CN117406204B - 一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法 - Google Patents

一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法，包括以下步骤：在待搜索的海域建立X、Y二维平面坐标系，形成两个沿X、Y轴分布的随机声呐浮标阵列；确定虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标，基于线谱确定各虚拟声呐浮标的间隔；通过北斗星基差分测量获取随机声呐浮标阵列中声呐浮标的坐标位置，通过坐标转换及时延将随机声呐浮标阵列与虚拟声呐浮标直线阵列中的声呐浮标进行一一映射；以虚拟声呐浮标直线阵列中心坐标为原点，通过两个虚拟声呐浮标直线阵列按线列阵分别形成接收波束；基于接收波束主轴与X、Y轴的正向夹角，通过几何定位实现低频多线谱远程目标的探测。本发明能够实现低频多线谱的波束形成以及目标定位。

Description

一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法
技术领域
本发明属于远程水下目标声探测技术领域，具体涉及一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法。
背景技术
随着现代装备技术的不断发展，对水下目标的搜索、跟踪变得越来越困难。拖曳线列阵声纳、吊放声呐、岸基声纳、声纳浮标等作为一种有效探测手段受到了越来越多重视，世界各国都在积极研究先进的远程探测技术。
然而当今水下航行器的噪声谱级不断降低，水声探测技术水平面临巨大的技术挑战。众所周知，水下航行器的低频线谱特别是螺旋桨的轴频和叶频线谱强度比噪声的连续谱强度要高出10-20分贝；因此采用低频或超低频被动探测水下目标是当前一个重要发展趋势，世界各发达国家在这一领域投入大量的人力、物力和财力解决水下目标的远程探测问题，从目前的研究效果来看收效甚微。主要是受水声探测***的换能器基阵尺寸、体积、重量等限制，装载平台限制了换能器基阵不可能做的很大，由于换能器基阵的孔径小，5HZ-100HZ范围低频线谱的检测很难实现，探测距离较近。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法，能够实现低频多线谱的波束形成以及目标定位。
本发明采用的技术方案是：一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法，包括以下步骤：
在待搜索的海域建立X、Y二维平面坐标系，形成两个沿X、Y轴分布的随机声呐浮标阵列；
确定虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标，基于搜索线谱确定虚拟声呐浮标直线阵列中各虚拟声呐浮标的间隔，在X、Y轴上构建虚拟声呐浮标直线阵列；
通过北斗星基差分测量获取随机声呐浮标阵列中每个声呐浮标的坐标位置，将随机声呐浮标阵列中的声呐浮标与虚拟声呐浮标直线阵列中的声呐浮标进行一一映射，通过坐标转换及时延形成相互垂直的两条由若干个声纳浮标组成的虚拟声呐浮标直线阵列；
目标线谱搜索频率范围5HZ-100HZ，在某一搜索线谱上，分别以虚拟声呐浮标直线阵列中心坐标OX、OY为原点，通过X、Y轴上的两个虚拟声呐浮标直线阵列按线列阵分别形成宽度5-10度接收波束；
基于接收波束分别获取波束主轴与X、Y轴的正向夹角，并通过几何定位实现低频多线谱远程水下目标的探测。
上述技术方案中，所述搜索目标位于X、Y二维平面坐标系的第一象限。
上述技术方案中，选定X、Y二维平面坐标系的坐标原点后，在X、Y轴附近一定范围内投放声呐浮标，形成随机声呐浮标阵列。
