CN110543179B - 一种基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法 - Google Patents

一种基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法，该方法通过在水下航行器上布设三维稀疏水听器阵列实现，所述方法包括：获取三维稀疏水听器阵列接收的来自水面目标的螺旋桨噪声，估计水面目标的位置；在固定时间间隔，根据水面目标的位置变化计算水面目标运动速度；根据水下航行器与水面目标之间的距离以及水面目标运动速度，判断水面目标是否逼近水下航行器，如果为是，重新规划水下航行器的行进路线，以躲避水面目标否则，水下航行器保持原来的路线行进。本发明的方法可以在保证水下航行器航行安全条件下及时、灵活地躲避水面目标。

Description

一种基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法
技术领域
本发明涉及水面目标的方位识别领域，尤其涉及一种基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法。
背景技术
水下航行器在行进和作业时为了避免水上船只的干扰和碰撞，需要对水面目标(各类水面船只等)的位置及航行方向等进行探测。主动探测方法是目前水下航行器为防碰撞主要采用的方法。水下航行器通过向水体发射探测信号，并通过接收反射信号来对水面目标的方位、运动速度等信息进行估计。近年来，利用被动探测来实现水面目标定位方法也陆续出现，如申请号CN201710334765.2和申请号CN201310436674.1的中国专利。申请号CN201710334765.2的中国专利公开了一种利用水下声学与压力配合的船舶探测装置及方法，该装置结构较为复杂，且容易受水下不稳定海流影响测量精度。申请号CN201310436674.1的中国专利提出了采用双阵元的模型实现目标的被动测距，但对目标的具体方位没有估计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有方法的不足，利用水面目标运行的特点，通过处于水体任意位置的水下航行器接收来自于水面目标的螺旋桨噪声，实现对水面目标的定位以及与其保持一定距离的目标躲避方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法，该方法通过在水下航行器上布设三维稀疏水听器阵列实现，所述方法包括：
获取三维稀疏水听器阵列接收的来自水面目标的螺旋桨噪声，估计水面目标的位置；
在固定时间间隔，根据水面目标的位置变化计算水面目标运动速度；
根据水下航行器与水面目标之间的距离以及水面目标运动速度，判断水面目标是否逼近水下航行器，如果为是，重新规划水下航行器的行进路线，以躲避水面目标否则，水下航行器保持原来的路线行进。
作为上述方法的一种改进，所述三维稀疏水听器阵列包括：三条正交的稀疏线阵，每条稀疏线阵的水听器个数为M；M≥2，且各条稀疏线阵有一个共用水听器，三维稀疏水听器阵列的总水听器个数大于等于4个；水听器的接收信号频率范围为0.5kHz～5kHz。
作为上述方法的一种改进，所述获取三维稀疏水听器阵列接收的来自水面目标的螺旋桨噪声，估计水面目标的位置；具体包括：
建立测量坐标系：以共用水听器的位置为坐标原点，以三条稀疏线阵的指向为坐标轴；
在测量坐标系的XOY平面阵列上对水面目标的螺旋桨噪声进行DOA估计，得到水面目标螺旋桨的来波俯仰角φ1和方位角θ1，同时在测量坐标系的XOZ平面阵列上对水面目标的螺旋桨噪声进行DOA估计，得到水面目标的螺旋桨噪声的来波俯仰角φ2和方位角θ2；
计算来波的三维方位角度(α,β,γ)：
Figure BDA0002174579000000021
根据水下航行器的水下深度H和陀螺仪获得的倾角(Δα,Δβ,Δγ)，计算出水面目标的三维坐标为(x0,y0,z0)：
Figure BDA0002174579000000022
则水面目标的螺旋桨的三维坐标(x1,y1,z1)为：
Figure BDA0002174579000000031
其中，h为水面目标的吃水深度；
则水面目标的占水区域中的点(x,y,z)满足：
Figure BDA0002174579000000032
其中，R为水面目标的长度。
作为上述方法的一种改进，所述在固定时间间隔，根据水面目标的位置变化计算水面目标运动速度，具体为：
水面目标三维运动速度
Figure BDA0002174579000000033
为：
Figure BDA0002174579000000034
