一种杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法及系统

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于非声学的水下探测和多维信号处理技术的交叉领域，更具体地，涉及一种杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法及系统。背景技术：2.在经济全球化的新形势背景下，全球贸易往来极为密切，世界各国，尤其我国的进出口总量呈现较快的增长速度，船舶运输以自身巨大的货运量以及高效的货物保障被全球企业商家所青睐。因此，船舶制造企业的造船数量和船舶吨位逐年增长。船舶在航行过程中的安全问题一直是人们关注的焦点。3.沉船目标和战争遗留下的水雷等铁磁性物体是海洋勘探中广泛研究的对象。对失事沉船的打捞和水雷探测需要对其进行精确的定位，同时水下沉船和水雷也是影响海洋通航环境的重要要素。同时，水下潜航器与水下机器人活动范围的日益增大，两者也成为了影响海洋通航的重要因素。船舶航行时对沉船、水下潜航器等铁磁性目标的探测就尤为重要了。4.传统的水下铁磁性目标探测手段通常是采用声呐探测方式，通过接收被探测对象的声呐回波来感知目标的方位。利用声呐探测沉船等水下铁磁性目标存在着一些问题，沉船往往会受到海洋泥沙的覆盖，而声呐手段很容易受到海底起伏地形的干扰，从而带来较大的检测虚警。同时，声学探测要布置大量的探测阵列，耗费巨大，也极易受到海洋背景噪声的干扰。声学探测手段已经很难远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下铁磁性目标，无法满足广阔海域的探测需求，因此亟需发展新的非声遥感探测手段来探测水下铁磁性目标。技术实现要素：5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法及系统，能实现远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下铁磁性目标，满足广阔海域的探测需求。6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法，包括如下步骤：7.(1)构建背景场数据库，从所述背景场数据库中获取待测海域n个区域的工频背景场数据c(t)bi；8.(2)获取载机搜索路径在所述待测海域搜索得到的目标工频电磁场数据c(t)m，根据所述目标工频电磁场数据c(t)m和所述工频背景场数据c(t)bi，计算得到各区域杂波滤除后的工频电磁场数据c(t)；9.(3)将所述工频电磁场数据c(t)通过功率谱函数计算得到各区域的时间窗功率谱数据，组成时间窗功率谱序列；10.其中，所述功率谱函数为式中，n表示工频电磁场信号长度，ω表示频率，tx表示载机在各区域的搜索时间；11.(4)获取各区域时间窗功率谱数据中的扰动信号，根据所述扰动信号持续出现的频率，确定水下铁磁性目标所在的区域；12.(5)根据载机搜索路径、载机运动速度v以及扰动持续时间t，计算水下铁磁性目标所在区域的位置r。13.在其中一个实施例中，所述工频背景场数据c(t)bi为工频仿真背景场数据或工频实测背景场数据，其中，14.所述工频仿真背景场数据通过获取待测海域的经纬度坐标和介质层参数，根据预先构建的工频电网偶极子群模型计算得到；15.所述工频实测背景场数据通过载机搜索路径在所述待测海域n个区域搜索得到的各频率混叠的电磁场数据，将所述各频率混叠的电磁场数据通过短时傅里叶变换提取得到。16.在其中一个实施例中，所述介质层参数包括空气层、海洋层、陆地层、海床层、电离层对应的相对介电常数、相对磁导率和相对电导率参数。17.在其中一个实施例中，步骤(2)中，所述工频电磁场数据c(t)的计算公式为：18.c(t)＝c(t)m-kc(t)bi19.式中，k表示经验系数，取值小于1。20.在其中一个实施例中，在步骤(5)中，所述水下铁磁性目标所在区域的位置r的计算公式为：21.r＝v×t。22.在其中一个实施例中，所述水下铁磁性目标包括水下沉船或水下潜航器。23.第二方面，本发明提供了一种杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测系统，包括：24.背景场数据获取模块，用于构建背景场数据库，从所述背景场数据库中获取待测海域n个区域的工频背景场数据c(t)bi；25.电磁场数据计算模块，用于获取载机搜索路径在所述待测海域搜索得到的目标工频电磁场数据c(t)m，根据所述目标工频电磁场数据c(t)m和所述工频背景场数据c(t)bi，计算得到各区域杂波滤除后的工频电磁场数据c(t)；26.功率谱序列计算模块，用于将所述工频电磁场数据c(t)通过功率谱函数计算得到各区域的时间窗功率谱数据，组成时间窗功率谱序列；27.