上述技术方案中，随机声呐浮标阵列中的声呐浮标数根据投放位置的精度确定，不小于虚拟声呐浮标直线阵列中的声呐浮标数；将随机声呐浮标阵列中坐标位置远离X、Y轴的随机声呐浮标进行剔除后，将剩余的随机声呐浮标与虚拟浮标阵列中的每个虚拟声呐浮标一一映射。
上述技术方案中，将搜索线谱波长的二分之一设置为虚拟声呐浮标直线阵列的间隔。
上述技术方案中，虚拟声呐浮标直线阵列的接收波束按搜索逻辑进行扫描，若未接收到目标信号，则调整搜索线谱；基于调整后的搜索线谱重新调整虚拟声呐浮标的间隔，并针对调整后的虚拟声呐浮标直线阵列重新映射随机声呐浮标阵列；循环执行上述步骤直到接收到目标信号。
上述技术方案中，基于虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标和确定的各虚拟声呐浮标坐标间隔，确定各虚拟声呐浮标的坐标位置信息；并将虚拟声呐浮标坐标位置与其连线最近的随机声呐坐标位置进行映射。
上述技术方案中， X、Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列的中心位置坐标，根据X、Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列中的阵元数量和搜索线谱的波长确定。
上述技术方案中，若有目标存在时，根据两个虚拟声呐浮标直线阵列接收扫描波束的主轴与X或Y轴正向的夹角，变换后得到波束的主轴与X、Y轴上的两个虚拟声呐浮标直线阵列中心坐标原点连线的夹角，通过两角加一边的几何定位方法，解算出目标的坐标位置。
上述技术方案中，在第一象限的搜索区域分别以5°-95°度和90°-175°进行波束扫描。
本发明的有益效果是：本发明通过沿X、Y轴投放一定散布范围的形成两个沿X、Y轴分布的随机声呐浮标阵列，通过坐标转换及时延形成相互垂直的两条由若干个声纳浮标组成的虚拟直线阵列，按线列阵形成波束，实现对水下低频多线谱的目标探测。由于虚拟直线阵列声呐浮标的数量和搜索目标的线谱可以根据需求灵活设置，突破了传统声呐浮标的工作模式实现大孔径布阵，获取高的空间处理增益，以满足低频多线谱探测需求。本发明可在低频或超低频段工作，用于探测水下航行器的轴频和叶频线谱信号，从而实现对水下航行器实现远距离的探测和高精度的定向、定位。
进一步地，本发明由无线数据链传输，通过空中平台上的计算机存储及解算，实现随机声呐浮标与虚拟声呐浮标的坐标转换及时延，对声纳浮标的布阵误差、水流风向影响误差、目标噪声线谱的变化等实现自动补偿，进一步保证波束形成和对目标定位的实时性和精度。
进一步地，本发明在所构建的平面坐标系的第一象限内搜索目标，保证目标定位过程的解算精度和搜索效率。
进一步地，本发明在确定的探测海域尽可能的靠近X、Y轴随机投放声呐浮标，保证有效覆盖检测范围的同时保证了检测数据的有效性和精度。
进一步地，本发明将远离X、Y轴的实际声呐浮标进行剔除，保证了定位数据的来源精度。
进一步地，本发明将搜索线谱波长的二分之一作为虚拟声呐浮标直线阵列的间隔，保证虚拟声呐浮标直线阵列能够有效且准确地形成接收指向性波束。
进一步地，本发明可以不断调整搜索线谱，并基于线谱调整虚拟声呐浮标的间隔，保证最终确定的虚拟声呐浮标直线阵列能够有效适应探测需求的同时，能够使本发明适用于不同线谱的目标探测，且适用过程无需对硬件设备做任何调整，只需要循环执行解算程序即可实现适配，有效节约了成本和***的灵活组态。
进一步地，本发明基于连线最短化原则将虚拟声呐浮标坐标与随机声呐浮标坐标进行一一映射，有效节约计算成本并保证解算过程精度。
进一步地，本发明确定虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标后，并以该中心坐标为基准调整后续各虚拟声呐浮标坐标，有效提高计算效率。
