的电磁参数反演过程具有速度缓慢、精度不高、目标活动范围受限等缺点，从而导致探测定位体系缺乏实时性、可靠性，限制了实际应用；(3)在仿真实验时没考虑到海洋噪声的影响或在其影响下，水下目标电磁定位的可靠性呈现大幅下降的趋势。针对现有方法的缺点和不足，本专利技术率先指出：在无海洋噪声情况下的水下目标电磁探测定位体系中的传感器探测环节是非严格单调的，即探测点的电磁强度与探测点、场源点的间距呈负相关关系；根据探测数据反演电磁场源的环节是非严格单调的，即假设场源与真实场源在电磁传感器上的数据误差损失与二者的间距呈正相关关系，并凭此设计了一种草原狼跳跃追踪机制来实现海洋复杂环境下的水下目标电磁定位。首先使用旋转椭球体磁源和双电偶极子源来联合等效水下目标实体，再结合一系列电磁传感器所接收到的探测数据和草原狼跳跃追踪机制来反演电磁场源的位置参数，从而实现水下目标的高精准、低耗时定位。
[0006]本专利技术的效果和益处是：与现有的水下目标电磁探测定位方法相比，本专利技术采用均匀旋转椭球体磁源和双电偶极子源来联合等效水下目标实体，在实际中具有泛化性；采用本专利技术所设计的草原狼跳跃追踪机制和电磁反演误差损失函数来反演电磁源点的位置参数，具有定位速度快、定位精度高、水下目标活动范围广的优势；提出了草原狼跳跃追踪机制，此机制的设计思想涵盖了“先粗搜、后精搜”、“先整数优化、后小数优化”，巧妙的使用笛卡尔坐标系与球坐标系来优化损失函数，极大降低了机制的运算复杂度。
[0007](1)现有的水下目标电磁探测定位方法中，常使用一个电偶极子源或一个磁偶极子源或双电偶极子源来等效水下目标实体。但在实际中，水下目标不仅会由于海水腐蚀、阴极防腐措施以及运动切割地磁场等因素而产生低频电磁场，还会由于其钢制材料部分的磁化现象而产生低频磁场，那么仅用一个电偶极子或一个磁偶极子或双电偶极子源来等效水下目标实体将不具备泛化性，在海洋噪声或无海洋噪声下的定位仿真结果即使再好，其整个水下目标电磁探测定位体系也难以具备实用性。本专利技术首先对任意形状不规则的水下目标进行外接椭球体形态等效，将其整体等效为均匀旋转椭球体磁源、其长轴两端等效为双电偶极子源，双电偶极子源的等效方式借鉴于生活实际，例如将船头、船尾等效为双电偶极子源。再根据电磁探测器所接收到的关于双电偶极子源的叠加电磁分量和关于椭球体源的磁场分量、电磁反演误差损失函数、草原狼跳跃追踪机制来实现水下目标实体的定位。
[0008](2)采用本专利技术的草原狼跳跃追踪机制来反演电磁场源的位置参数，具有精度高、耗时短、水下目标活动范围广的优势。在[
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300m，300m；
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300m，300m；0m，100m]的搜索范围下，对任意一个水下目标的定位仅需要2.8秒，在海洋噪声信噪比为40dB时的定位误差也远小于水下目标的长轴长。
[0009](3)为了与本专利技术所提出的水下目标探测定位体系相结合，本专利技术设计了草原狼跳跃追踪机制来实现其电磁反演定位环节。电磁反演定位问题属于连续优化问题，传统的
优化机制一般会采取二进制编码的方式将其转换为离散优化问题，但这无疑也使计算复杂度剧增；同时电磁反演定位问题又属于非严格单调问题，即假设场源点与真实场源点的间距与二者在电磁探测器上的误差损失呈正相关关系，以遗传机制为例，即使其优化趋势为个体不断接近全局最优，但在其接近过程中存在着随机性，从而会导致大量的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于草原狼跳跃追踪机制的水下目标探测定位方法，本发明的技术方案是：建立旋转椭球体磁源和双电偶极子源的联合等效模型，对任何形状不规则的水下目标进行外接椭球体形态等效，形态等效后的水下目标其自身为旋转椭球体磁源，其长轴两端为电偶极子源；建立双电偶极子源、均匀旋转椭球体磁源的反演误差损失函数，通过前文的分析可知，本发明采用一个均匀旋转椭球体磁源模型和双电偶极子源模型来联合等效水下目标实体，这个水下目标将会在每个电磁探测器上产生9个电磁分量，这相当于搭建了水下目标探测定位体系中的探测部分，根据反演误差损失函数和草原狼跳跃追踪机制，将9
·
I个电磁分量反演为3个电磁源点坐标，从而实现水下目标探测定位体系中的定位部分；初始化草原狼位置记忆并设定参数，设定草原狼的活动领域U＝{u1，u2，u3}坐落于三维笛卡尔坐标系，领域整数界限为其活动领域内三个维度所包含的整数位置数分别为数分别为其中以此类推，设定草原狼跳跃次数为N并对其活动领域的任意整数位置具有记忆性，在第n次跳跃时的位置记忆由表示，其中并与u1相对应，以此类推，初始化草原狼的位置记忆，令令草原狼的活动范围可分为领域、邻域和微域，规定领域为整数边界领域、邻域为基1邻域、微域为球体微域，羁绊搜索次数为Q、微域随机遍历次数为V，rand是[0，1]之间的随机数，羁绊长度为α＝L；草原狼在其活动领域内执行跳跃搜索，草原狼凭借H
n
跳跃到位置其中第一维度是草原狼凭借第n次跳跃时对第一维度位置的记忆从u1中选择得到，u
1x
被选择的概率为以此类推，得到对草原狼的位置记忆进行更新，使其对以往到达过的位置的记忆衰减，更新公式如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡平，姜楷娜，董哲，惠润南，梁超，刘焕英，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七六零研究所，
类型：发明
国别省市：