CN109884730B - 一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，本发明涉及水下声学线谱目标被动探测的方法。本发明的目的是为了解决现有水下滑翔机平台无法完成水下远距离低信噪比的探测问题。过程为：1：在水下滑翔机平台上搭载水听器、罗经***、声速梯度仪、深度计以及GPS***；2：获得滑翔机水下运动轨迹；3：将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；4：根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；若4中得到的虚拟阵波束谱输出存在单个峰值时，执行5；若4中得到的虚拟阵波束谱输出存在多个峰值时，执行6；5：得到目标线谱频率；6：得到多目标线谱频率。本发明用于水声被动探测领域。

Description

一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法

技术领域

本发明属于水声被动探测领域，涉及水下声学线谱目标被动探测的方法。

背景技术

深海由于环境特殊性要实现对水下声目标被动探测和海洋环境噪声特性测量对探测***平台有着严格的要求。深海声传播存在明显的声汇聚和影区效应，***的探测性能受工作深度的影响较大，探测***往往要具有对多个不同深度的深海声信号采集纪录能力，才能保证探测设备可以对位于不同距离的目标进行有利探测。深海水下滑翔机平台则是能够满足上述要求的良好载体。水下滑翔机具有水下工作时间长、续航距离远、深度可机动、可进行位置控制和信息回传的特点，在水声被动探测领域中可发挥重要的作用。利用水下滑翔机平台搭载声学设备在深海探测水下声学线谱目标的优势在于，水下滑翔机搭载的传感器可以在不同深度获取水下声学线谱目标的声信号信息，可避开影区的影响合理利用声汇聚现象改进探测能力。由于水下滑翔机的尺寸和电力有限，无法装备大型声纳设备，只能搭载小型声学***，因此常规的探测处理方法所能获得的探测能力非常受限，难以获得有效的空间处理增益，无法完成水下远距离低信噪比的探测。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有水下滑翔机平台无法完成水下远距离低信噪比的探测问题，而提出一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法。

一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述方法具体过程为：

步骤1：在水下滑翔机平台上搭载水听器、罗经***、声速梯度仪、深度计以及GPS***，水下滑翔机平台在水平和深度二维方向上进行滑翔机动，同时采集存储由水听器记录的声学信号、由罗经***记录的罗经姿态、由深度计记录的水下滑翔机平台深度、声速梯度仪记录的声速参数信息，滑翔机出水时可获取在水面的GPS位置信息；

步骤2：基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；

步骤3：将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；

步骤4：将步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹拟合成虚拟垂直阵阵型，对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，得到不同虚拟扫描量的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；

步骤5：对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率；

步骤6：若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时则分别对每个峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到多目标线谱频率。

本发明的有益效果为：

本发明主要针对深海水下目标远距离探测问题给出一种水下滑翔机虚拟阵的被动探测方法，通过滑翔机平台搭载的单基元或小规模多基元声学***，当滑翔机在深度方向滑翔的过程利用不同深度采集的数据形成一个虚拟的空间阵列，再通过时空联合信号处理技术获得高信号处理增益，实现对远距离低信噪比目标的探测。

本发明的优点在于利用搭载于水下滑翔机的单个或多个阵元的小规模声学***接收信号，通过对信号进行合理的虚拟阵划分，来获得虚拟的探测垂直孔径和处理增益，从而实现对远距离低信噪比线谱目标的有效探测，为基于水下滑翔机平台的声学***对低频目标被动探测提供了一种新方法。相比于大规模垂直阵可显著降低***复杂度和成本，且基于滑翔机平台的探测***本身可进行自主机动和卫星通信，更便于布放，便于调整和控制***在海上工作位置，垂直深度可机动的特点有利选择探测深度，且可以对探测结果进行必要的信息回传。

双目标结果如图7、8、9所示。具体仿真条件为M＝60，T＝600，Δt＝10s。双目标频率分别为75Hz和100Hz，两目标距离分别为15km，30km。虚拟垂直阵列波束谱输出仿真结果如图7，由图可见，当存在双目标时波束谱扫描结果会出现双峰值。根据双峰的位置分别聚焦到各自的峰值得到各自的谱分析结果，图8为目标1谱分析结果，图9为目标2谱分析结果。根据这两个结果对比发现图8中75Hz线谱明显高于图9中75Hz谱结果，因此判断75Hz为目标1特征，100Hz规律与之相反，则判断100Hz为目标2对应的频率。

