矢量吊放声纳目标探测方法、反潜系统以及反潜方法

摘要

本发明涉及一种矢量吊放声纳目标探测方法、反潜系统以及方法，目标探测方法包括：无人机吊放声纳；声纳可发射脉冲信号，并且可接收回波信号；对矢量声纳各传感器接收到的回波信号做傅里叶变换，得到声压和振速的互谱；将振速在不同方向上的分量与声压做互谱，取互谱结果的实部，再利用矢量水听器的振速指向性，求得目标声源的预估方位；利用预估方位的目标方位角对回波信号进行空域滤波，提取回波信号的主瓣信号；通过匹配滤波器对回波信号的主瓣信号与原脉冲信号匹配滤波处理，找出输出峰值点对应的时刻，求出目标回波信号的延时，估算出目标的距离。可以准确探测到目标的方位，机动性强、成本低、安全性高可以有效封锁大片海域。

说明书

技术领域

本发明涉及集群矢量吊放声纳反潜技术领域，更具体的说，涉及一种矢量吊放声纳目标探测方法、反潜系统以及方法。

背景技术

航空反潜是“体系反潜”中目标确认、监视巡逻和快速打击的重要一环。与水面舰艇相比，航空反潜具有灵活性强、搜潜范围广、搜索速度快等优点。吊放声纳将声纳与航空平台相结合，可在实现在空中对潜艇等水下目标的探测和定位，是反潜直升机的主要反潜装备之一。随着现代潜艇隐身性能的不断提高，吊放声纳也在不断朝低频远程探测方向发展，这要求换能器基阵尺寸不断扩大。然而受反潜直升机自身空间及载重的限制，吊放声纳的尺寸和重量必须严格控制，这一矛盾严重阻碍了吊放声纳性能的提高。除此之外，当吊放声纳处于主动工作模式时，需依靠发射信号的回波来获取目标的精确方位，这一过程很容易暴露直升机位置，危险系数极高。

矢量水听器是一种新型水声接收换能器，由声压传感器和振速传感器复合而成。相对于常规标量传感器而言，矢量水听器能够获得更多的声场矢量信息，拥有更高的检测性能。矢量水听器的“8”字形指向性决定了单矢量水听器即可用来估计目标方位，而若利用传统声压水听器就需要一个大阵方可做到。在实际工程应用中，矢量水听器还具有抗干扰能力强、低频指向性好等诸多优点，将矢量水听器应用到吊放声纳上对吊放声纳的功能扩展具有重大意义。

基于此，本发明提出了一种集群矢量吊放声纳反潜系统及方法，利用无人平台搭载的矢量吊放声纳集群网络实现对大范围海域的搜潜巡逻，为航空反潜体系增加一种有效手段。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种机动性强、成本低、安全性高的矢量吊放声纳目标探测方法以及反潜系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种矢量吊放声纳目标探测方法，包括：

无人机吊放声纳；

声纳的发射换能器向水下发射脉冲信号；

声纳的矢量水听器接收回波信号；

对矢量水听器接收到的回波信号做傅里叶变换，得到声压和振速的互谱；

将振速在不同方向上的分量与声压做互谱，取互谱结果的实部，再利用矢量水听器的振速指向性，求得目标声源的预估方位；

利用预估方位的目标方位角对回波信号进行空域滤波，提取回波信号的主瓣信号；

通过匹配滤波器对回波信号的主瓣信号与原脉冲信号匹配滤波处理，找出输出峰值点对应的时刻，求出目标回波信号的延时，估算出目标的距离。

进一步的是，所述声纳的发射换能器向水下发射脉冲信号中，所述脉冲信号为线性调频信号和CW信号脉冲信号。

进一步的是，所述对矢量水听器接收到的回波信号做傅里叶变换为快速傅里叶变换算法，得到的声压信号p(t)和振速信号v(t)的互谱为：

进一步的是，所述利用滑动窗时间平均法对互谱结果作平均，得到平均周期图输出，包括：利用滑动窗时间平均法对声压和振速的互谱结果做平均，得到平均周期图输出，利用平均周期图的结果来求得目标声源的预估方位。

