技术领域
本实用新型属于海洋监测系统技术领域，具体地说，是涉及一种用于识别和实时监测水面和水下低频移动目标的监测系统。
背景技术：
在现有的海洋监测研究领域中，多采用布设声纳基阵的方式来实现对水面和水下远距离移动目标的探测和识别。但是，目前的水面和水下目标，其辐射的噪声不断降低，主要集中在低频和甚低频段。因此，为了能够对水下目标和水面船只进行探测和识别，需要监测系统能够捕获低频和甚低频段的声场信息。但是，随着工作频率的降低，要求声纳基阵的几何尺寸不断增大，由此导致目标监测系统的体积日渐庞大，且其性能也很难满足低频和甚低频段声场信息的探测要求。
技术实现要素：
本实用新型为了解决传统采用声纳设备构建水下目标监测系统所存在的体积庞大、应用灵活性差的问题，提出了一种基于声速剖面仪和矢量水听器构建的目标监测系统，实现了对水下和水面移动目标的实时探测和识别，提高了整个系统的监测能力。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种用于识别水下和水面目标的实时监测系统，包括声速剖面仪、矢量水听器、数字罗经仪、控制单元和岸站；所述控制单元接收声速剖面仪、矢量水听器和数字罗经仪输出的检测信号并进行处理后，生成监测数据以有线或者无线的方式发送至岸站。
进一步的，在所述矢量水听器中设置有声压传感器和振速传感器，反馈声压检测信号和振速检测信号至所述的控制单元。
优选的，在所述控制单元中优选设置有依次连接的前置放大器、滤波器、模数转换器和数据采集单元，通过前置放大器接收所述声速剖面仪、矢量水听器和数字罗经仪输出的检测信号，通过数据采集单元将处理后生成的监测数据发送至岸站。
进一步的，在所述控制单元中还设置有存储器，连接数据采集单元，保存监测数据。
作为所述岸站的一种优选构建方式，在所述岸站中优选设置有数字信号处理模块和显示器，所述数字信号处理模块接收控制单元上传的监测数据，经处理后输出至显示器进行显示。
进一步的，所述声速剖面仪与矢量水听器布放在水下的同一深度，通过声速剖面仪测量矢量水听器所处水层的声速信息，为后期的目标识别提供所需的检测数据。
又进一步的，在所述实时监测系统中设置有潜标系统，所述矢量水听器和数字罗经仪包含在所述的潜标系统中，布放在水下的指定深度；所述声速剖面仪通过声学释放器连接锚，通过锚实现声速剖面仪在水下的定位布放。
再进一步的，在所述的潜标系统中设置有框体，为了减小晃动对监测系统的影响，在所述潜标系统的框体下还安装有减震器，以减小外界环境对矢量水听器的干扰。
优选的，所述矢量水听器的布放深度为30-80米，布放水域的深度为40-100米。
为了实现对不同水域移动目标的实时监测，所述声速剖面仪、矢量水听器、数字罗经仪和控制单元优选设置有多组，分布在不同的监测水域，监测不同水域的移动目标，并实时地上传至岸站。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的监测系统采用矢量水听器检测水下的声场信息，可以实现对低频和甚低频段辐射噪声的准确探测，并保证矢量通道具有良好的低频指向性和各向同性噪声的抑制能力。配合声速剖面仪和数字罗经仪还可以实现对矢量水听器所处深度和声速的检测，以及对目标的方位和深度的探测，不仅满足了对水面船只以及水下低频移动目标的检测和识别要求，而且可以有效解决传统声纳系统体积庞大的问题，系统配置灵活、多样，通过组网还可以实现对不同水域移动目标的实时监测，提高了海洋监测的实时性和机动能力。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本实用新型所提出的用于识别水下和水面目标的实时监测系统的整体架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。
20世纪中叶，浅海分层介质点源声场的简正波理论趋于成熟，分层介质声传播理论推动了20世纪60年代以后水声技术的飞速发展，矢量传感器、矢量声学和矢量信号处理技术也就此起步。矢量水听器的研究工作首见于美国学者五十年代发表的有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的论文，自此以后，俄罗斯、英国、法国等国家陆续开展了矢量水听器的研制工作。直到上世纪九十年代，矢量水听器的研究工作才开始大规模展开，且到目前为止仍然是水声领域研究的热点之一。
本实施例将矢量水听器应用到水面和水下目标的监测系统设计中，配合声速剖面仪和数字罗经仪共同检测目标信息，实现对水面船只和水下移动目标的准确检测和识别。具体设计方式参见图1所示，包括声速剖面仪、矢量水听器、数字罗经仪、控制单元和岸站等主要组成部分。其中，控制单元通过电缆连接声速剖面仪、矢量水听器和数字罗经仪，接收声速剖面仪、矢量水听器和数字罗经仪反馈的检测信号，并对检测信号进行处理后，生成监测数据发送至岸站，以提供给监测人员进行观测。
