一种水下移动潜体频率目标探测的实验系统及方法与流程

本发明涉及一种水下移动潜体频率目标探测的实验系统及方法，尤其涉及移动潜体的频率目标探测的技术领域。

背景技术：

探测水下潜艇的方法主要有反潜巡逻机反潜和水面舰艇反潜两种。

反潜巡逻机使用声纳浮标、磁异探测仪、吊放式声纳来探测水下潜艇。其中，声纳浮标是现代反潜机普遍使用的一种主要搜潜器材，一般是在已知有潜艇活动的海域，并要在短时间内对较大范围进行搜索时；或希望在一定时间内封锁敌潜艇可能通过的航道；或者为重要目标担负反潜巡逻警戒时使用。磁异探测仪采用被动工作方式来探测潜艇，是一般反潜巡逻机上必装的探测设备，具有隐蔽性好，可靠性较高，不受海洋噪声干扰等优点，但由于其作用距离较近，大都采用低空和超低空探测，因此多在其他探测器材测得潜艇的概略位置后，再用磁异探测仪进行验证和精确定位。

水面舰艇侦测潜艇主要依靠声纳；船壳声呐、变深声呐、拖曳式线列阵声呐来探测水下潜艇。水面舰艇的船壳声纳几乎无法探测到跃层下的潜艇，除非使用拖曳声纳并让拖曳声纳进入跃层。拖曳式变深声呐属被动式声呐，是将基阵安装在拖体内，由反潜水面舰艇、扫雷舰或反潜飞机拖曳，用于主动对潜搜索、探测水雷、海底等，探测深度为数百米至千米。拖曳式线列阵声呐属主动式声呐，是在拖曳式变深声呐的基础上发展而来的，探测精度高、探测深度为数十米。声呐探测的优点是可以探测到水下潜体目标，但无法区别探测目标的身份。

本发明的一种水下移动潜体频率目标探测的实验系统及方法采用的是基于阻抗分析理论的实验方法，采用了潜航器(501)、，通过能够对已知水下潜体频率的移动频率目标的探测及位置识别，本发明的实验装置具有结构简单，探测效率高，探测距离远的特点，本发明的探测方法，不仅能探测已知频率的水下移动目标，而且也能对该水下移动目标进行身份识别。

技术实现要素：

本发明设计了一种水下移动潜体频率目标探测的实验系统及方法，该发明能够完成以下实验：①控制潜航器(501)上浮及下潜：当该潜航器(501)需要上浮或下潜时，由测量船基站(11)对单片机(5)下达命令，控制纯水液压泵(3)的开启或关闭；锂电池组(7)通过升压后为纯水液压泵(3)供电；②控制潜航器(501)的移动：该潜航器(501)需要前进或后退时，由测量船基站(11)对单片机(5)下达命令，控制动力推进左装置(21)和动力推进右装置(8)左右两部分螺旋桨进行同步正转或者反转，以达到正前方或正后方行驶的目的；③探测移动频率目标的方法：由测量船基站(11)对单片机(5)下达命令，控制阻抗分析仪(6)扫频的开启或关闭；所述的阻抗分析仪(6)通过扫频，当测量用PZT压电传感器(4)接收到水下移动潜体(20)所发出的频率信号时，阻抗分析仪(6)扫频出现共振频谱，该频谱波峰所处于的频率即为扫描信号与水下移动潜体(20)所发出的共振频率。④水下移动潜体(20)位置的识别方法；⑥水下移动潜体(20)的轨迹确定。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

如图1、2、3、4所示，本发明的实验系统由舱体(1)、平衡左中翼板(15)、平衡右中翼板(16)、平衡左后翼板(17)、平衡右后翼板(18)、平衡尾翼板(19)、潜航器上浮下潜部分(101)、潜航器测量部分(102)、潜航器动力部分(103)、潜航器无线通讯部分(104)组；所述的潜航器上浮下潜部分(101)主要由水箱(2)、纯水液压泵(3)、锂电池组(7)组成；所述的潜航器测量部分(102)由测量用PZT压电传感器(4)、单片机(5)、阻抗分析仪(6)、锂电池组(7)组成；所述的潜航器动力部分(103)由锂电池组(7)、动力推进左装置(21)、动力推进右装置(8)组成；所述的潜航器无线通讯组件(104)由单片机(5)、锂电池组(7)、天线(9)、浮标(13)、双头螺纹软管(14)组成。