进一步的是，所述矢量水听器的振速指向性为：

其中p(t)为声压，θ为水平方位角；

目标声源方位为：

进一步的是，所述匹配滤波处理为时域卷积法处理或者频域匹配滤波处理。

进一步的是，所述进行匹配滤波处理为进行频域匹配滤波处理。

本发明还提供一种集群矢量吊放声纳反潜系统，包括：

指挥平台，用于根据海域面积和声纳的搜潜范围计算所需要无人机的数量，发出指令指挥无人机飞至指定位置，以及发出指令指挥水下潜艇对目标位置发出攻击；

若干无人机，与所述指挥平台信号连接，用于接收所述指挥平台的指令，飞至指定位置，向水下吊放声纳；

若干声纳，分别通过电缆与若干所述无人机相连，用于向水下发射脉冲信息号以及接收回波信号，对回波信号做傅里叶变换，得到声压和振速的互谱，将振速在不同方向上的分量与声压做互谱，取互谱结果的实部，再利用矢量水听器的振速指向性，求得目标声源的预估方位，利用预估方位的目标方位角对回波信号进行空域滤波，提取回波信号的主瓣信号；通过匹配滤波器对回波信号的主瓣信号与原脉冲信号匹配滤波处理，找出输出峰值点对应的时刻，求出目标回波信号的延时，估算出目标的距离，得到目标位置，并反馈到所述指挥平台；

水下潜艇，与所述指挥平台信号连接，用于接收所述指挥平台的指令，对目标位置发出攻击。

本发明还提供一种集群矢量吊放声纳反潜方法，采用上述集群矢量吊放声纳反潜系统实施，所述方法包括以下步骤：

指挥平台计算所需要的无人机数量并发出定位指令；

若干无人机根据定位指令飞至指定位置；

若干无人机分别吊放声纳搜索目标声源的位置，计算出目标位置并反馈到指挥平台；

指挥平台根据接收到的目标位置指挥水下潜艇对目标位置发出攻击。

本发明的有益技术效果在于：本发明的矢量吊放声纳目标探测方法可以准确探测到目标的方位，机动性强、成本低；本发明的集群矢量吊放声纳反潜系统使用矢量吊放声纳目标探测方法进行目标位置探测，可以准确探测到目标的方位，机动性强、成本低、安全性高，可以有效监测大片海域；

本发明的集群矢量吊放声纳反潜方法通过无人机群吊放声纳可以准确获得敌方潜艇的位置信息，便于将我方舰艇隐藏起来，使敌舰无法对我方舰艇进行探测。当无人机遭到攻击无法正常工作时将通过卫星发出无线电与指挥平台联络，指挥平台根据测得的敌舰位置可以指挥水下舰艇对对目标位置发出攻击，即对敌人进行反击，然后派遣新无人机进行补充，保证监测无死角、无中断，通过若干无人机吊放声纳进行目标探测的方法，机动性强、成本低、安全性高可以有效封锁大片海域，令敌人不敢擅入。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提供的矢量吊放声纳目标探测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的矢量吊放声纳目标探测方法的无人机的示意图；

图3是使用本发明实施例提供的集群矢量吊放声纳反潜系统的示意图；

图4是本发明实施例提供的集群矢量吊放声纳反潜方法的流程图；

图中标记为：无人机1，电机11a、11b、11c、11d，旋翼12，支架13，飞行控制计算机14，电缆2，声纳3，指挥平台4。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，本发明提供一种矢量吊放声纳目标探测方法，包括以下步骤：