附图说明

图1是深海声传播特性仿真示意图；

图2是水下滑翔机运动状态剖面示意图；

图3是实现本发明的流程框图；

图4是滑翔机水下运动状态和待探测运动目标相对位置侧视图，R₀、R_k为目标到滑翔机的距离；

图5是单目标探测案例虚拟垂直阵列波束谱输出仿真示意图；

图6是单目标探测案例虚拟阵波束谱峰值对应的频谱结果仿真示意图；

图7是多目标探测案例虚拟垂直阵列波束谱输出仿真示意图；

图8是虚拟阵波束谱峰1对应的频谱结果仿真示意图；

图9是虚拟阵波束谱峰2对应的频谱结果仿真示意图；

图10水下滑翔机平台载体坐标系示意图；

图11水下滑翔机平台入水点坐标系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法具体过程为：

基于搭载于水下滑翔机上的水听器在其上浮或下沉的过程中接收声信号，利用每一帧接收信号的空间位置变化，对信号进行时间帧划分等效虚拟成一个垂直阵列，再进行虚拟垂直阵列信号的空时联合处理，获得信号处理增益，从而实现对水下线谱目标的远距离探测。

如图1所示，深海声传播存在明显的声汇聚区和声影区效应，滑翔机探测***位于汇聚区则有利于探测，位于影区则不利于探测到目标，不同距离的目标声汇聚区深度不同，因此滑翔机探测***要具有多个深度声信号采集记录能力，以保证探测设备可以对位于不同距离的目标进行有利探测。

滑翔机探测工作状态示意图如图2所示，探测时保持大倾角滑翔的运动状态下行运动，工作时可采集到不同深度层的声信号。滑翔机可搭载单个或者多个位于机身不同位置的水听器对声信号进行同步采集存储，并且滑翔机平台同时搭载深度计和罗经同步采集存储深度和罗经信息。滑翔机声学探测***主要有5部分组成，分别是声学数据采集存储***、深度采集***、罗经数据采集***、探测信号处理***，GPS***。

具体探测方法步骤如图3所示。

步骤1：在水下滑翔机平台上搭载水听器、罗经***、声速梯度仪、深度计以及GPS***，水下滑翔机平台在水平和深度二维方向上进行滑翔机动，同时采集存储由水听器记录的声学信号(声波信号，水中各种声源产生的声音信号混合在一起总的声音信号)、由罗经***记录的罗经姿态、由深度计记录的水下滑翔机平台深度、声速梯度仪记录的声速(滑翔机所在的位置声波传播的速度)参数信息，滑翔机出水时可获取在水面的GPS位置信息；

所述罗经***型号为美国PNI公司的TCM3电子罗经；

步骤2：基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；

步骤3：将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；

步骤4：将步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹拟合成虚拟垂直阵阵型，对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，得到不同虚拟扫描量(设定的一个时延或者相移的扫描变量)的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；

步骤5：对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率；

步骤6：若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时则根据峰值的个数对多目标数进行判别；具体过程为：

当出现多峰时根据峰值的个数粗判目标的个数，例如双峰则粗判为双目标。

分别对每个峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到多目标线谱频率。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤2中基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；具体过程为：

步骤21、根据滑翔机的入水点和出水点的GPS位置信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息；

步骤22、根据滑翔机搭载的深度计计算出滑翔机的垂直运动速度；

步骤23、利用滑翔机搭载的罗经***记录的罗经姿态获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵；

步骤24、基于步骤21、步骤22、步骤23，利用导航定位坐标转换公式推算得到滑翔机水下运动轨迹。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤21中根据滑翔机的入水点和出水点的GPS位置信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息；具体过程为：

