给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法技术

本申请公开了给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法，属于水下无人航行器集群探测任务规划领域。本申请采用方位队形进行UUV协同编组，基于侧扫声呐参数、探测视场角、海底水深，建立了多UUV协同对海底目标的探测概率模型，并优化编队中UUV间横向间距，以确保以预期探测概率对水底目标探测时的编队有效探测宽度最大。本申请弥补了现有多UUV协同探测队形优化方法未综合考虑声呐同频干扰、实际探测视场范围限制、声呐参数对目标发现概率影响而难以实际应用的不足，有利于在工程实际应用中提升多UUV协同探测作业效率。际应用中提升多UUV协同探测作业效率。际应用中提升多UUV协同探测作业效率。

【技术实现步骤摘要】
给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法


[0001]本申请涉及给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法，属于水下无人航行器集群作业任务规划


技术介绍

[0002]在海底目标探测作业中，单个水下无人航行器(unmanned underwater vehicle,下简称UUV)能源有限、探测能力有限，难以在大范围水域高效完成海底目标搜索，通常采用多个UUV编组形式进行协同探测作业，以提高对目标海域中海底目标的搜索效率。当采用多个UUV进行协同探测作业时，合理设计UUV协同探测队形，对提升多UUV协同探测作业效率具有重要意义。
[0003]针对异构USV和UUV编队水下目标搜索效能最大化问题，邹佳运等人(邹佳运,张文清,曲泓玥,等.面向水下目标搜索的USV&UUV编队协同队形规划[J].无人系统技术,2021,4(3):40
‑
46.)采用被动声呐方程构建了多声呐联合探测概率模型，定义USV与UUV编队在航行方向上对探测范围内各目标发现概率不低于期望概率的探测宽度之和为有效正面探测宽度，通过优化编队队形横间距最大化设计编队有效正面探测宽度，提升编队探测效率。该方法侧重于被动声呐探测，并且忽略声呐实际探测视场角的限制以及声呐同频干扰影响，存在不足。
[0004]生雪莉等人(生雪莉,李鹏飞,郭龙祥,等.基于单平台探测概率模型的水下无人集群部署规划算法[J].水下无人系统学报,2019,27(2):194
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199.)采用主动声呐方程建立多平台协同探测概率模型，以区域探测覆盖率最大化为目标，提出了多水下无人平台协同探测队形优化方法。李鹏飞(李鹏飞.基于水下无人集群协同探测的区域配置优化研究[D].哈尔滨工程大学.)提出了多平台有效探测范围最大化为目标的多平台部署阵位优化设计方法，蒋天皓(蒋天皓.多UUV协同作业阵位部署及效能评估方法研究[D].哈尔滨工程大学)则考虑了UUV侧扫声呐探测视场范围限制，针对大范围空旷海域多UUV协同分布式探测作业建立了多UUV协同探测阵位优化方法。
[0005]虽然前述方法均可用于多UUV编队探测队形优化，但是未能综合考虑UUV搭载声呐的实际探测视场约束、多个声呐之间的同频干扰影响，以及声呐实际设计参数、水深对海底目标协同探测概率的影响，并未考虑UUV航行控制偏差对协同探测覆盖宽度的影响，导致现有多UUV协同探测队形优化方法难以实际工程应用，不利于提升多UUV的协同探测作业效率。

