一种多基地声纳浮标探测效能分析方法及存储介质与流程

本发明涉及声纳浮标探测技术领域，特别是涉及一种多基地声纳浮标探测效能分析方法及计算机可读存储介质。

背景技术：

随着潜艇减震降噪技术的发展和消声瓦的大量使用，潜艇辐射噪声级逐渐下降。传统单基地声纳越来越难以满足水下目标探测需求，多基地声纳系统由于其较强的抗干扰能力，更好的探测性能，战术使用隐蔽等优点受到各国重视。但是目前对多基地声纳系统仅能在发射机、接收机类型统一、阵型、数量已知条件下，通过优化声纳浮标布局提高多基地声纳浮标阵探测效能，但对于发射机、接收机数量、组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能则无法求解，从而影响任务海区、资源配置规划。

技术实现要素：

本发明提供了一种多基地声纳浮标探测效能分析方法及计算机可读存储介质，以解决现有技术中无法对发射机、接收机数量和组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能进行求解的问题。

第一方面，本发明提供了一种多基地声纳浮标探测效能分析方法，该方法包括：识别待分析的声纳浮标场类型；基于所述声纳浮标场类型计算所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度，并根据所述声纳浮标场密度确定所述待分析的声纳浮标场的检测概率，基于所述检测概率以及声纳浮标的综合性能来调整所述待分析的声纳浮标场内的声纳浮标的类型和布局，以在达到预设检测概率情况下，降低声纳浮标场内声纳浮标的布局成本；其中，所述待分析的声纳浮标场为多基地声纳浮标，且所述声纳浮标包括独立随机布放的发射机sbuoy、接收机rbuoy以及发射接收共位机c_srbuoy。

可选地，所述识别待分析的声纳浮标场类型之前，所述方法还包括：

预设i型声纳浮标场和ii型声纳浮标场；

所述i型声纳浮标场是独立随机布放的发射机sbuoy和独立随机布放的接收机rbuoy；

所述ii型声纳浮标场是独立随机布放的发射接收共位机c_srbuoy和独立随机布放的接收机rbuoy。

可选地，所述识别待分析的声纳浮标场类型，包括：基于所述待分析的声纳浮标场布放的发射机、接收机以及发射接收共位机之间的组成来识别所述待分析的声纳浮标场所属的声纳浮标场类型。

可选地，当所述待分析的声纳浮标场是i型声纳浮标场，所述基于所述声纳浮标场类型计算所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度，包括：求取所述待分析的声纳浮标场中所有的声纳浮标所构成的面积a1，sbuoy的随机布放密度rbuoy的随机布放密度则所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度为：λ＝[λs,λr]；其中，ns为sbuoy的数量，nr为rbuoy的数量。

可选地，所述求取所述待分析的声纳浮标场中所有的声纳浮标所构成的面积a1，包括：根据凸多边形面积公式，求解凸多边形声纳浮标场面积：

其中，第一声纳浮标(x11,y11)、第二声纳浮标(x12,y12)、第一声纳浮标(x13,y13)……第n声纳浮标(x1n,y1n)均为i型声纳浮标场中的各个声纳浮标的坐标。

可选地，根据所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度确定声纳浮标场的检测概率，包括：对声纳浮标场内的随机目标t，任意半径r内不存在声纳浮标的概率，即声纳浮标点距离随机目标t的距离r大于r的概率是一个泊松随机变量τ＝0的概率：其中λ是该声纳浮标的随机布放密度，则，随机目标t半径r内没有sbuoy声纳浮标的概率

随机目标t半径r内没有rbuoy声纳浮标的概率

根据概率密度函数得到

根据计算声纳浮标场检测失败概率：

进一步根据p(t)＝1-qi计算声纳浮标场检测概率；

其中，rs为sbuoy距离随机目标t的距离，λs为sbuoy的随机布放密度，rr为rbuoy距离随机目标t的距离，λr为rbuoy随机布放密度。

可选地，当所述待分析的声纳浮标场是ii型声纳浮标场，所述基于所述声纳浮标场类型计算所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度，包括：

求取所述待分析的声纳浮标场中所有的声纳浮标所构成的面积a2，c_srbuoy的随机布放密度rbuoy的随机布放密度则所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度为：λ＝[λsr,λr]；其中，nsr为c_srbuoy的数量，nr为rbuoy的数量。