假设入水点和出水点两位置的GPS坐标为G_r＝(X_r,Y_r)和G_c＝(X_c,Y_c)，

其中，X_r,X_c为经度，Y_r,Y_c为纬度；

将地球视为标准球体，通过求解入水点和出水点两点之间的弧长得到距离；将经纬度转换为弧度：

Y′_r＝Y_r*π/180

X′_r＝X_r*π/180

Y′_c＝Y_c*π/180

X′_c＝X_c*π/180

其中，Y′_r为由入水点纬度转换的弧长，X′_r为由入水点经度转换的弧长，Y′_c为由出水点纬度转换的弧长，X′_c为由出水点经度转换的弧长；*表示乘号；

则，两点之间的南北向距离为d_Y＝R_G*|(Y′_r-Y′_c)|，东西向距离为d_X＝R_G*|(X′_r-X′_c)|；

其中，R_G表示地球半径，R_G＝6371.0km；

设滑翔机下潜上浮形成一个剖面的时间为T，得出滑翔机所处运动区域的南北向和东西向的平均洋流流速分别V_Y＝d_Y/T，V_X＝d_X/T；

假设在滑翔机一次下潜上浮的过程中，平均洋流流速不变。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤22中根据滑翔机搭载的深度计计算出滑翔机的垂直运动速度；具体过程为：

将滑翔机当前时刻记录的水下滑翔机平台深度信息(深度信息是深度计测得的结果)对时间求导即得到t时刻滑翔机的垂直运动速度V_Z(t)；

设t时刻测得的水下滑翔机平台深度信息为h(t)，则滑翔机的垂直运动速度V_Z(t)的计算公式为：

V_Z(t)＝dh(t)/dt

其中，d表示求导数。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤23中利用滑翔机搭载的罗经***记录的罗经姿态获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵；具体过程为：

设t时刻的姿态转移矩阵表示为R(t)；按照如图10所示规则建立平台载体坐标系：水下滑翔机平台的前进方向作为X′轴正方向，将与X′轴方向垂直的机翼延展方向作为Y′轴，Z′轴为采用右手坐标系情况下与X′oY′平面垂直的方向；

根据罗经安装方式，将沿水下滑翔机平台X'轴逆时针旋转的角度作为横滚角r(t)，将水下滑翔机平台自身轴线偏向海底与水平方位的夹角作为俯仰角

即水下滑翔机平台沿Y′轴顺时针旋转的角度；将水下滑翔机平台在行进时偏向东与正北方向的夹角作为航向角θ(t)；

姿态转移矩阵计算公式为：

其中，R(t)为姿态转移矩阵。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤24中利用导航定位坐标转换公式推算得到滑翔机水下运动轨迹；具体过程为：

根据滑翔机的垂直运动速度和每一个时刻的姿态转移矩阵，获得滑翔机在重力和浮力作用下第t时刻的瞬时速度；

设滑翔机平台相对于滑翔机平台载体坐标系的速度矢量为

即假设滑翔机是沿着水下滑翔机平台载体坐标系向前滑动的，因此只有滑翔机平台沿着X′轴方向的速度矢量为V′_x(t)的值有实际意义，另外两个方向速度为0；V′_x(t)的值可以由步骤22得到的垂直运动速度V_Z(t)获得，计算公式为：

V′_x(t)＝-V_z(t)/sinr(t)cosθ(t)

其中，V_Z(t)为水下滑翔机平台在大地坐标系下的垂直运动速度，

为滑翔机平台相对于滑翔机载体坐标系的速度矢量，V′_x(t)为滑翔机平台沿着X′轴方向的速度矢量，V′_y(t)为滑翔机平台沿着Y′轴方向的速度矢量，V′_z(t)为滑翔机平台沿着Z′轴方向的速度矢量；

设大地坐标系下不考虑洋流影响的水下滑翔机平台瞬时速度矢量

与载体坐标系的速度矢量

的转换关系为

其中，V_E(t)为t时刻大地坐标系下的不考虑洋流影响的水下滑翔机平台瞬时东向速度，V_N(t)为t时刻大地坐标系下不考虑洋流影响的水下滑翔机平台瞬时北向速度；

将滑翔机的大地坐标系下的总速度表示为

根据洋流流速和瞬时速度矢量获得滑翔机的总速度的计算公式为：

其中，v_E(t)为t时刻大地坐标下水下滑翔机东向瞬时速度，v_N(t)为t时刻大地坐标下水下滑翔机北向瞬时速度，v_H(t)为t时刻大地坐标下水下滑翔机垂直瞬时速度；