所述的一种水下移动潜体(20)频率目标探测实验系统的方法，其特征在于包括以下步骤：

①潜航器(501)上浮下潜控制方法

②潜航器(501)的移动控制方法

③潜航器测量部分(102)发现目标的方法

④测量船基站(11)与潜航器无线通讯部分(104)的通讯流程控制

⑤水下移动潜体(20)位置的识别方法

⑥水下移动潜体(20)的轨迹确定

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

本发明的实验系统及方法可以完成：(1)可以控制潜航器(501)上浮与下潜；(2)可以控制潜航器(501)的移动；(3)可以完成移动频率目标的探测；(4)可以完成测量船基站(11)与潜航器无线通讯部分(104)的通讯；(5)完成水下移动潜体(20)位置的识别；(6)完成水下移动潜体(20)的轨迹确定；为探测水下潜体目标，提供了新的解决方案和设计依据。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

图1是本发明的测试原理图。

图2是本发明的潜航器(501)的三维结构原理图1。

图3是本发明的潜航器(501)的三维结构原理图2。

图4是本发明的测试原理框架图

在图1、图2、图3、图4中，1.舱体、2.水箱、3.纯水液压泵、4.测量用PZT压电传感器、5.单片机、6.阻抗分析仪、7.锂电池组、8.动力推进右装置、9.天线、10.GPS定位组件、11.测量船基站、12.舱门、13.浮标、14.双头螺纹软管、15.平衡左中翼板、16.平衡右中翼板、17平衡左后翼板、18.平衡右后翼板、19.平衡尾翼板、20.水下移动潜体、21.动力推进左装置，101.潜航器上浮下潜部分，102.潜航器测量部分，103.潜航器动力部分，104.潜航器无线通讯部分，潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，一种水下移动潜体(20)频率目标探测实验系统，该系统由潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)、测量船基站、水下移动潜体(20)组成，潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)的结构及功能完全一样；以下以潜航器(501)为例进行介绍；潜航器(501)由舱体(1)、平衡左中翼板(15)、平衡右中翼板(16)、平衡左后翼板(17)、平衡右后翼板(18)、平衡尾翼板(19)、潜航器上浮下潜部分(101)、潜航器测量部分(102)、潜航器动力部分(103)、潜航器无线通讯部分(104)组；所述的潜航器上浮下潜部分(101)主要由水箱(2)、纯水液压泵(3)、锂电池组(7)组成；所述的潜航器测量部分(102)由测量用PZT压电传感器(4)、单片机(5)、阻抗分析仪(6)、锂电池组(7)组成；所述的潜航器动力部分(103)由锂电池组(7)、动力推进左装置(21)、动力推进右装置(8)组成；所述的潜航器无线通讯组件(104)由单片机(5)、锂电池组(7)、天线(9)、浮标(13)、双头螺纹软管(14)组成。

所述的平衡左中翼板(15)、平衡右中翼板(16)、平衡左后翼板(17)、平衡右后翼板(18)、平衡尾翼板(19)分别与舱体(1)通过焊接的方式连接；水箱(2)与舱体下部通过焊接连接；纯水液压泵(3)与水箱(2)的上面板之间通过螺栓连接，连接处加密封圈；测量用PZT压电传感器(4)与舱体(1)通过焊接连接；单片机(5)通过螺栓安装在阻抗分析仪(6)的安装架上；阻抗分析仪(6)通过安装架用螺栓固定安装在水箱上面的安装板上；锂电池组(7)通过安装架用螺栓安装在水箱上面的安装板上；动力推进左装置(21)的机架直接焊接在舱体(1)上；天线(9)与单片机(5)使用天线延长线连接，双头螺纹软管(14)下端与舱体(1)之间采用螺纹连接，双头螺纹软管(14)与浮标(13)之间采用螺纹连接，双头螺纹软管(14)内部有天线延长线，浮标(13)作为天线(9)与天线延长线的连接处，天线(9)安装于浮标(13)上的基座；动力推进左装置(21)、动力推进右装置(8)焊接在舱体(1)上。