可选地，所述求取所述待分析的声纳浮标场中所有的声纳浮标所构成的面积a2，包括：根据凸多边形面积公式，求解凸多边形声纳浮标场面积：

其中，第一声纳浮标(x21,y21)、第二声纳浮标(x22,y22)、第一声纳浮标(x23,y23)……第n声纳浮标(x2n,y2n)为ii型声纳浮标场中的各个声纳浮标的坐标。

可选地，根据所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度确定声纳浮标场的检测概率，包括：对声纳浮标场内的随机目标t，任意半径r内不存在声纳浮标的概率，即声纳浮标点距离随机目标t的距离r大于r的概率是一个泊松随机变量τ＝0的概率：其中λ是该声纳浮标的随机布放密度，则，随机目标t半径r内没有rbuoy声纳浮标的概率

随机目标t半径r内没有c_srbuoy声纳浮标的概率

因为概率密度函数那么

将代入qii可以计算出qii

进一步根据p(t)＝1-qii计算声纳浮标场检测概率；

其中，rsr为c_srbuoy距离随机目标t的距离，λsr为c_srbuoy的随机布放密度，rr为rbuoy距离随机目标t的距离，λr为rbuoy随机布放密度，为对所述随机目标t的双基地浮标系统等效战术作用半径。

第二方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有信号映射的计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时，以实现上述任一种所述的多基地声纳浮标探测效能分析方法。

本发明有益效果如下：

本发明通过识别待分析的声纳浮标场类型，然后基于声纳浮标场类型计算该声纳浮标场的声纳浮标场密度，进一步根据声纳浮标场密度确定待分析的声纳浮标场的检测概率，最后基于检测概率以及声纳浮标的综合性能来调整所述待分析的声纳浮标场内的声纳浮标的类型和布局，以在达到预设检测概率情况下，降低声纳浮标场内声纳浮标的布局成本，从而实现对数量、组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能进行分析和调整，为多基地声纳浮标任务海区、资源配置规划等提供了分析手段，进而有效解决了现有对于发射机、接收机数量、组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能不能进行有效分析的问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明第一实施例提供的一种多基地声纳浮标探测效能分析流程示意图；

图2是本发明现有双基地声纳浮标检测原理示意图；

图3是本发明第一实施例提供的两类多基地声纳浮标场类型原理示意图；

图4是本发明第一实施例提供的另一种多基地声纳浮标探测效能分析流程示意图；

图5是本发明第一实施例提供的i型声纳浮标的布放示意图；

图6是本发明第一实施例提供的ii型声纳浮标的布放示意图。

具体实施方式

针对现有仅能对多基地声纳系统仅能在发射机、接收机类型统一、阵型、数量已知条件下，通过优化声纳浮标布局提高多基地声纳浮标阵探测效能，但对于发射机、接收机数量、组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能则无法求解的问题，本发明通过识别待分析的声纳浮标场类型，然后基于声纳浮标场类型计算该声纳浮标场的声纳浮标场密度，进一步根据声纳浮标场密度确定待分析的声纳浮标场的检测概率，最后基于检测概率以及声纳浮标的综合性能来调整所述待分析的声纳浮标场内的声纳浮标的类型和布局，以在达到预设检测概率情况下，降低声纳浮标场内声纳浮标的布局成本，从而实现对数量、组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能进行分析和调整，为多基地声纳浮标任务海区、资源配置规划等提供了分析手段，进而有效解决了现有对于发射机、接收机数量、组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能不能进行有效分析的问题。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明实施例提供了一种多基地声纳浮标探测效能分析方法，参见图1，该方法包括：

s101、识别待分析的声纳浮标场类型；

需要说明的是，本发明实施例针对的是多基地声纳浮标，且所述声纳浮标包括独立随机布放的发射机sbuoy、接收机rbuoy以及发射接收共位机c_srbuoy。

具体实施时，在步骤s101之前，本发明实施例所述方法还包括：预设i型声纳浮标场和ii型声纳浮标场；所述i型声纳浮标场是独立随机布放的发射机sbuoy和接收机rbuoy；所述ii型声纳浮标场是独立随机布放的发射接收共位机c_srbuoy和接收机rbuoy。

