一种可变深主动声学浮标探测方法及装置与流程

1.本发明涉及水声工程领域，特别是关于一种可变深主动声学浮标探测方法及装置。


背景技术：

2.声学浮标是一种布置在指定海域，对周围一定范围内的目标进行声学探测定位的装置。由于海洋环境噪声时空域特性是非常复杂的，其在不同时间、不同深度、不同海域、不同水文下的海洋环境噪声都存在较大差异，特别是背景噪声较高时，声学浮标的探测能力很有限。此外，在现有技术中，声学浮标往往采用被动探测的方式进行监测，无法对目标进行测距测速，难以精准定位，少数采用主动探测的声学浮标受限于电池能量携带和供应问题，不能长期处于高功耗状态，因此面临功率不足、有效值守短的限制，无法及时发现定位并持续跟踪水下目标；且现有的浮标装置的信号与信息处理方法，主要是进行波束形成、能量检测或匹配滤波、功率谱分析等处理，无法达到无人条件下针对水下目标的主动检测-定位-分类-跟踪(detection
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location
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classification
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tracking,dlct)一体化与自主化，进而影响对目标的及时识别与威胁判断。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种声学浮标探测方法及装置，以自主完成深海或者复杂海域针对水下目标的持续检测-定位-分类-跟踪与威胁判断。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种可变深主动声学浮标自主探测方法，包括以下步骤：
5.s1、获取情报信息和遥控指令；
6.s2、制定目标探测策略，并根据所述目标探测策略发出控制指令；
7.s3、控制声学浮标的声呐按照所述控制指令发出探测信号；
8.其中，制定目标探测策略的步骤包括：
9.s201：提供一预设探测策略；
10.s202：根据预设探测策略和情报信息、遥控指令生成探测参数；
11.s203：根据所述探测参数和不同的声传播效应进行声场建模；
12.s204：基于所述声场建模结果进行性能预报，根据所述性能预报结果评估当前工作参数和声传播效应下声呐的探测范围和探测概率是否满足预设要求；若是，则将当前探测参数对应的探测策略作为目标探测策略；若否，则调整所述探测参数，并返回步骤s203。
13.可选的，所述情报信息包括海区环境情报和可疑目标情报，所述海区环境情报包括声学浮标所处的海域的环境参数，所述可疑目标情报包括可疑目标位置、可疑目标类型、可疑目标威胁等级中的一种或多种。
14.可选的，所述情报信息还包括：声学浮标的状态信息，所述声学浮标的状态信息包括声学浮标的位置、姿态以及漂流速度中的一种或多种。
15.可选的，所述声传播效应包括直达声路径、深海声道、第一会聚区、可靠声路径、海底反射中的一种或几种；
16.所述性能预报包括传播损失、混响级、声呐作用距离、声呐探测概率、海底杂波强度与亮点结构、目标强度与亮点结构中的一种或多种。
17.可选的，所述探测参数包括发射信号波形、信号发控指令和变深指令。
18.可选的，所述目标探测策略还包括提供目标回波与背景干扰特征预报，所述目标回波与背景干扰特征预报包括当前声呐工作模式下的目标回波与噪声、混响、海底杂波中的一种或多种背景干扰的时空频基本特征预报。
19.可选的，步骤s3之后还包括：
20.s4：接收回波信号，并对所述回波信号进行信号处理；
21.s5：根据所述信号处理的输出生成探测画面；
22.s6：对多ping累积下的探测画面进行处理，形成目标点迹，进而对目标属性和威胁等级进行自动辨识与评估，生成目标探测结果；