进一步地，本发明采用几何定位法求解得到目标坐标位置，简化了解算的复杂性同时有效节约计算成本。
进一步地，本发明在第一象限的搜索区域分别以5°-95°度和90°-175°进行波束扫描，简化了波束形成的总体构架，并满足实际使用需求。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为具体实施例的接收指向性波束示意图；
图3为具体实施例Y轴上的随机声呐浮标阵列和虚拟声呐浮标直线阵列某一投放状态分布示意图；
图4为具体实施例的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法，包括以下步骤：
S1，在待搜索的海域建立X、Y二维平面坐标系，形成两个沿X、Y轴分布的随机声呐浮标阵列；
S2，确定虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标，基于搜索线谱确定虚拟声呐浮标直线阵列中各虚拟声呐浮标的间隔，在X、Y轴上构建虚拟声呐浮标直线阵列；
通过北斗星基差分测量获取随机声呐浮标阵列中每个声呐浮标的坐标位置，将随机声呐浮标阵列中的声呐浮标与虚拟声呐浮标直线阵列中的声呐浮标进行一一映射，通过坐标转换及时延形成相互垂直的两条由若干个声纳浮标组成的虚拟声呐浮标直线阵列；
S3，目标线谱搜索频率范围5HZ-100HZ，在某一搜索线谱上，分别以虚拟声呐浮标直线阵列中心坐标OX、OY为原点，通过X、Y轴上的两个虚拟声呐浮标直线阵列按线列阵分别形成宽度5-10度接收波束；
S4，基于接收波束分别获取波束主轴与X、Y轴的正向夹角，并通过几何定位实现低频多线谱远程水下目标的探测。
本具体实施例提供了一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法，以X、Y坐标第一象限为搜索目标的范围，在X、Y轴上设置两个虚拟声呐浮标直线阵列的中心位置坐标，其中两个虚拟声呐浮标直线阵列的中心位置间距、浮标位置坐标根据不同的检测线谱随波长变化，以形成最佳的波束开角和定位精度，通过X、Y轴上的两个虚拟的浮标阵列中心位置坐标为基准形成波束，分别获取波束主轴与X、Y轴正向的夹角，通过几何定位实现低频多线谱目标的远程探测。
步骤S1中，所建立X、Y二维平面坐标系，探测目标位于X、Y二维平面坐标系的第一象限。坐标原点O选定根据使用需求水域确定，X、Y轴的长度设定50-300公里可变。执行本发明的设备集成有显示设备，根据目标远近，显示***标尺可缩放。
选定X、Y二维平面坐标系的坐标原点后，在X、Y轴的正方向上按照一定间距投放声呐浮标，使声呐浮标靠近于X、Y轴，形成随机声呐浮标阵列。声呐浮标由水面或空中平台投放，投放散布尽量在X、Y轴附近。X、Y轴两个方向上，距离原点O最近声呐浮标应在5-20公里，实际距离可根据目标远近进行调整，以提高定位精度。
沿X或Y轴的声呐浮标间距尽量在150米-7.5米，以减小虚拟声呐浮标直线阵列阵元坐标位置转换的误差。浮标投放数量至少各为20枚，形成两个沿X、Y轴分布的随机声呐浮标阵列。由于投放数量越多空间增益越高，使用者可权衡费效比自行选择投放数量。
步骤S2中，首先将随机声呐浮标阵列中由北斗星基差分获取的声呐浮标坐标位置远离X、Y轴的声呐浮标进行剔除。
在X、Y轴上分别设置两条虚拟声呐浮标直线阵列，虚拟声呐浮标直线阵列中每个阵列的声呐浮标数可选至少15个。
随机声呐浮标阵列中的浮标数应大于虚拟声呐浮标直线阵列中的浮标数20%，或根据投放位置的精度确定。
针对接收指向性波束的线谱搜索频率范围5HZ-100HZ。人为设定X、Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列的中心位置坐标，且两个中心位置坐标距离原点O的距离相等。