如图11，以入水点的GPS位置信息为基准，对滑翔机的大地坐标系下的总速

的瞬时值求积分，得到每一个时刻滑翔机的三维坐标信息，各时刻坐标组合即为一个完整剖面的滑翔机运动轨迹；t时刻相对于入水点的坐标输出计算公式如下：

其中，X(t)为水下滑翔机平台以入水点为原点情况下建立坐标系得到的x轴坐标值，Y(t)为水下滑翔机平台以入水点为原点情况下建立坐标系得到的y轴坐标值，Z(t)为水下滑翔机平台以入水点为原点情况下建立坐标系得到的z轴坐标值，t_i-1为上一个罗经、深度计数值同步采集时刻，t_i为当前时刻。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤3中将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；具体过程为：

将水听器记录的声学信号数据按照时间等分的关系划分为不同的段，段的数量与虚拟垂直阵元的数量相等，即假设要虚拟M元，则将水听器记录的声学信号划分为M段，每段数据时间长度相等，每段数据代表一个虚拟垂直阵元的接收信号。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤4中将步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹拟合成虚拟垂直阵阵型，对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，得到不同虚拟扫描量(设定的一个时延或者相移的扫描变量)的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；

具体过程为：

根据步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹，按照时间关系得到对应位置的虚拟垂直阵阵型(步骤2进行轨迹推算为了得到滑翔机运动轨迹，数据处理时间段内对应的这个轨迹形状就是虚拟垂直阵的阵型。)；按照虚拟垂直阵阵型对线谱目标进行波束扫描，通过波束扫描对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号的时延或相位进行补偿(波束形成可以是时域的也可以是频域的，时域补偿的是时延，频域补偿的是相位，两种方法是相互等效的)，虚拟扫描量变化则补偿得到的虚拟垂直阵列波束谱输出能量不同，当虚拟扫描量对应的时延或相移与线谱目标传播到虚拟垂直阵阵型(步骤2得到的对应位置的虚拟垂直阵阵型)位置的时延或相移一致时，虚拟垂直阵列信号(步骤3获得的虚拟垂直阵列信号)则会形成同相位叠加，从而使波束谱输出形成峰值；扫描完预设的虚拟扫描量后，根据扫描得到的波束谱输出的峰值判断目标的有无，存在明显峰值则表示有目标；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；

所述多个为大于等于2个；

(虚拟扫描量是时延或者相移的扫描变量。因为不知道这个值是多少，就要设一个变量，变量变化时计算结果也跟着变，当刚好扫描到跟实际值一致时就出现了峰值，通过这个来实现目标有没有的检测。)

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述步骤5中对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率；具体过程为：

对波束谱输出峰值位置对应的虚拟补偿量值进行补偿得到波束输出信号(波束形成就是通过时延或者相移补偿后对所有阵元数据相加得到一路信号，这路信号就是波束输出信号。)，对波束输出信号进行傅里叶变换得到频谱分析结果，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，频谱中的峰值所对应的频率即为目标线谱频率结果；

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述步骤6中若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时则分别对每个峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到多目标线谱频率；具体过程为：

步骤61：对每个峰值位置对应的虚拟补偿量值进行补偿得到对应峰值补偿的波束输出信号；(波束形成就是通过时延或者相移补偿后对所有阵元数据相加得到一路信号，这路信号就是波束输出信号。)

