本发明专利技术公开了一种基于全张量重力梯度反演的水下目标探测方法，具体步骤如下：（１）预先存储活动水域的全张量重力梯度基准图；（２）利用水下潜器上的重力梯度传感器对活动水域进行实时测量，获得实测重力梯度信号，并将获得的实测重力梯度信号与所述预先存储的全张量重力梯度基准图进行比对，获得由目标引起的全张量重力梯度异常；（３）对所述全张量重力梯度异常进行反演，计算出目标的方位参数和质量；（４）综合上述计算出的目标质量与方位参数，计算出目标的位置，完成对水下目标的探测。本发明专利技术与其他探测方法相比，具有安全隐蔽、精确有效、真正的无源自主等典型特点，尤其适用于水下潜器，大大减少了人工干预，耗时较少，提高了探测精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种水下目标探测方法，适用于水下目标探测
，也可用于水 下潜器对水面上空附近目标的探测。
技术介绍
水下精确导航是水下潜器长期水下安全航行的基本保障，及时全方位地探测障碍 物和敌对目标是水下导航中的重要组成部分，能有效地保障潜器的安全和隐蔽性。这其中 所需要探测的目标包括海底山峰、敌方潜艇、礁石、沉船或水雷等水下目标、水面舰艇等水 面目标和敌方反潜直升机或反潜飞机等水面上空附近目标。据统计，20世纪以来，国外潜艇发生了近500起非战时海损事故，导致84艘潜艇沉 没大海，其中核潜艇7艘。在这些事故中，碰撞沉没事故占20%以上，这其中有上浮时与水 面舰艇之间的相撞，水下潜艇之间的相撞，也有潜艇触礁事件。此外，由于搁浅、触底而造成 破损或沉没的事故也常有发生。目前潜艇上所具备的对于水下目标的探测技术主要有参考艇载海图、实时的主 /被动式声纳探测、实时的蓝绿激光探测等。潜艇上所载的海图，有些测量的年份已经久远， 由于海底火山活动、珊瑚生长、河口泥沙沉积，海底的浅点会有所变化，参考海图并不是完 全可靠。主动式声纳可以进行实时探测，但主动辐射声信号会牺牲潜艇的隐蔽性。被动式声 纳并不向外辐射信号，但对于不发出声波的障碍物如海底山峰、礁石等不具备探测能力。实 时的蓝绿激光探测同样会向外辐射信号，使得潜艇暴露，并且在水中的作用距离十分有限， 一股不超过100米。另一方面，敌对目标中对潜艇安全威胁最大的来自于空中的反潜机，由于潜艇对 空探测和打击的能力较差，反潜机有很大的优势。在潜艇与空中反潜的对抗中，其生存概率 在30%以下。目前潜艇上对空的主要探测设备有雷达和声纳，其主要探测方式包括上浮 到水面或潜望镜深度用雷达探测目标；用被动式声纳探测反潜机发动机和旋翼转动发出的 声音，通过声音库进行对比，识别来袭目标；此外，被动式声纳还可以监听反潜机的主动式 浸入声纳的工作，来探测敌机目标位置。这些探测方式中，雷达探测会暴露自身，而依靠被 动式声纳接收声音信号只能被动地获取大致的目标信息。传统的重力梯度反演方法往往只利用了重力梯度张量的某一个或几个分量，耗时 较长，需要较多人工干预，精度也难以达到目标探测的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服目前水下潜器对水下和空中目标探测技术的不完善，通过 对重力梯度场的合理分析，提出一种快速精确、自主性强的基于全张量重力梯度反演的水 下目标探测方法，用于水下潜器对水下或空中目标的探测。基于全张量重力梯度反演的水下目标探测方法，是预先在潜器上存储活动水域的 全张量重力梯度基准图，在经过该片水域时，再通过潜器所载重力梯度仪对重力梯度场进4行实时测量；然后，将实时测得的重力梯度场与基准图进行比照，得出当时海域的重力梯度 异常；此后，根据重力梯度异常来判断是否存在基准图上所未标注的异常目标，进而由全张 量重力梯度异常反演来估算目标的具体信息。预存的重力梯度基准图和实时测得的重力梯 度值是重力梯度探测方法的基础，而如何利用重力梯度异常来反演目标信息是重力梯度探 测的关键。本专利技术所采用的具体技术方案为，通过对水下潜器活动水域的 全张量重力梯度异常进行实时测量，反演计算获得目标的质量、方位和位置，实现目标的水 下探测，该方法具体步骤如下(1)预先存储活动水域的全张量重力梯度基准图；(2)利用水下潜器上的重力梯度传感器对活动水域进行实时测量，获得实测重力 梯度信号，并将获得的实测重力梯度信号与所述预先存储的全张量重力梯度基准图进行比 对，获得由目标引起的全张量重力梯度异常；(3)对所述全张量重力梯度异常进行反演，计算出目标的方位参数；(4)对所述全张量重力梯度异常进行反演，计算出目标的质量；(5)综合上述计算出的目标质量与方位参数，计算出目标的位置，完成对水下目标 的探测。作为本专利技术的进一步改进，所述目标的方位参数通过如下公式计算得到θ(χ, ν, ζ) = arccos( ^z(xAz)) = arccos _ .-r--r-<\兄z) Txz(x,y,z)(1)树 = arctan(M^) = arctan(i^M).