所述的测量用PZT压电传感器(4)外部的材料为铸铝，压电陶瓷均匀地烧结在测量用PZT压电传感器(4)的内壁上，压电陶瓷的厚度为0.3～0.6mm。

所述的一种水下移动潜体(20)频率目标探测实验系统的方法，其特征在于包括以下步骤：

①潜航器(501)上浮下潜控制方法

当该潜航器(501)需要上浮或下潜时，由测量船基站(11)对单片机(5)下达命令，控制纯水液压泵(3)的开启或关闭；锂电池组(7)通过升压后为纯水液压泵(3)供电；

1)潜航器(501)下潜

所述的纯水液压泵(3)从潜航器(501)外将水抽入水箱(2)中增大潜航器(501)的总体重量，当潜航器(501)的所受重力大于潜航器(501)所受浮力时，潜航器(501)开始下潜，当潜航器(501)下潜至一定高度时，即潜航器(501)所受浮力与此时所受重力相等时，停止下潜；

2)潜航器(501)上浮

所述的潜航器(501)需要上浮时，使用纯水液压泵(3)将水箱(2)中的水抽出到外部海水中，此时，潜航器(501)的整体重量不断减少，潜航器(501)所处位置受到的浮力大于潜航器(501)的自身重力，潜航器(501)上浮至所受重力与浮力相等的位置；

②潜航器(501)的移动控制方法

该潜航器(501)需要前进或后退时，由测量船基站(11)对单片机(5)下达命令，控制动力推进左装置(21)和动力推进右装置(8)左右两部分螺旋桨进行同步正转或者反转，以达到正前方或正后方行驶的目的；当潜航器(501)需要向左行驶的时候，通过测量船基站(11)对单片机(5)下达命令，使左侧螺旋桨转动速度较慢，右侧螺旋桨转动速度较快，左侧螺旋桨的推力小于右侧螺旋桨的推力，右侧受力大于左侧受力故航向为向前偏左；当行驶方向为向右行驶的时候，控制左侧螺旋桨转动速度大于右侧螺旋桨转动速度，即该潜航器左侧受力大于右侧受力，此时航向为向前偏右；

③潜航器测量部分(102)发现目标的方法

所述的潜航器测量部分(102)中的阻抗分析仪(6)通过锂电池组(7)升压后供电，阻抗分析仪(6)在使用时处于常开的扫频界面，阻抗分析仪(6)与测量用PZT压电传感器(4)通过阻抗分析仪(6)的外部夹具和测量用PZT压电传感器(4)的导电引线相连，导电引线焊接在压电陶瓷片上，阻抗分析仪(6)夹具上的另一部分与测量用PZT压电传感器(4)非压电陶瓷部分通过导电引线相连接，导线焊接在非压电陶瓷片部分，水下移动潜体(20)所发出的频率信号的频率为f，阻抗分析仪(6)的扫描频率范围为f±0.1kHz；

由测量船基站(11)对单片机(5)下达命令，控制阻抗分析仪(6)扫频的开启或关闭；所述的阻抗分析仪(6)通过扫频，当测量用PZT压电传感器(4)接收到水下移动潜体(20)所发出的频率信号时，阻抗分析仪(6)扫频出现共振频谱，该频谱波峰所处于的频率即为扫描信号与水下移动潜体(20)所发出的共振频率；

④测量船基站(11)与潜航器无线通讯部分(104)的通讯流程控制

所述的潜航器无线通讯部分(104)与测量船基站(11)通讯流程控制为：由测量船基站(11)与潜航器无线通讯部分(104)建立连接，测量船基站(11)通过船上无线发送装置将需要下达的指令发送给潜航器上无线通讯部分(104)，无线通讯部分(104)接收到此指令后与单片机(5)之间进行数据交换，单片机(5)根据无线通讯部分(104)所传递来的指令信息，执行对潜航器(501)内部所有设备的调度；

