一种改进的声纳系统区域探测效能评估方法与流程

本发明涉及声纳系统探测效能领域，主要是一种改进的声纳系统区域探测效能评估方法。

背景技术：

1、声纳系统是目前最为有效的水下探测设备，其探测效能具有显著的环境效应——随着海底地形、底质声学参数及声速剖面产生剧烈变化。如海底山、大陆坡等特殊地理结构能够增加声能量束在信道中的反射次数，使传播损失提高，降低声纳探测效能；而海洋涡旋、黑潮、内波等中尺度现象，能够通过影响海洋水文环境影响声纳探测效能。因此，利用声纳系统区域探测效能评估技术，分析海洋区域水声传播环境，了解声纳系统探测效能随空间分布规律，进行以探测能力最大化为目的的探测资源部署与机动平台航路规划具有十分重要的现实意义。

2、北京中安智能信息科技有限公司发明专利公开了一种基于海洋环境数据的声纳区域探测效能评估方法，该方法主要步骤包括：

3、1.对多来源的海洋环境数据进行整合处理，形成网格化的海洋环境数据库；

4、2.确定任务海域，将其均匀划分为多个子域，并读取海域内的海洋环境数据；

5、3.依据海深、主/被动声纳工作频率自适应选择合适的声场计算模型，以子域为单位进行三维声场计算，得到子域三维声传播损失计算结果数据；

6、4.基于子域三维声传播损失数据，结合主/被动声纳方程，计算子域信号余量，并将信号余量映射为每个子域的条件探测概率；

7、5.基于海洋环境数据对任务海域的目标分布进行建模，以此得到目标先验概率；

8、6.基于各子域的条件探测概率和目标先验概率得到子域的联合探测概率，即主/被动声纳在任务海域不同深度下的区域探测效能评估结果。

9、传统的区域探测效能评估技术，一般会对区域进行均匀网格划分，在各网格中心点计算声纳系统信号余量、探测距离等探测效能评估参数，然后对探测效能参数进行降维，再进行插值，从而得到区域探测效能分布图。其计算结果精细程度随网格分辨率提高而增加，但是提高网格精度将会使声纳探测效能评估计算次数增加，从而降低计算效率。

技术实现思路

1、本发明针对区域探测评估结果精细程度与计算效率不可兼得的问题，而提供一种改进的声纳系统区域探测效能评估方法。

2、本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种改进的声纳系统区域探测效能评估方法，包括步骤如下：

3、步骤一：划定待分析区域，获取区域内的水声传播环境信息，包括声速剖面、各点位海深和底质参数，并确定声纳工作参数；

4、步骤二：利用k-means方法对待分析区域内的海洋环境数据进行聚类分析，得到含有k个元素的类别均值向量；

5、步骤三：根据声纳工作参数对各类均值对应的海洋环境参数进行单点声纳探测效能评估，得到对应的目标检测概率分布；

6、步骤四：利用目标先验概率分布，在各海洋环境数据采样点邻域进行积分，得到各采样点上的目标探测概率。

7、更进一步地，步骤二中，所述类别均值向量m＝{μ0,μ1,...,μi,...,μk}，其中μi表示第i类海洋环境集的均值特征向量：

8、

9、具体方法为：

10、(1)初始化聚类计算参数，确定迭代次数、迭代停止阈值、类别数；

11、(2)假设在该区域探测效能分析过程中，设置单点探测效能分析次数为k，则随机在整个空间中选取k个点位，形成初始化类别均值m＝{μ0,μ1,...,μi,...,μk}；

12、(3)第i个海洋环境特征向量与第j个均值样本的特征距离表示为ei,j：

13、ei,j＝||xi-μj||2

14、根据距离最近原则，确定每个xi的族群标记，并将xi划归入对应族群cj；

15、(4)在所有海洋环境采样点均划归至对应族群后，计算新的特征向量值：

16、μ′i＝mean(xi)，xi∈cj

17、(5)若μ′i≠μi，则将类别均值内的样本进行更新为μ′i；

18、(6)计算当前类别均值与前一轮次类别均值的特征距离e′：

19、

20、若e′<δe，则停止迭代，否则返回步骤(3)。

21、更进一步地，在主动探测条件下，信号余量表示为：

22、se＝sl-nl+ts+di-dt-tl＝fom-tl；

23、对于被动声纳，信号余量表示为：

24、se＝sl-nl+di-dt-tl＝fom-tl；

25、主动处理过程中，时域通道信号先经过预处理和白化滤波器，再送入匹配滤波器中，将匹配滤波器输入视为白噪声；则经匹配滤波器处理的输出信噪比表示为：

26、

27、被动探测条件下，处理模块输出信噪比表示为：

28、

29、检测门限th表示为：

30、th＝q-1(pf)

31、检测概率表示为：

32、

33、其中q()表示标准正态分布的右尾函数，q-1()表示右尾函数的反函数。

34、本发明的有益效果为：声纳系统具有显著的环境效应——随着海底地形、底质声学参数及声速剖面产生剧烈变化。如海底山、大陆坡等特殊地理结构能够增加声能量束在信道中的反射次数，使传播损失提高，降低声纳探测效能；而海洋涡旋、黑潮、内波等中尺度现象，能够通过影响海洋水文环境影响声纳探测效能。而声纳区域探测效能评估计算结果精细程度随网格分辨率提高而增加，但是提高网格精度将会使声纳探测效能评估计算次数增加，从而降低计算效率。针对以上问题，本发明利用声纳系统探测效能与环境参数的关系，采用聚类分析技术对区域内各点位进行相似度分析，实现精细化、非均匀的网格划分，在减小声纳探测效能评估计算次数的前提下实现高分辨率的声纳区域探测效能评估，有效提高区域探测效能评估计算效率。

技术特征：

1.一种改进的声纳系统区域探测效能评估方法，其特征在于：包括步骤如下：

2.根据权利要求1所述的改进的声纳系统区域探测效能评估方法，其特征在于：步骤二中，所述类别均值向量m＝{μ0，μ1,...，μi，...，μk}，其中，μi表示第i类海洋环境集的均值特征向量：

3.根据权利要求2所述的改进的声纳系统区域探测效能评估方法，其特征在于：步骤三中，在主动探测条件下，信号余量表示为：

技术总结
本发明提出了一种改进的声纳系统区域探测效能评估方法，包括步骤如下：划定待分析区域，获取区域内的水声传播环境信息；利用k‑means方法对待分析区域内的海洋环境数据进行聚类分析，得到含有K个元素的类别均值向量；根据声纳工作参数对各类均值对应的海洋环境参数进行单点声纳探测效能评估，得到对应的目标检测概率分布；利用目标先验概率分布，在各海洋环境数据采样点邻域进行积分。本发明的有益效果为：本发明利用声纳系统探测效能与环境参数的关系，采用聚类分析技术对区域内各点位进行相似度分析，实现精细化、非均匀的网格划分，在减小声纳探测效能评估计算次数的前提下实现高分辨率的声纳区域探测效能评估，有效提高区域探测效能评估计算效率。

技术研发人员：刘文进,严伟,刘鹏,邢嘉元,于佩衡,陈建青,陈弈书
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21