23.s7：将所述目标探测结果发送至外部终端。
24.可选的，对所述回波信号进行信号处理包括：
25.s401：按照数据传输协议对接收的回波信号数据中提取有效的采集信号，并加以动态范围和时空序上的规整，形成多通道阵元级信号数据；
26.s402：对多通道阵元级信号数据进行滤波和均匀化处理；包括带通滤波、尺度滤波、前置均匀化和恒定低旁瓣空间滤波；并将多通道阵元级信号数据分裂为左右两个子阵波束输出；
27.s403：根据声学浮标漂流方向与速度、发射信号参数，计算指定波束方向上的本地混响多普勒频移与扩展并进行抑制；
28.s404：根据发射波形和目标回波特征预报，对两个子阵波束分别生成多子波多速度通道的系列信号副本，然后逐副本进行匹配滤波；
29.s405：任一子波的多速度匹配输出对应一幅模糊度图，对任一子阵波束的多子波输出的多幅模糊度图进行非线性融合，以获得时频联合域上的超分辨能力；
30.s406：基于指定方向上的左右两个子阵波束匹配融合后作为一个总阵波束输出，对总阵波束进行相位单元化处理，以抑制主瓣干扰获得空时联合域上的超分辨能力；
31.s407：根据目标回波特征预报和时-空-频超分辨处理影响，对总阵波束实施与超分辨后回波统计特征适配的后置均匀化处理。
32.可选的，步骤s5包括：
33.s501：在声学浮标的自然坐标系下对后置均匀化的输出数据按照有效显示面积累积平滑或重采样为平面图像作为相对探测画面，并对相对探测画每个探测ping完整刷新一次；
34.s502：根据声学浮标的标位、接收阵向、接收阵姿态信息进行坐标转换；
35.s503：将相对探测画面经坐标转换后的平面图像作为绝对探测画面；
36.步骤s6包括：
37.s601：根据目标回波与背景干扰特征预报计算恒虚警阈值、目标速度界限和目标尺度界限并形成多特征综合门限，将绝对探测画面上的数据进行自动检测，保留过门限的
数据，并零化其余数据；
38.s602：对自动检测后的画面数据进行目标点提取和接触级跟踪；
39.s603：根据多ping累积下的接触级跟踪结果，形成目标点迹，通过将目标点迹与水下目标运动规律作一致性判定，根据判定结果对点迹数据进行修正并将修正后的数据返回至步骤s601重新计算多特征综合门限并重复步骤s602和s603；
40.s604：根据所述自动检测和跟踪结果累积，对目标属性和威胁等级进行自动辨识与评估，形成dlct结果，完成自主探测。
41.本发明还提供一种声学浮标装置，所述声学浮标装置载荷变深主动声呐系统，并采用如前述任一项所述的可变深主动声学浮标探测方法进行目标探测。
42.本发明的有益效果：通过外部提供的情报信息和遥控指令制定目标探测策略，既可确保声学浮标装置与用户间的安全高效交互，又能满足声学浮标装置内部各组件控制与探测策略实施需求，通过对目标探测声呐工作参数和流程的寻优，既能保证合理高效的自动探测策略实施，又可产出为信号处理所用的目标回波与背景干扰特征预报，通过目标回波与背景干扰特征来对信号数据作相适应的处理，有效提高了信号处理的能力与效率，具有良好的辨识功能，能够适应并满足深海或地貌复杂海域的可变深主动探测精度需求。
附图说明
43.图1是根据本发明一实施方式的声学浮标装置的组件构成与展开形态示意图；
44.图2是根据本发明一实施方式的可变深主动声学浮标探测方法流程图；
45.图3是根据本发明一实施方式的可变深主动声学浮标探测的目标探测策略流程图；
46.图4是根据本发明一实施方式的可变深主动声学浮标探测的目标探测策略生成框架示意图；
47.图5是根据本发明一实施方式的可变深主动声学浮标探测的信息处理流程图；
48.图6是根据本发明一实施方式的可变深主动声学浮标探测的信号处理方法流程图；
49.图7是根据本发明一实施方式的可变深主动声学浮标探测的回波信号生成探测画面的流程图；
50.图8是根据本发明一实施方式的可变深主动声学浮标探测方法处理示意图。