其中，T为固定时间间隔，(x1′,y1′,z1′)为水下目标螺旋桨从位置(x1,y1,z1)行进时间间隔T后的位置。
作为上述方法的一种改进，所述根据水下航行器与水面目标之间的距离以及水面目标运动速度，判断水面目标是否逼近水下航行器，具体为：
计算水下航行器与水面目标占水区域之间的最短距离R1：
Figure BDA0002174579000000035
st.(x-x0)2+(y-y0)2＝R2
H-h≤z≤H
其中，(x2,y2,z2)为水下航行器的位置；
如果vx＜0且vy＜0或者R1<L0时，其中L0为安全距离阈值，则认为水面目标逼近水下航行器。
作为上述方法的一种改进，所述路线的设计准则为：在水下航行器保持与水面目标占水区域之间的最小距离大于等于L0条件下，在远离水面目标的方向上，选择离水下航行器目的地最近的路线。
作为上述方法的一种改进，所述重新规划水下航行器的行进路线，具体为：以水面目标螺旋桨的最新位置为中心，以安全距离L0+R为半径，在测量坐标系的YOZ平面上做90°的圆弧，旋转方向与水面目标运动方向相反，则该圆弧为新的水下航行器的路线。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的稀疏阵列装置结构简单，硬件成本低；不主动发射探测信号，节约能量且安全隐蔽性好；使用方便；
2、本发明的基于深度辅助的DOA定位使远场信号和近场信号的DOA估计都能达到较好的估计精度；
3、本发明的方法可以在保证水下航行器航行安全条件下及时、灵活地躲避水面目标。
附图说明
图1为水下航行器和水面目标(船只)的位置示意图；
图2为本发明的三维正交稀疏阵列示意图；
图3为本发明的水面目标躲避方法的流程图；
图4为本发明的三位稀疏阵列DOA估计方法图；
图5为本发明的水下航行器对水面目标定位的场景示意图；
图6为本发明的路线设计准则示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
水面目标运行的特点为：水面目标运行时，其底部的螺旋桨会发出噪声，目标吨位越大，螺旋桨噪声也越大。并且运行时水面目标整体上下浮动范围有限，一般可以视为水平方向运行。
如图1所示，本发明的技术方案为：通过处于水体任意位置的水下航行器接收来自于水面目标的螺旋桨噪声，实现对水面目标的定位以及与其保持一定距离的目标躲避方法。水下航行器配备深度计和陀螺仪等辅助测量装置，通过持续监听船只螺旋桨运动噪声，判断水面目标噪声位置并估计其行进方向。如果是逼近自己，则采用设计路线躲避该目标，避免相撞。
本发明内容包括：三维稀疏水听器阵列和基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法。所述三维稀疏水听器阵列由三条正交的稀疏线阵组成，每条稀疏线阵的阵元个数为M(M≥2)，且各条稀疏线阵可共用一个阵元，三维稀疏水听器阵列的总阵元个数大于等于4个。以三条稀疏线阵共用一个阵元为例，并以该共用阵元为坐标原点建立如图2所示三维坐标系。
如图3所示，本发明的基于三维稀疏水听器阵列声源方位识别的水面目标躲避方法，具体包含以下步骤：
步骤1：通过监听水面目标的螺旋桨噪声，进行水面目标的定位；
三维稀疏水听器阵列在接收到来自水面目标的螺旋桨噪声后，对水面目标的距离和位置进行估计，具体估计包括以下步骤：
步骤1.1：利用现有的三维稀疏阵列波达方向(DOA)估计方法，在XOY平面阵列上对水面目标的螺旋桨噪声进行DOA估计，得到水面目标螺旋桨的来波俯仰角和方位角为
Figure BDA0002174579000000051
同时在XOZ平面阵列上对水面目标的螺旋桨噪声进行DOA估计，得到水面目标的螺旋桨噪声的来波俯仰角和方位角为
Figure BDA0002174579000000052
对两个平面阵列上估计的方位
Figure BDA0002174579000000053
经过几何运算可以获得来波的三维方位角度(α,β,γ)，如图4所示。
Figure BDA0002174579000000054
步骤1.2：根据水下航行器上深度计测得的水下深度H和陀螺仪测得的倾角(Δα,Δβ,Δγ)，计算出水面目标的三维坐标为：
Figure BDA0002174579000000061
步骤1.3：利用水面目标离水下航行器的距离以及水下航行器接收到螺旋桨功率，根据的经验公式可确定水面目标的吃水深度h(一般水面目标吃水深度在10米以内，几十万吨级货轮可达20米)和水面目标的长度R。将h代入式(2)中计算水面目标螺旋桨的位置(x1,y1,z1)为：
Figure BDA0002174579000000062
并且根据水面目标的长度，估计出水面目标的占水区域(x,y,z)且满足：
Figure BDA0002174579000000063