具体来说，本发明实施例所述识别待分析的声纳浮标场类型，包括：基于所述待分析的声纳浮标场布放的发射机、接收机以及发射接收共位机之间的组成来识别所述待分析的声纳浮标场所属的声纳浮标场类型。

也即，本发明实施例是基于发射机、接收机以及发射接收共位机之间的组合布局来设置不同的声纳浮标场类型，为了便于实施，本发明实施例设置了两种声纳浮标场，分别是i型声纳浮标场和ii型声纳浮标场，其中，i型声纳浮标场是独立随机布放的发射机sbuoy和接收机rbuoy；ii型声纳浮标场是独立随机布放的发射接收共位机c_srbuoy和接收机rbuoy。

s102、基于声纳浮标场类型计算待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度；

当所述待分析的声纳浮标场是i型声纳浮标场，所述基于所述声纳浮标场类型计算所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度，包括：求取所述待分析的声纳浮标场中所有的声纳浮标所构成的面积a1，sbuoy的随机布放密度rbuoy的随机布放密度则所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度为：λ＝[λs,λr]；其中，ns为sbuoy的数量，nr为rbuoy的数量。

当所述待分析的声纳浮标场是ii型声纳浮标场，所述基于所述声纳浮标场类型计算所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度，包括：求取所述待分析的声纳浮标场中所有的声纳浮标所构成的面积a2，c_srbuoy的随机布放密度rbuoy的随机布放密度则所述待分析的声纳浮标场的声纳浮标场密度为：λ＝[λsr,λr]；其中，nsr为c_srbuoy的数量，nr为rbuoy的数量。

s103、根据声纳浮标场密度确定待分析的声纳浮标场的检测概率；

当所述待分析的声纳浮标场是i型声纳浮标场：对声纳浮标场内的随机目标t，任意半径r内不存在声纳浮标的概率，即声纳浮标点距离随机目标t的距离r大于r的概率是一个泊松随机变量τ＝0的概率：其中λ是该声纳浮标的随机布放密度，则，

随机目标t半径r内没有sbuoy声纳浮标的概率

随机目标t半径r内没有rbuoy声纳浮标的概率

根据概率密度函数得到

根据计算声纳浮标场检测失败概率：

进一步根据p(t)＝1-qi计算声纳浮标场检测概率；

其中，rs为sbuoy距离随机目标t的距离，λs为rbuoy随机布放密度，rr为sbuoy距离随机目标t的距离，λr为rbuoy随机布放密度。

当所述待分析的声纳浮标场是ii型声纳浮标场，对声纳浮标场内的随机目标t，任意半径r内不存在声纳浮标的概率，即声纳浮标点距离随机目标t的距离r大于r的概率是一个泊松随机变量τ＝0的概率：其中λ是该声纳浮标的随机布放密度，则，

随机目标t半径r内没有rbuoy声纳浮标的概率

随机目标t半径r内没有c_srbuoy声纳浮标的概率

因为概率密度函数那么

将代人qii可以计算出qii

进一步根据p(t)＝1-qii计算声纳浮标场检测概率；

其中，rsr为c_srbuoy距离随机目标t的距离，λsr为c_srbuoy的随机布放密度，rr为rbuoy距离随机目标t的距离，λr为rbuoy随机布放密度。

s104、基于所计算得到的检测概率、预设检测概率以及声纳浮标的综合性能来调整所述待分析的声纳浮标场内的声纳浮标的类型和布局，以在达到预设检测概率情况下，降低声纳浮标场内声纳浮标的布局成本。

需要说明的是，本发明实施例所述预设检测概率是操作者等预设的需要达到的检测概率，具体实施时本领域技术人员可以根据实际需要进行任意设置，本发明对此不作具体限定。

具体地，本发明实施例是基于计算所得到的检测概率、预设检测概率，以及待分析的声纳浮标场内的各个声纳浮标的发射和接收信号的性能、各个声纳浮标的成本、计划支付费用、以及声纳浮标场的面积等等来共同进行综合分析和调整，使得待分析的声纳浮标场内的声纳浮标的类型和布局在达到预设检测概率情况下，尽量降低声纳浮标场内声纳浮标的布局成本，最终给出最少的资源数量、最少支出且最优检测概率情况下的声纳浮标组合。