技术实现思路

[0006]本申请目的在于克服前述现有多UUV协同探测队形优化方法考虑因素简单存在的诸多不足，提出一种给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法。实现本专利技术目的的技术方案为：
[0007]步骤一、考虑UUV搭载声呐参数、视场角、海域水深，基于主动声呐方程，构建单个
UUV搭载侧扫声呐对海底目标的探测概率模型，为多UUV协同探测概率模型提供基础；
[0008]步骤二、考虑所述UUV协同探测时声呐同频干扰约束，进行多个相同的所述UUV协同探测队形设计，并构建多UUV对海底目标的协同探测概率模型；
[0009]步骤三、根据所述UUV编队声呐探测范围内海底各目标的最大检测概率，求解给定目标探测概率要求的UUV编队有效正面探测宽度；
[0010]步骤四、以给定目标探测概率要求的多UUV协同有效正面探测宽度最大化为目标，进行所述UUV协同探测队形优化设计，形成给定目标探测概率要求的多UUV协同探测队形优化。
[0011]1)所述UUV搭载的侧扫声呐对海底目标进行探测，记UUV距离海底深度为h，UUV直径为R，侧扫声呐基阵安装角度为α，侧扫声呐最大探测距离为D
max
，垂直开角为α
FOV
，则UUV正下方单边探测盲区宽度L1计算如下：
[0012]L1＝R
×
cos(α)+(h
‑
R
×
sin(α))
×
tan(π/2
‑
α
‑
α
FOV
/2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013]记侧扫声呐在探测斜距最远处的最小探测深度为h
temp
，则
[0014]h
temp
＝D
max
×
cos(π/2
‑
α+α
FOV
/2)+R
×
sin(α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]若h≤h
temp
，则UUV单边探测宽度L2为
[0016]L2＝(h
‑
R
×
sin(α))
×
[tan(π/2
‑
α+α
FOV
/2)
‑
tan(π/2
‑
α
‑
α
FOV
/2)] (3)
[0017]若h>h
temp
，则UUV单边探测宽度L2为
[0018][0019]为确保UUV能探测到海底，h<D
max
×
cos(π/2
‑
α
‑
α
FOV
/2)。
[0020]2)所述UUV搭载的侧扫声呐设为主动声呐，考虑所述的UUV航行作业区域为非浅海区域，定义海底目标与UUV斜距为r、声呐信号余量SE、UUV侧扫声呐的声源级SL、声信号传播损失PL、目标声信号强度TS、背景噪声N、指向性系数DI、声呐脉冲带宽B、检测阈值DT，则考虑噪声限制的主动声呐方程，可求得信号余量SE：
[0021]SE(r)＝SL
‑
2PL(r)+TS
‑
(N
‑
DI+10log
10
B)
‑
DT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0022]则所述UUV搭载的主动声呐对海底目标的瞬时探测概率p(r)为
[0023][0024]式中σ为信号余量标准差；受限于声呐探测视场，当海底目标与UUV横向距离dx∈[L1,L2]，则采用式(6)求解探测概率；若海底目标与UUV横向距离dx∈(0，L1)或dx∈(L2，∞)时，则p(r)＝0。具体的，主动声呐的信号余量标准差σ取值范围7～11dB。
[0025]3)根据所述UUV搭载的主动声呐的设计参数，求解式(5)信号余量中各个参数：
[0026]a.所述声源级SL作为功率的函数，求解如下
[0027]SL＝10log
10
P+170.8+DI
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0028]式中P为声呐阵列功率，侧扫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法，其特征在于，步骤一、考虑UUV搭载声呐参数、视场角、海域水深，基于主动声呐方程，构建单个UUV搭载侧扫声呐对海底目标的探测概率模型，为多UUV协同探测概率模型提供基础；步骤二、考虑所述UUV协同探测时声呐同频干扰约束，进行多个相同的所述UUV协同探测队形设计，并构建多UUV对海底目标的协同探测概率模型；步骤三、根据所述UUV编队声呐探测范围内海底各目标的最大检测概率，求解给定目标探测概率要求的UUV编队有效正面探测宽度；步骤四、以给定目标探测概率要求的多UUV协同有效正面探测宽度最大化为目标，进行所述UUV协同探测队形优化设计，形成给定目标探测概率要求的多UUV协同探测队形优化。2.根据权利要求1所述的给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法，其特征在于，所述UUV搭载的侧扫声呐对海底目标进行探测，记UUV距离海底深度为h，UUV直径为R，侧扫声呐基阵安装角度为α，侧扫声呐最大探测距离为D
max
，垂直开角为α
FOV
，则UUV正下方单边探测盲区宽度L1计算如下：L1＝R
×
cos(α)+(h
‑
R
×
sin(α))
×
tan(π/2
‑
α
‑
α
FOV
/2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)记侧扫声呐在探测斜距最远处的最小探测深度为h
temp
，则h
temp
＝D
max
×
cos(π/2
‑
α+α
FOV
/2)+R
×
sin(α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)若h≤h
temp
，则UUV单边探测宽度L2为L2＝(h
‑
R
×
sin(α))
×
[tan(π/2
‑
α+α
FOV
/2)
‑
tan(π/2
‑
α
‑
α
FOV
/2)]
ꢀꢀꢀ
(3)若h>h
temp
，则UUV单边探测宽度L2为3.根据权利要求2所述的给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法，其特征在于，为确保UUV能探测到海底，h<D
max
×
cos(π/2
‑
α
‑
α
FOV
/2)。4.根据权利要求2所述的给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法，其特征在于，所述UUV搭载的侧扫声呐设为主动声呐，考虑所述的UUV航行作业区域为非浅海区域，定义海底目标与UUV斜距为r、声呐信号余量SE、UUV侧扫声呐的声源级SL、声信号传播损失PL、目标声信号强度TS、背景噪声N、指向性系数DI、声呐脉冲带宽B、检测阈值DT，则考虑噪声限制的主动声呐方程，可求得信号余量SE：SE(r)＝SL
‑
2PL(r)+TS
‑
(N
‑
DI+10log
10
B)
‑
DT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)则所述UUV搭载的主动声呐对海底目标的瞬时探测概率p(r)为式中σ为信号余量标准差；受限于声呐探测视场，当海底目标与UUV横向距离dx∈[L1,L2]，则采用式(6)求解探测概率；若海底目标与UUV横向距离dx∈(0，L1)或dx∈(L2，∞)时，则p(r)＝0。5.根据权利要求4所述的给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法，其特征在于，主动声呐的信号余量标准差σ取值范围7～11dB。6.根据权利要求4所述的给定目标探测概率要求的同构UUV协同探测队形优化方法，其
特征在于，根据所述UUV搭载的主动声呐的设计参数，求解式(5)信号余量中各个参数：a.所述声源级SL作为功率的函数，求解如下SL＝10log
10
P+170.8+DI
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式中P为声呐阵列功率，侧扫声呐采用柱形阵列，则其指向性系数DI＝3+10log
10
n，式中n为声呐阵列中的阵元数量；b.所述传播损失PL受海水吸收衰减及声线传播距离影响，则PL(r)＝20log
10
r+α
d
×
r

【专利技术属性】
技术研发人员：任锐，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七零八研究所，
类型：发明
国别省市：