51.主要附图标记说明：
52.1、浮囊；2、水面舱；3、发电机；4、通信模块；5、顶层电子单元；6、启动电池；7、充电器；8、进气管；9、排气管；10、燃料舱；11、燃油包；12、缆车舱；13、绞车；14、底层舱；15、功率放大器；16、电池组；17、发射阵；18、接收阵；19、底层电子单元；20、阵元；21、中心杆；22、接收臂；23、沉块。
具体实施方式
53.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
54.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变
换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
55.在本发明的描述中，术语“第一”(“首先”)、“第二”(“其次”)等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”(“首先”)、“第二”(“其次”)的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。此外，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
56.在本发明的描述中，提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
57.参照图1，在本发明的优选实施方式中，声学浮标装置是一个声源可长时间发射、基阵可大范围变深的中大型水面浮标，浮标包括浮囊1和浮标本体，浮标本体包括变深主动声呐系统，浮标本体从上至下依次可分为4个舱段，包括：水面舱2、燃料舱10、缆车舱12、底层舱14。其中，水面舱2内设有发电机3、充电器7、启动电池6、通信模块4和顶层电子单元5，浮囊1设置在水面舱2的外侧，燃料舱10内设有给发电机3供油的燃油包11，缆车舱12内设有绞车13和承重电缆，底层舱14包括功率放大器15和电池组16，浮标还包括连接在承重电缆末端的发射阵17、接收阵18和底层电子单元19等组件。
58.通过燃料舱10内的燃料给到发电机3，由发电机3发电给电池组16充电进而为声学浮标的用电单元供能，能够实现在深海海域进行长时间的主动探测。
59.在一些实施例中，如图2所示，本发明提供了一种可变深主动声学浮标探测方法，包括以下步骤：
60.s1、获取情报信息和遥控指令；
61.s2、制定目标探测策略，并根据所述目标探测策略发出控制指令；
62.s3、控制声学浮标的声呐按照所述控制指令发出探测信号。
63.在步骤s1中，声学浮标通过通信模块4与外部终端实现通信，外部终端可以是用户或岸边控制中心，通信模块4可以是卫星或无线通信组件。
64.在一些实施例中，所述情报信息包括海区环境情报和可疑目标情报，所述海区环境情报包括声学浮标所处的海域的环境参数，如水深、水底地貌、风浪参数等；所述可疑目标情报包括可疑目标位置、可疑目标类型、可疑目标威胁等级中的一种或多种。其中遥控指令信息包括开机、关机、变深(变换发射阵17及接收阵18的深度)、变发射(变换发射信号类型/频段/带宽/脉宽、发射间隔、发射功率、发射指向等)、启动发射、停止发射、解除电池组16、自毁等声学浮标指令，用以控制声学浮标的发射信号、姿态以及工作状态。
65.在一些实施例中，所述情报信息还包括：声学浮标的状态信息，所述声学浮标的状态信息包括声学浮标的地理位置、接收阵18姿态以及漂流速度中的一种或多种。这里声学浮标的状态信息是由外部定位系统如卫星或基站传来的定位校准数据，供定位模块使用，定位模块根据定位校准数据解算出声学浮标的位置和漂流速度信息，发送至顶层电子单元5和底层电子单元19。
66.探测信号的发射控制是由顶层电子单元5发出控制信号至功率放大器15并生成的多通道发射信号，多通道发射信号经功率放大器15按订制功率放大后发送至发射阵17，由