S1、无人机1吊放声纳3；

S2、声纳3的发射换能器向水下发射脉冲信号；

S3、声纳3的矢量水听器接收回波信号；

S4、对矢量水听器接收到的回波信号做傅里叶变换，得到声压和振速的互谱；

S5、将振速在不同方向上的分量与声压做互谱，取互谱结果的实部，再利用矢量水听器的振速指向性，求得目标声源的预估方位；

S6、利用预估方位的目标方位角对回波信号进行空域滤波，提取回波信号的主瓣信号；

S7、通过匹配滤波器对回波信号的主瓣信号与原脉冲信号匹配滤波处理，找出输出峰值点对应的时刻，求出目标回波信号的延时，估算出目标的距离。

结合图2及图3所示，所述无人机1和所述声纳3通过电缆2相连。所述无人机1为四旋翼飞行器，通过调节四个电机11a、11b、11c、11d的转速来改变旋翼12转速，实现升力的变化，从而控制四旋翼飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。旋翼12对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼12处于同一高度平面，且四个旋翼12的结构和半径都相同，四个电机11a、11b、11c、11d对称的安装在四旋翼飞行器的支架13一端，所述支架13中间空间安放飞行控制计算机14和外部设备。四旋翼飞行器的电机11a和电机11c逆时针旋转的同时，电机11b和电机11c顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。四旋翼飞行器可以实现：垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、倾向运动。

步骤S2中，所述声纳3的发射换能器向水下发射脉冲信号中，所述脉冲信号为线性调频信号和CW信号脉冲信号，经脉冲压缩后可以获得大的时宽带宽积，拥有较高的距离分辨率。

步骤S4中、所述对声纳3的矢量水听器各传感器接收到的回波信号做傅里叶变换，得到声压和振速的互谱，具体的，根据海洋中声学欧姆定律，声压相位和振速相位相同，两者信号在傅里叶变换后的能量主要集中在互谱的实部，将振速在不同方向上的分量与声压做互谱，取互谱结果的实部，再利用矢量水听器的自然指向性可求得目标声源的方位。

所述对声纳3的矢量水听器各传感器接收到的回波信号做傅里叶变换为快速傅里叶变换算法，得到的声压p(t)和振速v(t)的互谱为：S(ω)＝P(ω)*V

步骤S4、对声纳3的矢量水听器接收到的回波信号做傅里叶变换，得到声压和振速的互谱之后还包括：利用滑动窗时间平均法对互谱结果作平均，得到平均周期图输出；具体的，利用滑动窗时间平均法对声压和振速的互谱结果做平均，得到平均周期图输出，便于利用平均周期图的结果来求得目标声源的预估方位，平均周期图输出为：

所述矢量水听器的振速指向性为：

其中p(t)为声压，θ为水平方位角；

目标声源方位为：

步骤S6、利用预估方位的目标方位角对回波信号进行空域滤波，提取回波信号的主瓣信号。如果是矢量(声压)水听器阵列吊放声纳，则将接收到的回波信号进行波束形成处理，得到声源方位。波束形成过程相当于对回波进行空域滤波，可以抑制空间干扰和环境噪声。利用估计出的目标方位角对水听器阵列进行时延补偿，阵列的输出信号就是回波信号的主瓣信号。

步骤S7、通过匹配滤波器对回波信号的主瓣信号与原脉冲信号匹配滤波处理，找出输出峰值点对应的时刻，求出目标回波信号的延时，估算出目标的距离；所述匹配滤波处理为时域卷积法处理或者频域匹配滤波处理。作为本发明的优选实施例，所述进行匹配滤波处理为进行频域匹配滤波处理。

具体的，把回波信号与原脉冲信号进行匹配滤波处理，信号通过匹配滤波器相当于进行了脉冲压缩，找出压缩后输出脉冲的峰值点对应的时刻即为目标回波的时延，由公式R＝C*τ/2估计出目标的距离，其中，C为水下声音传播速度，τ为回波的时延，R为目标距离。