具体地，X、Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列的中心位置坐标应根据X、Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列中的阵元数量和搜索线谱的波长确定。
分别以中心位置坐标为原点OX、OY，分别形成宽度5-10度的接收波束，在X、Y坐标系第一象限的目标搜索区域扫描，以接收目标的低频线谱信号。
随着搜索线谱频率变化，虚拟声呐浮标间隔改变，虚拟声呐浮标线列阵的长度在伸缩。
本具体实施例的线谱频率搜索策略为：两个虚拟声呐浮标直线阵列波束形成的线谱搜索频率以5HZ-40HZ优先；在5HZ-40HZ区间，以2HZ为调整间隔；在42HZ-62HZ区间，以5HZ调整间隔；在60HZ-100HZ区间,以10HZ为调整间隔。每个波束方向被动线谱信号检测的积分时间根据海域的风速、流速确定。
如图2所示，本具体实施例中波束搜索策略如下：在坐标系的第一象限， 以两个虚拟声呐浮标直线阵列的中心位置坐标原点为基准，在第一象限的搜索区域分别以5°-95°度和90°-175°进行波束扫描。接收指向性波束宽度5-10度。本具体实施例首先将5Hz作为搜索线谱，将搜索线谱波长的二分之一作为虚拟声呐浮标直线阵列的间隔。
如果虚拟声呐浮标直线阵列按照设定的搜索线谱在上述波束搜索策略下未接收到来自目标的低频线谱信号，则按照上述线谱频率搜索策略调整搜索频率。
基于调整后的搜索线谱重新调整虚拟声呐浮标直线阵列中各虚拟声呐浮标的间隔，并重新映射随机声呐浮标阵列中的随机声呐浮标；按照调整后的搜索线谱，再次在上述波束搜索策略下尝试接收待搜索的海域中目标低频线谱信号；循环执行上述搜索线谱调整步骤直到收到目标低频线谱信号，即在搜索区域内明确发现目标。
随着搜索线谱频率变化，在X、Y轴上两条虚拟声呐浮标直线阵列设置的中心位置坐标不变，声呐浮标间隔改变，线列阵的长度在伸缩，以适用于不同线谱目标的探测需求。
在明确发现目标后，基于调整完毕的搜索线谱确定虚拟声纳坐标的间隔。基于虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标和确定的间隔，确定虚拟声呐浮标直线阵列中各虚拟声呐浮标的坐标位置，并将各虚拟声呐浮标与其连线最接近的随机声呐浮标进行映射，通过坐标转换及时延形成相互垂直的两条由若干个声纳浮标组成的虚拟声呐浮标直线阵列。
如图3所示，位于Y轴两侧的黑色实心圆点YSfkj表示随机声呐浮标阵列中的声呐浮标。位于Y轴上的白色空心圆点即为构建的虚拟声呐浮标。λ表示搜索线谱的波长，λ/2为虚拟声呐浮标直线阵列中的阵元间距。
具体地，沿X、Y轴投放的随机声呐浮标阵列，变换成在X、Y轴上两条虚拟声呐浮标直线阵列过程中，为了减少变换产生的误差，故使随机声呐浮标阵列中的某一个声呐浮标坐标值Xsj,Ysj(j=1,2……n)和虚拟声呐浮标直线阵列中的某一个声呐浮标坐标值Xxj,Yxj(j=1,2……n)两点连线最短为原则，进行一一映射，对应每对坐标值有一个浮标编号。计算相互映射的虚拟声呐浮标和随机声呐浮标的连线距离，再计算出波束主轴方向虚拟声呐浮标和随机声呐浮标的声程差，将随机声呐浮标接收到的目标线谱信号进行时延，形成相互垂直的两条由若干个声纳浮标组成的虚拟声呐浮标直线阵列。
随机声呐浮标阵列中的每一个随机声呐浮标坐标值Xsj,Ysj由北斗星基差分WGS84坐标***的球面极坐标转换为X、Y平面的直角坐标获得，要求波束形成线列阵阵元位置的精度误差小于0.75(±0.375)米。
步骤S3中，在调整完毕的搜索线谱下，虚拟声呐浮标直线阵列按常规线列阵波束形成方法实现，分别形成X、Y轴上的扫描波束，在某一波束方向搜索到目标时，根据这一波束的主轴方向，可得到目标方向与X或Y轴正向的夹角。