即，本发明实施例是通过调整面积a与资源数量n(该资源数据即上述的发射机sbuoy、接收机rbuoy以及发射接收共位机c_srbuoy的数量)，计算不同资源数量、不同组合下声纳浮标场密度λ，给出资源数量、组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能p(t)。

也就是说，本发明实施例是通过基于待分析的声纳浮标场类型来计算声纳浮标场的声纳浮标场密度，进一步根据声纳浮标场密度确定待分析的声纳浮标场的检测概率，最后基于检测概率以及声纳浮标的综合性能来调整所述待分析的声纳浮标场内的声纳浮标的类型和布局，以在达到预设检测概率情况下，降低声纳浮标场内声纳浮标的布局成本，从而实现对数量、组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能进行分析和调整，为多基地声纳浮标任务海区、资源配置规划等提供了分析手段。

在具体实施时，本发明实施例从应用角度划分3种声纳浮标应用类型和2类声纳浮标场，以便于任务海区、资源配置等规划应用时进行选择，其中3种声纳浮标应用类型分别是独立随机布放的发射机sbuoy、接收机rbuoy以及发射接收共位机c_srbuoy，而2类声纳浮标场则是i型声纳浮标场和ii型声纳浮标场。其中，i型声纳浮标场是独立随机布放的发射机sbuoy和接收机rbuoy，而ii型声纳浮标场是独立随机布放的发射接收共位机c_srbuoy和接收机rbuoy。

总体来说，本发明实施例所述方法的核心思想就是：对已知现有的浮标场能够确定其检测概率，也即本发明对已有的声纳浮标场能确定其所能达到什么样的检测效果，而对于有检测概率要求、场面积要求或者布局要求等前提条件的浮标场下，本发明也能确定什么样的浮标组合所能实现的效果最好。

简单地说，本发明实施例是从声纳方程基本原则出发，根据球面波传播损失公式tl推导给出双基地声纳浮标系统发射、接收的等效战术作用半径γ。利用泊松随机数增量是0的概率q代表目标t未被检测事件的概率，给出多基地声纳浮标对特定目标t的检测概率算式p(t)＝1-q。

对ii型声纳浮标场，当目标t距离c_srbuoy大于γ时，c_srbuoy检测不到目标t。当目标t距离c_srbuoy、rbuoy的距离乘积大于γ²时，c_srbuoy、rbuoy组成的声纳浮标场检测不到目标。只有当目标t既不能被c_srbuoy检测到，也不能被c_srbuoy、rbuoy组成的声纳浮标场检测到时，ii型声纳浮标场才不能检测到目标，所以因为c_srbuoy和rbuoy相互独立，因此本发明实施例得出：

计算公式。

通过调整面积a与资源数量n的比例，计算不同数量、组合发射机、接收机组成的声纳浮标场密度λ，给出发射机、接收机类型统一，数量、组合任意灵活的多基地声纳浮标探测效能p(t)，为多基地声纳浮标任务海区、资源配置规划提供分析手段。通过遍历探测效能曲线，选出最优声纳浮标场密度λ，从而为多基地声纳浮标任务海区、资源配置优化提供参考。

如图4所示，本发明提出的多基地声纳浮标探测效能的方法包括下列步骤：

步骤一：初始化声纳浮标类型。在本发明中，根据发射机和接收机的布放方法，定义3种统一的声纳浮标类型，如图2：

独立发射机sbuoy：发射机独立随机布放；

独立接收机rbuoy：接收机独立随机布放；

共位收发机c_srbuoy：发射机接收机共位随机布放；

步骤二：定义声纳浮标场，如图3。

(1)i型声纳浮标场：sbuoy、rbuoy覆盖的任务区a1；

如图5所示，一般情况下声纳浮标都是凸多边形，根据凸多边形面积公式，求解凸多边形声纳浮标场面积：

其中，第一声纳浮标(x11,y11)、第二声纳浮标(x12,y12)、第一声纳浮标(x13,y13)……第n声纳浮标(x1n,y1n)均为i型声纳浮标场中的各个声纳浮标的坐标。