其中，所述功率谱函数为式中，n表示工频电磁场信号长度，ω表示频率，tx表示载机在各区域的搜索时间；28.目标所在区域确定模块，用于获取各区域时间窗功率谱数据中的扰动信号，根据所述扰动信号持续出现的频率，确定水下铁磁性目标所在的区域；29.目标所在位置计算模块，用于根据载机搜索路径、载机运动速度v以及扰动持续时间t，计算水下铁磁性目标所在区域的位置r。30.本发明提供的杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法及系统，利用工频电磁场作用于水下铁磁性物体产生扰动的情况，通过滤除与铁磁性物体产生的扰动信号无关的背景场数据，结合提出的时间窗功率谱序列分析方法，可实现远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下铁磁性目标。附图说明31.图1是本发明一实施例提供的杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法的流程图；32.图2是本发明一实施例提供的杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测系统的架构图；33.图3是本发明一具体实施例提供的南通港口试验地点仿真背景图；34.图4是本发明一具体实施例提供的南通港口试验地点实测背景场；35.图5是本发明一具体实施例提供的背景工频磁场及潜艇目标扰动计算结果；36.图6是本发明一具体实施例提供的背景工频电场及潜艇目标扰动计算结果；37.图7是本发明一具体实施例提供的目标局部异常工频磁场信号(取对数后)传播三维侧视图；38.图8是本发明一具体实施例提供的目标局部异常工频电场信号(取对数后)传播三维侧视图；39.图9是本发明一具体实施例提供的试验简易俯视图；40.图10是本发明一具体实施例提供的背景场时间窗幅值图；41.图11是本发明一具体实施例提供的直流分量磁场功率谱图；42.图12是本发明一具体实施例提供的载机探测半径简易示意图；43.图13是本发明一具体实施例提供的磁场功率谱图；44.图14是本发明一具体实施例提供的磁场功率谱图；45.图15是本发明一具体实施例提供的传感器探测半径简易示意图；46.图16是本发明一具体实施例提供的直流分量磁场x轴功率图。具体实施方式47.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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，并不用于限定本发明。48.为解决传统声学探测手段很难实现远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下铁磁性目标的问题，本发明提供了一种杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法，利用世界各国电网产生的工频电磁场进行水下铁磁性目标的探测。49.需要说明的是，遍布全世界的高压输/变/用电网络会产生工频电磁场。工频电磁场穿透性强，可穿透海洋作用在水下铁磁性目标上。目标在工频电磁场(波)的作用下产生畸变信号，可进行水下铁磁性目标探测。50.图1是本发明一实施例提供的杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法，如图1所示，该水下目标探测方法包括步骤s10～s50，详述如下：51.s10，构建背景场数据库，从背景场数据库中获取待测海域n个区域的工频背景场数据c(t)bi。52.在步骤s10中，工频背景场数据c(t)bi可以为工频仿真背景场数据或工频实测背景场数据，其中，工频仿真背景场数据可通过获取待测海域的经纬度坐标和介质层参数，根据预先构建的工频电网偶极子群模型计算得到。具体地，可选择不同电压等级输电网络先分别仿真后再叠加，三相仿真，构建工频电网偶极子群模型；设置空气层、海洋层、陆地层、海床层、电离层几类介质层以及每一层对应的相对磁导率mur、相对电导率sigma等参数；获取待测海域的经纬度坐标(x,y,z)，根据工频电网偶极子群模型计算其对应的工频仿真背景场数据。53.工频实测背景场数据可通过载机搜索路径在待测海域n个区域搜索得到的各频率混叠的电磁场数据，将各频率混叠的电磁场数据通过短时傅里叶变换提取得到。54.s20，获取载机依次在待测海域搜索得到的目标工频电磁场数据c(t)m，根据目标工频电磁场数据c(t)m和工频背景场数据c(t)bi，计算得到各区域杂波滤除后的工频电磁场数据c(t)。55.具体地，工频电磁场数据c(t)的计算公式为：c(t)＝c(t)m-kc(t)bi，式中，k表示经验系数，取值小于1。56.s30，将工频电磁场数据c(t)通过功率谱函数计算得到各区域的时间窗功率谱数据，组成时间窗功率谱序列；57.其中，功率谱函数为式中，n表示工频电磁场信号长度，ω表示频率，tx表示载机在各区域的搜索时间。