步骤62：对每个峰值补偿的波束输出信号进行傅里叶变换得到多个峰值粗判目标的频谱分析结果；

步骤63：根据频谱分析结果对目标线谱进行测频；测频过程可能存在同频多目标，也可能会存在不同频目标。

如果多个峰值的测频结果为同一线谱频率则为同频多目标，给出目标的个数和目标对应的线谱频率值；目标的个数即为峰值个数；

如果多个峰值的测频结果分别对应不同的线谱频率，则判断为非同频多目标，给出目标的个数和每个目标对应的线谱频率值；目标的个数即为峰值个数；

所述多个为大于等于2个。

其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例具体是按照以下步骤制备的：

下面结合说明书附图对本发明进行进一步描述。

实施例1：

设有一个单频线谱目标，水下滑翔机和目标的运动态势如图4所示。按照预定的探测步骤进行处理：

水下滑翔机平台在水平和深度二维方向上进行滑翔机动，同时采集存储声学信号、罗经姿态、深度、声速参数信息；进行滑翔机水下运动轨迹推算，得到水下滑翔机运动轨迹；将水听器接收的长度为T的信号划分为M个段，每段长Δt，得到M元虚拟阵信号；将获得的水下滑翔机运动轨迹拟合成虚拟垂直阵型，对虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，对M元虚拟阵信号通过波束扫描补偿得到不同虚拟扫描量的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率。

波束扫描得到的虚拟垂直阵列波束谱输出仿真结果如图5所示。具体仿真条件假设目标为远距离30km单目标，M＝60，T＝600s，Δt＝10s，单目标频率为100Hz。由图可见，当存在单目标时波束谱扫描结果会出现明显的峰值。对输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，结果如图6所示，由图6可以得到目标的线谱频率信息，图6中将单基元输入信号的频谱与虚拟阵波束形成后输出的频谱进行了最大值归一化对比，可以看出单基元输入信号频谱噪声背景明显高于波束形成后的结果，这也可以验证虚拟阵处理可以带来明显的信噪比增益。

实施例2：

设有两个非同频线谱目标，水下滑翔机和目标的运动态势同单目标相同，两个目标距离不同。同样，按照预定的探测步骤进行处理：

水下滑翔机平台在水平和深度二维方向上进行滑翔机动，同时采集存储声学信号、罗经姿态、深度、声速参数信息；进行滑翔机水下运动轨迹推算，得到水下滑翔机运动轨迹；将水听器接收的长度为T的信号划分为M个段，每段长Δt，得到M元虚拟阵信号；将获得的水下滑翔机运动轨迹拟合成虚拟垂直阵型，对虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，对M元虚拟阵信号通过波束扫描补偿得到不同虚拟扫描量的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率。

双目标结果如图7、8、9所示。具体仿真条件为M＝60，T＝600，Δt＝10s。双目标频率分别为75Hz和100Hz，两目标距离分别为15km，30km。虚拟垂直阵列波束谱输出仿真结果如图7，由图可见，当存在双目标时波束谱扫描结果会出现双峰值。根据双峰的位置分别聚焦到各自的峰值得到各自的谱分析结果，图8为目标1谱分析结果，图9为目标2谱分析结果。根据这两个结果对比发现图8中75Hz线谱明显高于图9中75Hz谱结果，因此判断75Hz为目标1特征，100Hz规律与之相反，则判断100Hz为目标2对应的频率。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述方法具体过程为：

步骤1：在水下滑翔机平台上搭载水听器、罗经***、声速梯度仪、深度计以及GPS***，水下滑翔机平台在水平和深度二维方向上进行滑翔机动，同时采集存储由水听器记录的声学信号、由罗经***记录的罗经姿态、由深度计记录的水下滑翔机平台深度、声速梯度仪记录的声速参数信息，滑翔机出水时可获取在水面的GPS位置信息；

步骤2：基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；

步骤3：将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；

步骤4：将步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹拟合成虚拟垂直阵阵型，对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，得到不同虚拟扫描量的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；

步骤5：对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率；

步骤6：若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时则分别对每个峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到多目标线谱频率。

2.根据权利要求1所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤2中基于步骤1获得的罗经姿态、水下滑翔机平台深度、声速参数信息，以及GPS位置信息进行滑翔机水下运动轨迹推算，获得滑翔机水下运动轨迹；具体过程为：

步骤21、根据滑翔机的入水点和出水点的GPS位置信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息；

步骤22、根据滑翔机搭载的深度计计算出滑翔机的垂直运动速度；

步骤23、利用滑翔机搭载的罗经***记录的罗经姿态获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵；