⑤水下移动潜体(20)位置的识别方法

以下以水下移动潜体(20)位置固定，且水下移动潜体(20)发出的频率40kHz为例来说水下移动潜体(20)位置的识别方法；

1)将潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)上的阻抗分析仪的扫频范围设定为39.9kHz～40.1kHz，将40kHz的水下移动潜体(20)放入目标海域，将三个潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)开到目标海域，通过测量船基站(11)向潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)发出扫频指令，潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)扫频后，把数据传回测量船基站(11)进行分析，当潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)都能扫频到稳定的40kHz的水下移动潜体(20)时，说明潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)都进入到水下移动潜体(20)能识别的海域；

2)建立位置识别的数据库

A、神经网络数据库的建立

采集的实验数据会经过传输接口传给计算机，进行神经网络的数据创建；将采集的数据建立样本，并对数据进行归1化缩放处理；在对水下移动潜体(20)探测定位中，位置编码能显示水下移动潜体(20)的位置，设置不同的位置k＝1～6，且k分别对应：对比信号、50m、500m、1000m、2000m、3000m；不同位置的编码用6阶单位矩阵E表示；

设置网络测试次数的上限定为1000次，网络的收敛率为0.01，网络的测试误差定为0.001；网络的隐层节点数为16，网络的输出层节点为6；最终的目标输出向量E₁与E一致时，探测定位水下移动潜体(20)的网络满足要求；

B、神经网络数据库验证

以距离为1900m的测试数据为例，输入神经网络进行数据检验，测得水下移动潜体(20)在距离潜航器(501)2000m附近，该神经网络有效；

3)确定水下移动潜体(20)的位置

当潜航器(501)检测到信号时，则水下移动潜体(20)在该潜航器(501)测量范围内，此时，操控其余潜航器(502)和潜航器(503)分别往该潜航器(501)的四周运动，并检测信号，直到潜航器(502)和潜航器(503)能分别检测到目标信号为止；在t时刻，潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)的空间坐标(x₁,y₁,z₀)、(x₂,y₂,z₀)、(x₃,y₃,z₀)由GPS定位组件(10)获得；通过神经网络分析，确定潜航器(501)、潜航器(502)、潜航器(503)距水下移动潜体(20)的距离分别为L₁、L₂、L₃；则水下移动潜体(20)必定在以潜航器(501)为圆心L₁为半径的球面、以潜航器(502)为圆心L₂为半径的球面以潜航器(503)为圆心L₃为半径的三球面的水下交点处；

利用空间三球定位原理，三潜航器的位置坐标,即三球球心坐标(x₁,y₁,z₀)、(x₂,y₂,z₀)、(x₃,y₃,z₀)由GPS定位组件(10)获得，三组水下潜航器与水下移动潜体(20)的距离分别为L₁、L₂、L₃；该潜航器在同一水平面，所以坐标z₀不变，得到三个球的方程分别为：

(x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₀)²＝L₁²

(x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₀)²＝L₂²

(x-x₃)²+(y-y₃)²+(z-z₀)²＝L₃²

在t₁时刻的交点P₁(x,y,z)为：

该交点P₁(x,y,z)即为水下移动潜体(20)的位置坐标。

⑥水下移动潜体(20)的轨迹确定

以下以水下移动潜体(20)位置移动，且水下移动潜体(20)发出的频率40kHz为例，来说水下移动潜体(20)位置的识别方法；

所上所述，在t₁时刻，测得水下移动潜体(20)的位置坐标为P₁(x，y，z)。

同理，在t₂时刻的水下移动潜体(20)的位置坐标P₂(x，y，z)；在t₃时刻的水下移动潜体(20)的位置坐标P₃(x，y，z)；…；在t_n时刻的水下移动潜体(20)的位置坐标P_n(x，y，z)；

由时间坐标t₁、t₂、…、t_n和与其对应的水下移动潜体(20)的位置坐标P₁(x，y，z)、P₂(x，y，z)、…、P_n(x，y，z)，通过软件进行曲线拟合，得到水下移动频率目标在不同时刻的运动轨迹方程。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。