步骤S4中，如图4所示，根据目标方向（即图4中所示虚线）与Y、X轴正向的夹角αi和γi，变换后得到波束的主轴与Y、X轴上的两个虚拟声呐浮标直线阵列中心坐标原点连线的夹角αii和γii。由于X和Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标已知，即两个虚拟声呐浮标直线阵列中心坐标原点连线的长度（即图4中所示中心距）已知。本具体实施例中中心距的长度为10、15、25或者30km。通过两角加一边的几何定位方法，解算出目标的坐标位置，实现随机声呐浮标阵列对目标的定位。
下面进一步说明本具体实施例的执行过程：
(1) ***规划初始配置，包括：选定搜索目标的海域、范围，建立XOY坐标系，随机浮标阵列布放和部分浮标的剔除等等，在无线同步信号作用下，***进入启动状态。
(2)获取北斗的时间同步信号,获取随机声呐浮标阵列每个随机声纳浮标的位置坐标（XSfkj ，YSfkj），并将采集到的水听器的目标信号，通过多通道无线网发送到空中计算机数据处理平台。
(3)通过北斗星基差分，选定X、Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标原点OX、OY。
(4)在fk(k=1,2……H)的频率下 （5Hz …… 100Hz），将每个随机声呐浮标阵列中每个随机声纳浮标的位置坐标（XSfkj，YSfkj）变换成X、Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列中虚拟声呐浮标的位置坐标 （XXfkj ，YXfkj）。
符号说明：（XSfkj ，YSfkj）和（XXfkj ，YXfkj）中第一个字母X或者Y代表在X或Y轴上，第二个字母中S代表随机声呐浮标阵列，X代表虚拟声呐浮标直线阵列；fk表示第k个线谱频率, j代表第j个声呐浮标。
虚拟声呐浮标直线阵列中的每个虚拟声纳浮标的位置坐标和中心坐标原点是根据线列阵波束形成设定的：搜索频率变化，浮标间隔变化，位置坐标变化。
(5)求出Y轴虚拟声呐浮标直线阵列第i（i=1,2……N，N=10）个波束方向上，第j（j= 1,2……15）个声呐浮标的时延值τij , τij形成一个1015时延矩阵，矩阵中的每一个时 延值代表第i个波束方向，第j个声呐浮标的时延值，X轴方向处理与Y轴原理相同。
某一个线谱频率下，某一个虚拟声呐浮标直线阵列的j个虚拟声呐浮标，在某一波束方向上，随机声呐浮标阵列中的每个随机声纳浮标与虚拟声呐浮标直线阵列中相对应的每个虚拟声呐浮标经过各自的时延处理，在虚拟声呐浮标直线阵列的正前方达到波束输出最大，再按线列阵的波束形成方法，通过控制虚拟声呐浮标直线阵列的虚拟声呐浮标的再时延，可形成在不同的波束方向上输出最大。
(6)在X、Y轴的虚拟声呐浮标直线阵列各自的扫描范围内，分别形成波束1、波束2…… 波束N。
(7)X、Y轴的虚拟声呐浮标直线阵列按指定的波束方向扫描。
(8)Y轴上的虚拟声呐浮标直线阵列，目标信号入射方向形成的波束1、波束2 ……波束N的主轴与Y轴的正向夹角为α1，α2，……αN。
(9)X轴上的虚拟声呐浮标直线阵列，目标信号入射方向形成的波束1、波束2 ……波束N的主轴与X轴的正向夹角为γ1，γ2，……γN。
(10)对虚拟声呐浮标直线阵列的正向夹角为αi、γi （i=1,2……N）波束方向的各声呐浮标水听器接收到的信号，在i波束方向移相同相相加，得到该夹角方向上的波束i的输出。