步骤2：每经过更新周期T，对水面目标位置进行更新，获取水面目标运动速度等信息；
每隔时间T按照具体步骤1更新水下目标螺旋桨的新位置为(x1′,y1′,z1′)，利用新的坐标与上一次的坐标求出水面目标三维运动速度
Figure BDA0002174579000000064
Figure BDA0002174579000000065
步骤3：根据与水面目标之间的距离来确定是否规划新路线以躲避水面目标。计算水下航行器与水面目标占水区域之间的最短距离R1：
Figure BDA0002174579000000071
st.(x-x0)2+(y-y0)2＝R2
H-h≤z≤H
其中，(x2,y2,z2)为水下航行器的位置；
通过持续监听水面目标发出螺旋桨噪声，判断水面目标离水下航行器的距离以及水面目标的速度，如果是水面目标逼近水下航行器，即vx＜0且vy＜0或者R1<L0时，其中L0为其安全距离阈值，则水下航行器采用路线设计躲避该目标，避免相撞，后返回步骤1；否则水下航行器保持原来的路线行进，并返回步骤1。
路线设计准则为：水下航行器保持与水面目标安全距离条件下，离水下航行器目的地最近的路线。路线设计方法为：当水下航行器与水面目标占水区域最近距离小于安全距离L0时，水下航行器规划以远离水面目标的方向路线行进，保证水下航行器与水面目标保持安全距离
在本实施例中，水下航信器上的三维稀疏水听器阵列由三条正交的稀疏线阵组成，每条稀疏线阵的阵元个数为2，总共4个阵元S0S1S2S3，其中S0是每条稀疏线阵的共用节点，也是坐标的中心位置(0，0，0)，其他三个节点与S0的间隔相等，S1位于X轴上，坐标(0.5，0，0)，S2位于Y轴上，坐标(0，0.5，0)，S3位于Z轴上，坐标(0，0，0.5)，(单位米)。根据水面目标的螺旋桨工作时发出的噪声特点，选用水听器的接收信号频率范围为0.5kHz～5kHz，可以有效防止其他水声通信等影响。
本实施例中，有关基于三维稀疏水听器阵列声源方位识别的水面目标躲避方法具体包含以下步骤：
步骤1：通过监听水面目标的螺旋桨噪声，进行水面目标的定位。
具体地，水面目标为船只，水下航行器对水面船只的定位估计如图4所示。水下导航器位于水下任意位置接收来自水面船只的螺旋桨发出的噪声信号。设船只螺旋桨A坐标为(x1,y1,z1),船只的占水区域(x,y,z)是一个底面半径为船长、高为船只吃水深度的圆柱体，场景如图5所示。
进一步地，在XOY平面阵列上对船只螺旋桨进行DOA估计，得到螺旋桨A相对水下航行器三维直角坐标系的俯仰角和方位角为
Figure BDA0002174579000000072
同时在XOZ平面阵列上对船只螺旋桨进行DOA估计，得到螺旋桨的来波俯仰角和方位角为
Figure BDA0002174579000000073
利用XOY和XOZ两个平面阵列上估计的方位
Figure BDA0002174579000000081
经过几何运算可以获得来波的三维方位角度(α,β,γ)。
Figure BDA0002174579000000082
进一步地，根据水下航行器上深度仪器测定的深度H和陀螺仪的测定的倾角(Δα,Δβ,Δγ)得到船只的坐标：
Figure BDA0002174579000000083
进一步地，利用船只离水下航行器的距离以及水下航行器接收到螺旋桨功率，根据的经验公式可确定水面目标的吃水深度h和船只的长度R。将h代入式(2)中计算水面目标螺旋桨的位置(x1,y1,z1)为：
Figure BDA0002174579000000084
以及根据经验公式得到的船只长度R，估计船只的占水区域(x,y,z)满足：
Figure BDA0002174579000000085
步骤2：每经过更新周期T，对水面目标位置进行更新，判读运动速度等信息。
具体地，每隔时间T按照具体步骤1更新水下目标螺旋桨的新位置为(x1′,y1′,z1′)，利用新的坐标与上一次的坐标求出水面目标三维运动速度
Figure BDA0002174579000000086
Figure BDA0002174579000000091
步骤3：根据与水面目标之间的距离来确定是否规划新路线以躲避水面目标。
具体地，通过持续监听水面船只发出螺旋桨噪声，计算水下航行器与水面目标占水区域之间的最短距离R1：
Figure BDA0002174579000000092
st.(x-x0)2+(y-y0)2＝R2
H-h≤z≤H
其中，(x2,y2,z2)为水下航行器的位置；
判断水面目标离水下航行器的距离以及水面目标的速度，如果是水面目标逼近水下航行器，即vx＜0且vy＜0或者R1<L0时，其中L0为其安全距离阈值，则水下航行器采用路线设计躲避该目标，避免相撞，返回步骤1，否则水下航行器保持原来的路线行进，并返回步骤1。水下航行器的运动路线准则为：水下航行器保持与水面目标安全距离条件下，离水下航行器目的地最近的路线。