58.s40，获取各区域时间窗功率谱数据中的扰动信号，根据扰动信号持续出现的频率，确定水下铁磁性目标所在的区域。59.在步骤s40中，若某个时间窗功率谱中出现扰动，而下一个时间窗序列中扰动消失，可认为该扰动并非由水下铁磁性目标引起；若该扰动信号持续多个时间窗功率谱出现，则可认为该扰动由水下铁磁性目标引起，根据该时间窗功率谱就可以定位水下铁磁性目标所在区域。60.s50，根据载机搜索航路、载机运动速度v以及扰动持续时间t，计算水下铁磁性目标所在区域的位置r。具体地，水下铁磁性目标为水下沉船或水下潜航器等，本实施例不作限制。61.具体地，水下铁磁性目标所在区域的位置r的计算公式为：r＝v×t。62.本实施例提供的杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法，利用工频电磁场作用于水下铁磁性物体产生扰动的情况，通过滤除与铁磁性物体产生的扰动信号无关的背景场数据，结合提出的时间窗功率谱序列分析方法，可实现远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下铁磁性目标。63.图2是本发明一实施例提供的杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测系统的架构图，如图2所示，该水下目标探测系统包括背景场数据获取模块100、电磁场数据计算模块200、功率谱序列计算模块300、目标所在区域确定模块400和目标所在位置计算模块500。64.其中，背景场数据获取模块100，用于构建背景场数据库，从背景场数据库中获取待测海域n个区域的工频背景场数据c(t)bi。65.电磁场数据计算模块200，用于获取载机搜索路径在待测海域搜索得到的目标工频电磁场数据c(t)m，根据目标工频电磁场数据c(t)m和工频背景场数据c(t)bi，计算得到各区域杂波滤除后的工频电磁场数据c(t)。66.功率谱序列计算模块300，用于将工频电磁场数据c(t)通过功率谱函数计算得到各区域的时间窗功率谱数据，组成时间窗功率谱序列；67.其中，功率谱函数为式中，n表示工频电磁场信号长度，ω表示频率，tx表示载机在各区域的搜索时间。68.目标所在区域确定模块400，用于获取各区域时间窗功率谱数据中的扰动信号，根据扰动信号持续出现的频率，确定水下铁磁性目标所在的区域。69.目标所在位置计算模块500，用于根据载机搜索路径、载机运动速度v以及扰动持续时间t，计算水下铁磁性目标所在区域的位置r。70.具体地，本实施例提供的各模块的功能可参见前述方法实施例中各步骤的详细介绍，本实施例不再赘述。71.本实施例提供的杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测系统，利用工频电磁场作用于水下铁磁性物体产生扰动的情况，通过滤除与铁磁性物体产生的扰动信号无关的背景场数据，结合提出的时间窗功率谱序列分析方法，可实现远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下铁磁性目标。72.为进一步验证本发明提供的杂波滤除和时间窗功率谱的水下目标探测方法的可行性，以下结合具体实施例进行相应说明：73.1.建立仿真背景数据库74.为构建仿真背景场数据库，首先建立电网偶极子群模型，根据目前中国电网华中-华东-华南1000kv和500kv输电网络、各省份220kv输电网络和部分省份110kv输电网络，将电网分别仿真后再叠加，三相仿真；设置空气层、海洋层、陆地层、海床层、电离层几类介质层以及每一层对应的相对磁导率、电导率等参数；获取南通港口经纬度坐标(32°8′6″n,121°26′51″e)海拔高度为12m。在偶极子群仿真模型中获取其对应背景场强度数据c(t)b，如图3所示。75.2.建立实测背景场数据库76.建立实测背景场数据库时，以南通港口试验为例，为分析南通港口试验区域的工频磁场背景强度及稳定性，使用多种传感器在不同的区域对试验码头和附近水域的工频磁场进行了测量。在南通港口采集工频背景场数据。测量方法是将感应式传感器和三轴磁通门传感器固定放置在测量位置，进行长时间的连续信号采集。通过短时傅里叶变换提取工频分量的工频信号，得到南通港口的工频背景场实测结果，并计算得到其平均值如图4所示。77.通过仿真背景场数据与实测数据的对比可计算相对误差，其中南通港口地点背景场强度仿真值为0.1nt，实测背景场强度平均值为0.11nt，根据[0078][0079]其中，p为实测值与仿真值误差，c(t)b为仿真背景场数据，c(t)f为实测背景场数据，得出误差为10％。[0080]3.建立仿真目标信号数据库[0081]三相华中-华东-华南电网作为激励源，水下铁磁性目标模型为万吨级沉船，目标相对磁导率为500，将目标放置在菲律宾海域，水深为100m。模型具体参数如下所示。