步骤24、基于步骤21、步骤22、步骤23，利用导航定位坐标转换公式推算得到滑翔机水下运动轨迹。

3.根据权利要求2所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤21中根据滑翔机的入水点和出水点的GPS位置信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息；具体过程为：

假设入水点和出水点两位置的GPS坐标为G_r＝(X_r,Y_r)和G_c＝(X_c,Y_c)，

其中，X_r,X_c为经度，Y_r,Y_c为纬度；

通过求解入水点和出水点两点之间的弧长得到距离；将经纬度转换为弧度：

Y′_r＝Y_r*π/180

X′_r＝X_r*π/180

Y′_c＝Y_c*π/180

X′_c＝X_c*π/180

其中，Y′_r为由入水点纬度转换的弧长，X′_r为由入水点经度转换的弧长，Y′_c为由出水点纬度转换的弧长，X′_c为由出水点经度转换的弧长；*表示乘号；

则，两点之间的南北向距离为d_Y＝R_G*|(Y′_r-Y′_c)|，东西向距离为d_X＝R_G*|(X′_r-X′_c)|；

其中，R_G表示地球半径，R_G＝6371.0km；

设滑翔机下潜上浮形成一个剖面的时间为T，得出滑翔机所处运动区域的南北向和东西向的平均洋流流速分别V_Y＝d_Y/T，V_X＝d_X/T。

4.根据权利要求3所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤22中根据滑翔机搭载的深度计计算出滑翔机的垂直运动速度；具体过程为：

将滑翔机当前时刻记录的水下滑翔机平台深度信息对时间求导即得到t时刻滑翔机的垂直运动速度V_Z(t)；

设t时刻测得的水下滑翔机平台深度信息为h(t)，则滑翔机的垂直运动速度V_Z(t)的计算公式为：

V_Z(t)＝dh(t)/dt

其中，d表示求导数。

5.根据权利要求4所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤23中利用滑翔机搭载的罗经***记录的罗经姿态获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵；具体过程为：

设t时刻的姿态转移矩阵表示为R(t)；水下滑翔机平台的前进方向作为X′轴正方向，将与X′轴方向垂直的机翼延展方向作为Y′轴，Z′轴为采用右手坐标系情况下与X′oY′平面垂直的方向；

根据罗经安装方式，将沿水下滑翔机平台X'轴逆时针旋转的角度作为横滚角r(t)，将水下滑翔机平台自身轴线偏向海底与水平方位的夹角作为俯仰角

即水下滑翔机平台沿Y′轴顺时针旋转的角度；将水下滑翔机平台在行进时偏向东与正北方向的夹角作为航向角θ(t)；

姿态转移矩阵计算公式为：

其中，R(t)为姿态转移矩阵。

6.根据权利要求5所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤24中利用导航定位坐标转换公式推算得到滑翔机水下运动轨迹；具体过程为：

根据滑翔机的垂直运动速度和每一个时刻的姿态转移矩阵，获得滑翔机在重力和浮力作用下第t时刻的瞬时速度；

设滑翔机平台相对于滑翔机平台载体坐标系的速度矢量为

即假设滑翔机是沿着水下滑翔机平台载体坐标系向前滑动的，因此滑翔机平台沿着X′轴方向的速度矢量为V′_x(t)，另外两个方向速度为0；V′_x(t)的值由步骤22得到的垂直运动速度V_Z(t)获得，计算公式为：

V′_x(t)＝-V_z(t)/sinr(t)cosθ(t)

其中，V_Z(t)为水下滑翔机平台在大地坐标系下的垂直运动速度，

为滑翔机平台相对于滑翔机载体坐标系的速度矢量，V′_x(t)为滑翔机平台沿着X′轴方向的速度矢量，V′_y(t)为滑翔机平台沿着Y′轴方向的速度矢量，V′_z(t)为滑翔机平台沿着Z′轴方向的速度矢量；