发射阵17作电声转换按指定垂直束控(水平全向无束控)辐射至水中的声信号。这里多通道发射信号是指由单通道基础发射波形衍生，通道数同于发射阵17阵元数，各通道时延差根据垂直束控计算确定。
67.进一步的，参照图3，声学浮标中的顶层电子单元5根据获取的情报信息、遥控指令以及状态信息制定目标探测策略，具体包括以下步骤：
68.s201：提供一预设探测策略。预设探测策略是提前预设在声学浮标的顶层电子单元5内的存储器中。
69.s202：根据预设探测策略和情报信息、遥控指令生成探测参数。探测参数主要包括：发射信号波形、信号发控指令和变深指令；
70.s203：根据所述探测参数和不同的声传播效应进行声场建模，
71.s204：基于所述声场建模结果进行性能预报，根据所述性能预报结果评估当前工作参数和声传播效应下声呐的探测范围和探测概率是否满足预设要求；若是，则将当前探测参数对应的探测策略作为目标探测策略；若否，则调整所述探测参数，并返回步骤s203。
72.这里步骤s203-s204是一个目标探测策略的自动寻优步骤，进一步参照图4，具体分为三部分：
73.t1.策略生成部分。目标探测策略包括变发射和变深两个方面，最佳策略的制定本质上即声呐发射和阵深相关工作参数设置与流程控制的最优化，因此，声呐工作参数寻优部件是目标探测策略生成的核心部件。这一部件的输入包括通过预设探测策略得到的预置参数设置、通过用户遥控指令得到的遥控参数设置，以及声呐性能检视下的参数调整。其临时输出包括发射阵深、接收阵深、发射指向与束控、接收指向与束控、发射功率或源级、发射信号类型、发射频段与带宽、发射脉宽与间隔等一系列发射与阵深参数，这些临时输出将作为声场建模部分的设备条件输入。优化调整好的这些参数作为该部件的最终输出，进入目标探测策略生成部件，配以时序流程，形成最终的目标探测策略，包括发射波形、发控指令、变深指令三类信息。
74.t2.声场建模部分。这一部分的核心部件是多样化声传播效应建模，也是该声学浮标的特色功能体现之一，根据输入的发射、阵深、环境、目标条件，选择呈现直达声路径、深海声道、第一会聚区、可靠声路径、海底反射等多种声传播效应中的一种或几种进行水下声场建模，包括相应的海面散射、海底散射、目标散射和环境噪声建模。输入参数有三类：一是t1中声呐工作参数寻优部件临时输出的发射信号、收发阵深、收发指向类参数；二是预置或遥控传来海洋环境情报，包括海面参数(海况、浪高、海面散射系数等)、海底参数(底质类型、分层、海底散射系数)、海深、海底地形、声速剖面、中尺度流参数、背景噪声级等；三是预置或遥控传来的海上目标情报，包括海面大型目标和水下可疑目标的类型、位置、尺度、速度等。声场建模结果即该部件的最终输出，将进入性能预报部分。
75.t3.性能预报部分。基于声场建模，进行传播损失预报、混响级预报、声呐作用距离预报、声呐探测概率估算、海底杂波强度与亮点结构预报、目标强度与亮点结构预报等一系列计算，评估当前工作参数和声传播路径下声呐的探测范围和探测概率，以判断声呐是否达成最佳性能和可能的参数设置改进，反馈回t1中的声呐工作参数寻优部件，进入新一轮的“参数设置
→
声场建模
→
性能预报”流程。重复这一循环直到得到满足性能要求的参数设置方案。
76.此外，在一些实施例中，利用目标探测策略寻优环节建立的数学模型和探测参数，还能够提供目标回波与背景干扰特征预报。所谓目标回波与背景干扰特征预报是指目标回波与背景干扰特征建模与预报：基于声场建模和声呐性能预报中的各种参数计算，物理地或数值地给出与目标和环境情报适配的、当前声呐工作模式下的目标回波、混响和海底杂波等信号的时空频特征描述。理论上，寻优后的声呐工作参数下，按策略进行目标探测，接收信号中的目标回波与背景干扰应当具备与预报相吻合的特征。因此，这一特征预报是后续实施与环境和目标特征适配的信号处理的重要基础。