具体的，匹配滤波有时域卷积法和频域法两种方式，本算法使用的脉冲信号时宽带宽积较大，采用运算量较小的频域匹配滤波方式。设输入到匹配滤波器的信号为：

作为本发明的另一优选实施例，当近目标距离较近时，可直接通过矢量水听器被动接收目标在水下产生的声信号，然后对矢量水听器接收的声压和振速(X、Y、Z三各相互正交方向)信号进行联合处理，即将振速在不同方向上的分量与声压做互谱，取互谱结果的实部，再利用矢量水听器的振速指向性，求得目标声源的方位信息；利用两只或以上不同位置无人机所估计的方位信息进行三角定位，从而得到目标当前位置信息；这种方式探测距离近，隐蔽性高。

通过本发明的矢量吊放声纳目标探测方法，可以准确探测到目标的方位，机动性强、成本低。

本发明还提供一种集群矢量吊放声纳反潜系统，包括：指挥平台4，用于根据海域面积和声纳3的搜潜范围计算所需要无人机1的数量，发出指令指挥无人机1飞至指定位置，以及发出指令指挥水下潜艇对目标位置发出攻击；

若干无人机1，与所述指挥平台4信号连接，用于接收所述指挥平台4的指令，飞至指定位置，向水下吊放声纳3；

若干声纳3，分别通过电缆2与若干所述无人机1相连，用于接收回波信号，对回波信号做傅里叶变换，得到声压和振速的互谱，将振速在不同方向上的分量与声压做互谱，取互谱结果的实部，再利用矢量水听器的振速指向性，求得目标声源的预估方位，利用预估方位的目标方位角对回波信号进行空域滤波，提取回波信号的主瓣信号；通过匹配滤波器对回波信号的主瓣信号与原脉冲信号匹配滤波处理，找出输出峰值点对应的时刻，求出目标回波信号的延时，估算出目标的距离，得到目标位置，并反馈到所述指挥平台4；

水下潜艇，与所述指挥平台4信号连接，用于接收所述指挥平台4的指令，对目标位置发出攻击。

本发明的集群矢量吊放声纳反潜方法，使用矢量吊放声纳目标探测方法进行目标位置探测，可以准确探测到目标的方位，机动性强、成本低、安全性高，可以有效监测大片海域。

本发明还提供一种集群矢量吊放声纳反潜方法，包括所述集群矢量吊放声纳反潜系统，所述方法包括以下步骤：

指挥平台4计算所需要的无人机1数量并发出定位指令；具体的，所述指挥平台4根据海域面积和所述声纳3的搜潜范围计算出需要的无人机1数量，并向各个无人机1发出对应的指令，指挥无人机1飞至指定位置；

若干无人机1根据定位指令飞至指定位置；即各个无人机1分别飞抵指令所指示的位置；

若干无人机1分别吊放声纳3搜索目标声源的位置，计算出目标位置并反馈到指挥平台4；具体的，各个无人机1分别利用矢量吊放声纳3对海域进行实时监测，随时向搜索指挥平台4报告搜潜结果及无人机1的工作状态，利用声纳3的矢量水听器代替小型声压水听器阵列，可以大大减小无人机1的负载重量，提高其续航能力；

指挥平台4根据接收到的目标位置指挥水下潜艇对目标位置发出攻击。

该集群矢量吊放声纳反潜方法，在主动声纳工作模式下，我方无人机群吊放声纳可以准确获得敌方潜艇的位置信息，便于将我方舰艇隐藏起来，使敌舰无法对我方舰艇进行探测。当无人机1遭到攻击无法正常工作时将通过卫星发出无线电与指挥平台4联络，指挥平台4根据测得的敌舰位置可以指挥水下舰艇对对目标位置发出攻击，即对敌人进行反击，然后派遣新无人机进行补充，保证监测无死角、无中断，通过若干无人机吊放声纳进行目标探测的方法，机动性强、成本低、安全性高可以有效封锁大片海域，令敌人不敢擅入。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。