设大地坐标系下不考虑洋流影响的水下滑翔机平台瞬时速度矢量

与载体坐标系的速度矢量

的转换关系为

其中，V_E(t)为t时刻大地坐标系下的不考虑洋流影响的水下滑翔机平台瞬时东向速度，V_N(t)为t时刻大地坐标系下不考虑洋流影响的水下滑翔机平台瞬时北向速度；

将滑翔机的大地坐标系下的总速度表示为

根据洋流流速和瞬时速度矢量获得滑翔机的大地坐标系下的总速度的计算公式为：

其中，v_E(t)为t时刻大地坐标下水下滑翔机东向瞬时速度，v_N(t)为t时刻大地坐标下水下滑翔机北向瞬时速度，v_H(t)为t时刻大地坐标下水下滑翔机垂直瞬时速度；

以入水点的GPS位置信息为基准，对滑翔机的大地坐标系下的总速度

的瞬时值求积分，得到每一个时刻滑翔机的三维坐标信息，各时刻坐标组合即为一个完整剖面的滑翔机运动轨迹；t时刻相对于入水点的坐标输出计算公式如下：

其中，X(t)为水下滑翔机平台以入水点为原点情况下建立坐标系得到的x轴坐标值，Y(t)为水下滑翔机平台以入水点为原点情况下建立坐标系得到的y轴坐标值，Z(t)为水下滑翔机平台以入水点为原点情况下建立坐标系得到的z轴坐标值，t_i-1为上一个罗经、深度计数值同步采集时刻，t_i为当前时刻。

7.根据权利要求6所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤3中将水听器记录的声学信号分段，划分为对应不同深度接收的虚拟垂直阵列信号；具体过程为：

将水听器记录的声学信号数据按照时间等分的关系划分为不同的段，段的数量与虚拟垂直阵元的数量相等，每段数据时间长度相等，每段数据代表一个虚拟垂直阵元的接收信号。

8.根据权利要求7所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤4中将步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹拟合成虚拟垂直阵阵型，对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号进行虚拟阵波束形成处理，得到不同虚拟扫描量的虚拟垂直阵列波束谱输出，根据波束谱输出的峰值判断目标的有无；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；

具体过程为：

根据步骤2获得的滑翔机水下运动轨迹，按照时间关系得到对应位置的虚拟垂直阵阵型；按照虚拟垂直阵阵型对线谱目标进行波束扫描，通过波束扫描对步骤3获得的虚拟垂直阵列信号的时延或相位进行补偿，虚拟扫描量变化则补偿得到的虚拟垂直阵列波束谱输出能量不同，当虚拟扫描量对应的时延或相移与线谱目标传播到虚拟垂直阵阵型位置的时延或相移一致时，虚拟垂直阵列信号则会形成同相位叠加，从而使波束谱输出形成峰值；扫描完预设的虚拟扫描量后，根据扫描得到的波束谱输出的峰值判断目标的有无，存在峰值则表示有目标；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在单个峰值时，执行步骤5；

若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时，执行步骤6；

所述多个为大于等于2个。

9.根据权利要求8所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤5中对波束谱输出峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到目标线谱频率；具体过程为：

对波束谱输出峰值位置对应的虚拟补偿量值进行补偿得到波束输出信号对波束输出信号进行傅里叶变换得到频谱分析结果，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，频谱中的峰值所对应的频率即为目标线谱频率结果。

10.根据权利要求9所述一种基于深海水下滑翔机平台的虚拟阵被动探测方法，其特征在于：所述步骤6中若步骤4中得到的虚拟垂直阵列波束谱输出存在多个峰值时则分别对每个峰值位置进行补偿得到虚拟阵波束输出信号，对虚拟阵波束输出信号做频谱分析，根据频谱分析结果对目标线谱进行测频，得到多目标线谱频率；具体过程为：

步骤61：对每个峰值位置对应的虚拟补偿量值进行补偿得到对应峰值补偿的波束输出信号；

步骤62：对每个峰值补偿的波束输出信号进行傅里叶变换得到多个峰值粗判目标的频谱分析结果；

步骤63：根据频谱分析结果对目标线谱进行测频；

如果多个峰值的测频结果为同一线谱频率则为同频多目标，给出目标的个数和目标对应的线谱频率值；目标的个数即为峰值个数；

如果多个峰值的测频结果分别对应不同的线谱频率，则判断为非同频多目标，给出目标的个数和每个目标对应的线谱频率值；目标的个数即为峰值个数；

所述多个为大于等于2个。

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