77.回波信号是指发射出去的探测波经目标或障碍物反射后被接收阵18阵元接收，并由接收阵18作声电转换并送至底层电子单元19的多通道阵元级信号。后续的信号处理就是对多通道阵元级信号进行数据处理，如图5所示。
78.在一些实施例中，步骤s3之后还包括回波信号处理的步骤，具体包括：
79.s4：接收回波信号，并对所述回波信号进行信号处理。
80.s5：根据所述信号处理的输出生成探测画面。
81.s6：对多ping累积下的探测画面进行处理，形成目标点迹，进而对目标属性和威胁等级进行自动辨识与评估，生成目标探测结果。
82.s7：将所述目标探测结果发送至外部终端。
83.进一步参照图6，在一些实施例中，对所述回波信号进行信号处理的步骤包括：
84.s401：按照数据传输协议对接收的回波信号数据中提取有效的采集信号，并加以动态范围和时空序上的规整，形成多通道阵元级信号数据。
85.s402：对多通道阵元级信号数据进行滤波和均匀化处理；包括：
86.带通滤波和尺度滤波。根据发控指令提取当前发射频段和带宽，并计算距离分辨元和最大分辨尺度，由此设定带通滤波和尺度滤波范围，对输入数据进行滤波。
87.前置均匀化。根据混响与杂波特征设计实施均匀化处理，降低数据的非平稳非高斯非白性，减小其动态范围。
88.恒定低旁瓣空间滤波。根据阵展状态设计实施恒定低旁瓣空间滤波以降低旁瓣干扰，并分裂为左右两个子阵波束输出。
89.s403：根据声学浮标漂流方向与速度、发射信号参数，计算指定波束方向上的本地混响多普勒频移与扩展并进行抑制；优选采用零化滤波器进行抑制。
90.s404：根据发射波形和目标回波特征预报，对两个子阵波束分别生成多子波多速度通道的系列信号副本，然后逐副本进行匹配滤波。这里的多子波，既包括组合信号的组合子波，也包括多亮点回波的亮点子波。
91.s405：任一子波的多速度匹配输出对应一幅模糊度图，对任一子阵波束的多子波输出的多幅模糊度图进行非线性融合，以获得时频联合域上的超分辨能力。
92.s406：基于指定方向上的左右两个子阵波束匹配融合后作为一个总阵波束输出，对总阵波束进行相位单元化处理，以抑制主瓣干扰获得空时联合域上的超分辨能力。
93.s407：根据目标回波特征预报和时-空-频超分辨处理影响，对总阵波束实施与超分辨后回波统计特征适配的后置均匀化处理，这样可以进一步降低虚警。
94.进一步参照图7，在一些实施例中，步骤s5包括：
95.s501：相对探测画面生成。在声学浮标的自然坐标系下对后置均匀化的输出数据
按照有效显示面积累积平滑或重采样为平面图像作为相对探测画面，并对相对探测画每个探测ping完整刷新一次。声学浮标的接收阵18自然坐标系，是指相对方位或舷角-距离-相对径向速度-数据强度或幅度构建的坐标系。
96.s502：根据声学浮标的位置、接收阵向、接收阵姿态信息进行坐标转换。相对坐标系的缺点是浮标的漂移、接收阵18或发射阵17的转动和倾斜等运动因素都会被计入进来，导致目标的真实运动状态无法得知。根据声学浮标的位置和阵向、阵姿态信息设计实施坐标转换后，能够进一步校准目标状态，提高探测的精度。
97.s503：将相对探测画面经坐标转换后的平面图像作为绝对探测画面。经过坐标转换，相对探测画面上的点转化为地理位置(经度-纬度，或者参照某固定地理点的横纵位移)-绝对径速-强度坐标系下的点。根据人机工效学将其设计表达为平面图像，此即绝对探测画面。该画面上的点已经消除了运动影响。
98.在一些实施例中，步骤s6包括：
99.s601：根据目标回波与背景干扰特征预报计算恒虚警阈值、目标速度界限和目标尺度界限并形成多特征综合门限，将绝对探测画面上的数据进行自动检测，保留过门限的数据，并零化其余数据。
100.s602：对自动检测后的画面数据进行目标点提取和接触级跟踪，在跟踪过程中可以动态调节位置和速度信息的权重。