(2)ii型声纳浮标场：c_srbuoy、rbuoy覆盖的任务区a2。

如图6所示，根据凸多边形面积公式，求解凸多边形声纳浮标场面积：

其中，第一声纳浮标(x21,y21)、第二声纳浮标(x22,y22)、第一声纳浮标(x23,y23)……第n声纳浮标(x2n,y2n)为ii型声纳浮标场中的各个声纳浮标的坐标。

步骤三：定义声纳浮标场对目标的检测概率公式

根据“信号级–背景干扰＝检测阈值”声纳方程基本原则，双基地声纳浮标的信号级大小为sl-tlt+ts，其中sl为发射机的声源级，tlt为声波从发射机到目标处的传播损失，ts为目标强度。背景干扰是nl+tlr–di，其中nl是海洋环境噪声级、tlr是声波从目标到接收机的传播损失、di是指向性能量。

双基地声纳方程是(sl+ts-tlt)–(nl+tlr-di)＝dt，其中dt是检测阈值。

由于多基地发射机是无指向性，不考虑海水介质吸收衰减，根据传播损失公式tl＝n×10lg(r)，声波能量按球面波衰减计算时n等于2，r是扩散距离。同时在一定范围内nl、di、dt是常数的假设基本成立，发射机、目标也确定，所以sl、ts是确定的。根据双基地声纳方程得到：sl+ts-(nl-di+dt)＝tlt+tlr＝20lg(rs)+20lg(rr)＝20lg(rs×rr)是一个确定数值。

本发明定义代表对特定目标t的双基地浮标系统等效战术作用半径，显然对于特定目标t的检测概率

由于声纳浮标随机布放，目标t被声纳浮标场检测次数是一个服从声纳浮标布放密度λ的泊松随机变量，首先计算泊松随机过程随机数增量是0的概率q(目标t未被声纳浮标场检测的概率)，再计算目标t的检测概率p(t)＝1-q。

i型声纳浮标场

对ii型声纳浮标场，当目标t距离c_srbuoy大于γ时，c_srbuoy检测不到目标t。当目标t距离c_srbuoy、rbuoy的距离乘积大于γ²时，c_srbuoy、rbuoy组成的声纳浮标场检测不到目标。只有当目标t既不能被c_srbuoy检测到，也不能被c_srbuoy、rbuoy组成的声纳浮标场检测到时，ii型声纳浮标场才不能检测到目标，所以因为c_srbuoy和rbuoy相互独立，

步骤四：计算声纳浮标场对目标的检测概率

根据sbuoy、rbuoy、c_srbuoy的数量计算sbuoy、rbuoy、c_srbuoy的密度其中ns、nr、nsr分别是sbuoy、rbuoy、c_srbuoy的布放数量。利用泊松过程独立平稳增量的数学性质，将λs、λr、λsr作为泊松强度参数代入(i)、(ii)，求解i型声纳浮标场、ii型声纳浮标场对目标t的检测失败概率：

i型声纳浮标场检测失败概率

ii型声纳浮标场检测失败概率

i声纳浮标场检测概率p(t)＝1-qi。

ii声纳浮标场检测概率p(t)＝1-qii。

与蒙特卡洛仿真方法相比，采用本发明所提供的多基地声纳浮标探测效能分析方法具有易于计算机编程实现、计算时间快、输入输出关系明确，支持探测效能寻优，比较效费比等。

假设γ＝5km、目标t可能存在区域面积a＝500km2，10个发射机、20个接收机，利用本发明计算目标t检测概率，结果表明声纳浮标最佳布放面积a’的大小与目标区域a的比例(即检测概率)即呈现凸函数关系，随着发射机、接收机平均布放间距加大检测概率增加，当发射机、接收机平均布放间距继续增加，双基地声纳浮标逐渐失效，检测概率开始下降。如果发射机、接收机成本差异大，声纳浮标场减小发射机数量、提高接收机数量，可以保持成本不增加甚至降低的条件下提高声纳浮标平均布放密度，不降低甚至提高检测概率，有较好的费效比。

本发明第二实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有信号映射的计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时，以实现本发明第一实施例中任一种所述的多基地声纳浮标探测效能分析方法。本发明实施例的相关内容可参见本发明第一实施例进行理解，在此不做详细论述。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。