进一步地，为躲避水面目标对水下航行器的路线进行规划，如图6所示，以螺旋桨A的最新定位(x′1,y′1,z′1)为中心，以L0+R为半径，旋转方向与船只运动方向相反，在YOZ平面上做90°的圆周运动，保证水面目标与水下目标的距离不小于最小距离L0，同时更新深度计和陀螺仪的参数。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法，该方法通过在水下航行器上布设三维稀疏水听器阵列实现，所述方法包括：
获取三维稀疏水听器阵列接收的来自水面目标的螺旋桨噪声，估计水面目标的位置；
在固定时间间隔，根据水面目标的位置变化计算水面目标运动速度；
根据水下航行器与水面目标之间的距离以及水面目标运动速度，判断水面目标是否逼近水下航行器，如果为是，重新规划水下航行器的行进路线，以躲避水面目标，否则，水下航行器保持原来的路线行进；
所述获取三维稀疏水听器阵列接收的来自水面目标的螺旋桨噪声，估计水面目标的位置；具体包括：
建立测量坐标系：以共用水听器的位置为坐标原点，以三条稀疏线阵的指向为坐标轴；
在测量坐标系的XOY平面阵列上对水面目标的螺旋桨噪声进行DOA估计，得到水面目标螺旋桨的来波俯仰角φ1和方位角θ1，同时在测量坐标系的XOZ平面阵列上对水面目标的螺旋桨噪声进行DOA估计，得到水面目标的螺旋桨噪声的来波俯仰角φ2和方位角θ2；
计算来波的三维方位角度(α,β,γ)：
Figure FDA0002449906280000011
根据水下航行器的水下深度H和陀螺仪获得的倾角(Δα,Δβ,Δγ)，计算出水面目标的三维坐标为(x0,y0,z0)：
Figure FDA0002449906280000021
则水面目标的螺旋桨的三维坐标(x1,y1,z1)为：
Figure FDA0002449906280000022
其中，h为水面目标的吃水深度；
则水面目标的占水区域中的点(x,y,z)满足：
Figure FDA0002449906280000023
其中，R为水面目标的长度。
2.根据权利要求1所述的基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法，其特征在于，所述三维稀疏水听器阵列包括：三条正交的稀疏线阵，每条稀疏线阵的水听器个数为M；M≥2，且各条稀疏线阵有一个共用水听器，三维稀疏水听器阵列的总水听器个数大于等于4个；水听器的接收信号频率范围为0.5kHz～5kHz。
3.根据权利要求1所述的基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法，其特征在于，所述在固定时间间隔，根据水面目标的位置变化计算水面目标运动速度，具体为：
水面目标三维运动速度
Figure FDA0002449906280000024
为：
Figure FDA0002449906280000025
其中，T为固定时间间隔，(x1′,y1′,z1′)为水下目标螺旋桨从位置(x1,y1,z1)行进时间间隔T后的位置。
4.根据权利要求3所述的基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法，其特征在于，所述根据水下航行器与水面目标之间的距离以及水面目标运动速度，判断水面目标是否逼近水下航行器，具体为：
计算水下航行器与水面目标占水区域之间的最短距离R1：
Figure FDA0002449906280000031
st.(x-x0)2+(y-y0)2＝R2
H-h≤z≤H
其中，(x2,y2,z2)为水下航行器的位置；
如果vx＜0且vy＜0或者R1<L0时，其中L0为安全距离阈值，则认为水面目标逼近水下航行器。
5.根据权利要求4所述的基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法，其特征在于，所述路线的设计准则为：在水下航行器保持与水面目标占水区域之间的最小距离大于等于L0条件下，在远离水面目标的方向上，选择离水下航行器目的地最近的路线。
6.根据权利要求5所述的基于三维稀疏阵列声源方位识别的水面目标躲避方法，其特征在于，所述重新规划水下航行器的行进路线，具体为：以水面目标螺旋桨的最新位置为中心，以安全距离L0+R为半径，在测量坐标系的YOZ平面上做90°的圆弧，旋转方向与水面目标运动方向相反，则该圆弧为新的水下航行器的路线。
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