(11)X、Y轴虚拟声呐浮标直线阵列在某一波束方向上αi、γi角度，得到两个虚拟声呐浮标直线阵列所接收到的最大波束信号；将αi、γi转换成两个最大波束信号主轴与两个中心位置坐标连线所形成的三角形（O-OX-OY）的两个内角αii，γii，解算出目标T的位置坐标,见图4。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种低频多线谱检测的声呐浮标阵列波束形成及定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
在待搜索的海域建立X、Y二维平面坐标系，形成两个沿X、Y轴分布的随机声呐浮标阵列；
确定虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标，基于搜索线谱确定虚拟声呐浮标直线阵列中各虚拟声呐浮标的间隔，在X、Y轴上构建虚拟声呐浮标直线阵列；
通过北斗星基差分测量获取随机声呐浮标阵列中每个声呐浮标的坐标位置，将随机声呐浮标阵列中的声呐浮标与虚拟声呐浮标直线阵列中的声呐浮标进行一一映射，通过坐标转换及时延形成相互垂直的两条由若干个声纳浮标组成的虚拟声呐浮标直线阵列；
目标线谱搜索频率范围5HZ-100HZ，在某一搜索线谱上，分别以虚拟声呐浮标直线阵列中心坐标OX、OY为原点，通过X、Y轴上的两个虚拟声呐浮标直线阵列按线列阵分别形成宽度5-10度接收波束；
基于接收波束分别获取波束主轴与X、Y轴的正向夹角，并通过几何定位实现低频多线谱远程水下目标的探测。
2.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：在所构建的X、Y二维平面坐标系的第一象限内搜索目标。
3.根据权利要求2所述的一种方法，其特征在于：选定X、Y二维平面坐标系的坐标原点后，在X、Y轴附近一定范围内投放声呐浮标，形成随机声呐浮标阵列。
4.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：随机声呐浮标阵列中的声呐浮标数根据投放位置的精度确定，不小于虚拟声呐浮标直线阵列中的声呐浮标数；将随机声呐浮标阵列中坐标位置远离X、Y轴的随机声呐浮标进行剔除后，将剩余的随机声呐浮标与虚拟浮标阵列中的每个虚拟声呐浮标一一映射。
5.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：将搜索线谱波长的二分之一设置为虚拟声呐浮标直线阵列的间隔。
6.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：虚拟声呐浮标直线阵列的接收波束按搜索逻辑进行扫描，若未接收到目标信号，则调整搜索线谱；基于调整后的搜索线谱重新调整虚拟声呐浮标的间隔，并针对调整后的虚拟声呐浮标直线阵列重新映射随机声呐浮标阵列；循环执行上述步骤直到接收到目标信号。
7.根据权利要求4所述的一种方法，其特征在于：基于虚拟声呐浮标直线阵列的中心坐标和确定的各虚拟声呐浮标坐标间隔，确定各虚拟声呐浮标的坐标位置信息；并将虚拟声呐浮标坐标位置与其连线最近的随机声呐坐标位置进行映射。
8.根据权利要求6所述的一种方法，其特征在于：X、Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列的中心位置坐标，根据X、Y轴上虚拟声呐浮标直线阵列中的阵元数量和搜索线谱的波长确定。
9.根据权利要求6所述的一种方法，其特征在于：若有目标存在时，根据两个虚拟声呐浮标直线阵列接收扫描波束的主轴与X或Y轴正向的夹角，变换后得到波束的主轴与X、Y轴上的两个虚拟声呐浮标直线阵列中心坐标原点连线的夹角，通过两角加一边的几何定位方法，解算出目标的坐标位置。
10.根据权利要求2所述的一种方法，其特征在于：在第一象限的搜索区域分别以5°-95°度和90°-175°进行波束扫描。
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