本实施例的矢量水听器由无指向性的声压传感器和具有偶极子指向性的振速传感器复合而成，可以接收频率范围在10-500Hz的辐射噪声，且矢量通道的指向性与频率无关，在低频和甚低频段同样可以获得良好的空间增益。因此，采用矢量水听器可以有效地接收低频和甚低频段的声场信息，满足对目前水下目标的探测和识别要求。
由于矢量水听器不同于传统的声压水听器，测量平台的扰动很容易对矢量水听器矢量通道的信号造成干扰，导致数据采集系统记录的信息不能正确地反映声场信息。为了减小海面波浪和海流对矢量水听器测量的影响，本实施例采用潜标系统承载矢量水听器和数字罗经仪，进行水下目标的辐射噪声的测量。由于潜标系统具有足够高的刚度和重量,因此可以避免矢量水听器在声场中作自由运动时造成框体的变形和位移。在将矢量水听器安装到潜标系统中时，矢量水听器应尽量远离潜标系统的框体,以减小框体的声散射对矢量水听器的性能产生影响。布放后，潜标系统处于悬浮状态，矢量水听器在水中呈自由状态，以确保矢量水听器发挥最佳性能。
为了减少潜标系统晃动对监测系统的测量产生不利影响，本实施例优选在潜标系统的框体上安装了减震器，通过减震器降低潜标系统的晃动幅度，以减小外界环境对矢量水听器的干扰。
在潜标系统中设置有声学释放器和锚，可以方便地将矢量水听器布放在监测水域中30-80米的深度位置，以准确地监测水面船只和水下的移动目标。在本实施例中，所述矢量水听器优选布放在深度为40-100米的水域中。
将数字罗经仪安装在所述的潜标系统中，一方面利用数字罗经仪作为姿态传感器输出方位数据，以提供潜标系统水下工作期间的姿态信息，并监测潜标系统的框体在海流与潮汐等因素影响下的姿态变化情况；另一方面，利用数字罗经仪还可以满足矢量水听器各主轴方向的对正需要。
利用矢量水听器同时测量空间一点处的声压和三个正交方向的振速信息，与潜标系统中的数字罗经仪检测到的方位数据一同传送给控制单元。在所述控制单元中设置有前置放大器、滤波器、模数转换器和数据采集单元。所述控制单元用于采集声速剖面仪、矢量水听器和数字罗经仪输出的检测信号，并利用前置放大器对采集到的微弱的检测信号通过进行前置放大处理，放大后的检测信号经由滤波器进行低通滤波处理后，传输到模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，输出至数据采集单元形成监测数据。通过数据采集单元输出的监测数据一方面可以传输至控制单元内部的存储器，实现自容式存储；另一方面可以采用有线或者无线传输的方式实时地上传至岸站，供监测人员观测。
若潜标系统的布放位置距离岸站较近，则可以采用电缆或者光缆等有线传输方式实现控制单元与岸站之间的数据通信。例如：当潜标系统布放在距离海岸较近的位置时，岸站可以设置在海岸上；当潜标系统布放在距离海岸较远的位置时，则岸站可以设置在监测船上。若潜标系统的布放位置距离岸站较远，则可以采用分别在控制单元和岸站中设置无线通信模块，以无线传输的方式实现控制单元与岸站之间的数据传输。
在所述岸站中设置有数字信号处理模块和显示器，经过控制单元预处理后输出的监测数据由岸站中的数字信号处理模块接收后，数字信号处理模块启动其内部的处理流程根据接收到的监测数据首先发现目标，然后对目标进行识别，分辨是水下目标还是水面船只，最后给出目标的方位、深度、距离等信息。在对目标识别、定位的过程中，主要是利用水平声强流有功分量的数值变化判断目标与失量水听器系统的水平距离，利用垂直声强流无功分量的符号变化判断目标的深度范围，利用垂直声强流的有功分量估计目标的径向运动速度，由此区别出目标是水下目标还是水面船只。
通过数字信号处理模块处理后获得的结果可以通过岸站中的显示器显示出来，主要包括矢量水听器所处的深度、声速、探测到的目标的方位、深度以及目标与矢量水听器之间的距离等信息。
本实施例的监测系统实时监测水下的声场信息，仅在发现低频移动目标后才启动下一步的目标识别过程，否则持续监测。采用这种设计方式可以实现监测系统的模块化管理，有利于降低系统的整机功耗和探测的虚警率。
在本实施例的监测系统中还设置有声速剖面仪，参见图1所示，声速剖面仪通过声学释放器和锚布设在监测水域中，且与矢量水听器系统布放在同一深度，用于测量矢量水听器所处水层的声速、深度、压力和温度等信息，并为后期的数据处理提供依据。通过声速剖面仪反馈的检测信号经由控制单元处理后，输出至岸站，最终可以通过岸站中的显示器显示出监测水域的声速剖面图，供监测人员参考。
在本实施例的实时监测系统中，声学释放器是为了方便布放和回收监测设备而采用的。在完成监测任务后，监测人员可以在岸站发出回收监测设备的指令，该指令信号通过声学释放器的岸上单元发送给水下单元，水下单元接收到命令后释放锚，进而使潜标系统和声速剖面仪浮出水面，便于工作人员打捞回收。
本实施例的实时监测系统，其接收频率范围可以在10-500Hz之间，探测距离不小于4km，准确识别水下和水面低频移动目标的概率可以达到95%以上。此外，通过采用组网的方式，在不同的监测水域分别布放声速剖面仪、矢量水听器、数字罗经仪和控制单元，由此可以实现对不同水域移动目标的实时监测，扩大监测范围。
当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。