101.s603：根据多ping累积下的接触级跟踪结果，形成目标点迹，通过将目标点迹与水下目标运动规律作一致性判定，根据判定结果对点迹数据进行修正并将修正后的数据返回至步骤s601重新计算多特征综合门限并重复步骤s602和s603。点迹数据进行修正是指通过这些点迹与水下目标运动规律的一致性判定目标属性，或者根据运动规律勾连恢复或修正重配那些跟踪丢失或错误的点迹，紊乱点迹将被抛弃，而稳定点迹形成的规律会反馈至步骤s601修正速度界或尺度界综合门限，从而形成新的更低虚警的自动检测。
102.s604：根据所述自动检测和跟踪结果累积，对目标属性和威胁等级进行自动辨识与评估，形成dlct结果，完成自主探测。dlct结果包括目标的位置、速度、尺度、类型和威胁等级。
103.另一方面，本发明实施例还提供一种声学浮标装置，所述声学浮标装置载荷变深主动声呐系统，所述变深主动声呐系统可在不同深度上向水中以大功率辐射声脉冲信号并以大孔径接收其回波信号并自主处理，并采用如前述任一项所述的可变深主动声学浮标探测方法进行目标探测。
104.在本发明优选实施例中，底层电子单元19将目标探测结果发送至顶层电子单元5进行汇总，通过卫星或无线通信组件发送至用户。
105.如图8所示，在本发明优选实施例中，发送给用户的信息还可以包括：目标位置探测结果对应ping时刻，和声学浮标装置的状态实时监控信息以及告警信息，其中，实时监控信息包括：接收阵18和发射阵17的深度、电池组16温度与电余量、燃油余量、发电机3状态、充电器7状态、绞车13状态、放缆长度、声学浮标的位置、顶层单元电池余量、底层单元电池余量等，告警信息包括：组件故障报警、碰撞报警、声阵触底报警、高威胁目标报警等。
106.在本发明实施例中，顶层电子单元5负责收集上述信息并汇总，通过通信模块传送给用户。其中，状态实时监控信息和告警信息来自于各组件，目标探测结果包括目标位置
(如方位、距离以及经纬度)、速度、类型、威胁等级等；实时监控信息用以支持用户远程研判浮标装置的工作状态；告警信息向用户警示非正常或危险状态，告警信息是实时的，产生即发送至顶层电子单元5经卫星或无线通信组件发送至用户；声学浮标的位置信息来自于卫星或无线通信组件，单独以特定刷新率发送给用户，或者和实时状态监控信息一起发送给用户。
107.在本发明其他实施例中，底层电子单元19可以配置信号记录仪，完整或针对关键时段选择性记录阵元级接收信号，以及阵向、阵深、阵姿态、发射信号、ping时刻、标位、目标回波与背景干扰特征预报等信息，以供声学浮标数据回收后用户进行离线分析。
108.在本发明优选实施例中，用户可以通过发送新的遥控指令和情报信息的方式，遥控更改目标探测策略，实现对目标探测过程的远程干预。顶层电子单元5设有目标探测策略生成模块，预设探测策略为所述目标探测策略生成模块的初始值。用户发来的阵深要求和发射信号波形、间隔、功率等要求会被作为新的工作参数寻优输入，用户发来的目标或环境情报会成为新的声场建模的条件输入，进而影响新的目标探测策略生成。预设探测策略和遥控指令及情报信息共同支持新目标探测策略生成后，针对各相关组件的新控制指令与参数会被即时发送并执行，目标回波与背景干扰特征预报信息更新后也会被及时发送至底层电子单元19以便对目标探测信号处理。
109.需要说明的是，附图中所示的声学浮标组件舱段构成与展开形态、信息与信号流、目标探测策略生成框架、接收信号处理方法框架等仅仅是各自实施例的对应示意或示例，仅为更加清楚地说明本发明的技术方案，并不构成对于本发明内容及其技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着声学浮标装置的演变和应用场景的扩展，本发明实施例所提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
110.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。