Τ^χ,γ,ζ)其中θ、识为目标质心相对于测量点的球坐标解；Γ χχ、rxy、Γχζ、ryy、ryz、Γζζ分 别为目标所引起的全张量重力梯度异常的6个分量的测量值；R为探测目标的质心与测量 点的距离，Δ χ、Ay、Δ ζ分别为R在三个坐标轴方向上的投影；(X，y，Z)为测量点的三维坐 标。 标。5作为本专利技术的进一步改进，所述目标的质量M通过如下公式计算得到 M =^ y^dxdy =y^y)^(2)其中，G为万有引力常量。作为本专利技术的进一步改进，所述目标的位置通过如下公式计算得到R(X，兄 Z) _ Jrjx,y,z) + rjx,y,z) 0 _|(3)\兄 z) Txz(x,y, ζ)式中R为探测目标的质心与测量点的距离。作为本专利技术的进一步改进，所述目标包括水下目标、水面目标和水面上空附近目作为本专利技术的进一步改进，所述水下目标为海底山峰、敌方潜艇、礁石、沉船或水田ο作为本专利技术的进一步改进，所述水面目标为水面舰艇。作为本专利技术的进一步改进，所述水面上空附近目标为敌方反潜直升机或反潜飞 机。本专利技术所提出的重力梯度探测方法，是通过测量目标所产生的重力梯度场异常来 探测目标信息，具有安全隐蔽、精确有效、真正的无源自主等特点，当其他探测方式受到限 制时，是一种对水下或空中目标有效的探测方法。本专利技术相比现有技术的优点在于(1)本专利技术与其他探测方法相比，具有安全隐蔽、精确有效、真正的无源自主等典 型特点，尤其适用于水下潜器；(2)在本专利技术中，专注于目标的本质属性——质量和目标危险性的最大参考—— 位置这两个重要参数，目标物体的几何形状及密度分布与最终参数估计无关，具有防伪装、 抗干扰的特点；(3)本专利技术利用快速有效的全张量重力梯度反演算法来实现目标探测，与传统的 重力梯度反演方法相比，全张量重力梯度的所有分量均被组合应用到反演过程中，大大减 少了人工干预，耗时较少，提高了探测精度。附图说明图1为本专利技术的基于全张量重力梯度反演的目标探测方法的流程图。图2为目标模型。图3为目标所引起的局部全张量重力梯度异常分布图。图4为反演探测目标方位。图5为反演探测目标质量。图6为反演探测目标航迹。具体实施例方式本实例的流程如图1所示。本实例参考美国P-3C “猎户座”型反潜机，选取目标 模型如图2所示，假设其质量分布均勻，真实质量M = 70t，密度为0. 031 lt/m3，坐标系定义 如下把海平面当成水平面，置χ轴和y轴于此平面内，使ζ轴的方向垂直向上。(1)首先在水下潜器上预先存储活动水域的全张量重力梯度基准图。(2)设图2所示目标在活动水域内，潜器在目标下方50m的水平面内作实时测量， 由此得出实测重力梯度信号。将实测重力梯度信号与基准图比对，得出由目标引起的全张 量重力梯度异常，图3所示即为目标所引起的局部全张量重力梯度异常分布。(3)反演计算目标方位在单次测量的情况下，可将每一个测量点(即水下潜器所处位置)测得的由目标 引起的重力梯度异常代入公式(1)，反演计算得出目标质心方位的球坐标解6汐(X, y, z) = arccos(二Χ,> ,Ζ)) = arc本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
一种基于全张量重力梯度反演的水下目标探测方法，通过对水下潜器活动水域的全张量重力梯度异常进行实时测量，反演计算获得目标的质量、方位和位置，实现目标的水下探测，该方法具体步骤如下(1)预先存储活动水域的全张量重力梯度基准图；(2)利用水下潜器上的重力梯度传感器对活动水域进行实时测量，获得实测重力梯度信号，并将获得的实测重力梯度信号与所述预先存储的全张量重力梯度基准图进行比对，获得由目标引起的全张量重力梯度异常；(3)对所述全张量重力梯度异常进行反演，计算出目标的方位参数；(4)对所述全张量重力梯度异常进行反演，计算出目标的质量；(5)综合上述计算出的目标质量与方位参数，计算出目标的位置，完成对水下目标的探测。2.根据权利要求1或2所述的一种基于全张量重力梯度反演的水下目标探测方法，其 特征在于，所述目标的方位参数通过如下公式计算得到θ(χ, ν, ζ) = arccos( ^z(xAz)) = arccos _ .-r--r-<\兄z) Txz(x,y,z)(1)树 = arctan(M^) = arctan(i^M).Τ^χ,γ,ζ)其中θ 4为目标质心相对于测量点的球坐标解；Γ χχ、rxy、rxz、ryy、ryz、Γζζ分别为 目标所引起的全张量重力梯度异常的6个分量的测量值；R为探测目标的质心与测量点的 距离，Δχ、Ay、Δ ζ分别为R在三个坐标轴方向上的投影；(X，y，ζ)为测量点的三维坐标。3.根据权利要求1-3之一所述的一种基于全张量重...
【专利技术属性】
技术研发人员：武凛，田金文，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83
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