[0082]①电网选择：华东-华中-华南1000kv和500kv电网与各省220kv和110kv电网先分别仿真后再叠加，三相仿真；[0083]②介质层：空气层、海洋层、陆地层、海床层、电离层；[0084]③目标位置：目标位于菲律宾海域、目标位于水深120m处；[0085]④目标参数：半径为11m、长度为170m；厚度为1.25m、磁导率为500；[0086]具体参数设置如下表：[0087]介质层相对介电常数相对磁导率电导率(s/m)空气层110陆地层3011.5海洋层8013电离层d1110^-8电离层e1110^-4电离层f11110^-6电离层f21110^-8[0088]仿真计算结果分析：[0089]潜航器模型放置在海深100m处，其位置坐标为(460km,-470km)，经纬度坐标为(132°07′12.67″e，21°57′28.97″n)。计算在上述电网共同作用下的工频电磁场(波)背景和潜航器目标磁扰动计算结果。电磁场等值线图如图5、图6所示。[0090]从图中结果可以看出：潜航器与工频电磁辐射源产生的工频电磁场(波)发生了相互作用，在目标附近产生了明显的电磁异常信号，而远离潜航器的背景工频磁场分布则比较均匀。在海平面200m高度处测量，潜航器磁异常模值为1623pt，背景工频磁场模值约77pt，磁扰动信号约为工频背景磁场模的21倍。[0091]目标局部异常工频电场信号(取对数后)传播三维侧视图如图7、图8所示,在海平面以上高度为h的范围内，对其工频电磁场(波)背景和潜航器目标磁扰动的计算仿真中，可以看出目标扰动信号明显高于周围海域。[0092]4实测目标数据库的采集[0093]为获取目标信号数据，建立实测目标信号数据库，开展露天海域水下铁磁性目标缩比模型外场专项试验。试验地点俯视图如图9所示，为南通港口。[0094]试验地点：南通港口[0095]试验数据：磁通门三轴数据，分别对x/y/z轴数据进行分析；[0096]采样率：1024hz[0097]ad:24位；有效位数18位[0098]分析频率：工频[0099]测量目标的通过特性时，试验中使用了两个磁通门。试验过程中，令目标移动经过传感器附近，连续采集磁场信号并短时傅里叶分析。[0100]5.潜航器检测的时间窗杂波滤除和功率谱分析方法[0101]5.1根据偶极子群工频电磁场(波)与水下潜航器相互作用地仿真可知，建立起周边海域实测背景场数据库，以此作为后面杂波滤除的背景场数据，根据所述背景场数据库，获取搜索路径n个区域的空间背景场数据，即c(t)i，i＝1,2,3…,n[0102]其中，c(t)i表示搜索路径第i个区域的背景场数据，n为该区域背景场个数。[0103]5.2根据以上得到的背景场数据库和目标信号数据库，对目标信号进行杂波滤除处理即：[0104]c(t)＝c(t)m-kc(t)i[0105]其中，c(t)为杂波滤除后的信号，c(t)m为未进行杂波滤除的目标信号，c(t)i表示搜索路径第i个区域的背景场数据，系数k为经验系数，取值小于1。[0106]5.3针对于背景场数据库与目标数据库的分析，背景数据库和目标信号数据库的论证结果，以及对杂波滤出的工频信号c(t)相应的提出了滑动时间窗功率谱的算法。[0107][0108]其中，p(ω)为功率谱函数，c(t)为滤除杂波后工频信号，n为工频信号长度，ω为频率，tx为时间。[0109]s5.4由以上算法获得时间功率谱，对时间窗为ns的已处理信号，取相同时间tz，x＝1…n，为{t1…tn}，组成了功率谱序列即滑动时间窗功率谱，对其获取的工频滑动时间窗功率谱分析。[0110]提取工频信号时间窗功率谱中的直流分量，组成工频信号功率谱直流分量随时间变化图。通过该图分析目标经过时间窗功率谱变化情况。同时对去除直流分量的工频信号功率谱进行时间窗功率谱变化分析，观察目标经过时间窗功率谱变化情况。[0111]通过检验滑动序列时间窗信号中的扰动，看是否持续出现可判断的扰动，若有，该扰动为潜航器引起的系统性扰动或为噪声。具体的，若某个时间窗序列中出现扰动，而下一个时间窗序列中扰动消失，可认为该扰动并非由目标引起；若该扰动信号持续多个时间窗，则可认为该扰动由潜航器引起，为系统性扰动。[0112]s5.5根据所得的工频信号功率谱直流分量，在潜航器经过功率高于背景场阈值，确定其潜航器探测范围。当目标信号持续多个时间窗超过背景场阈值信号，即c(t)》kc(t)b，其中，c(t)为目标信号，kc(t)b为背景场阈值信号，通常k≤1。[0113]可根据潜航器运动速度，机载运动速度，信号持续时间计算出潜航器探测范围，即：[0114][0115]其中，r为潜航器探测范围，为潜航器运动速度，为机载运动速度，t为信号持续时间。[0116]实验一[0117](1)潜航器潜深8m，潜航器自航；[0118](2)载机距离水面不同高度下扫描潜航器；[0119](3)载机飞行高度为4.4m和7.4m；[0120]载机飞行速度3.4m/s；[0121]潜航器潜深8m，行驶速度0.5m/s。[0122]背景工频电磁场时间窗采集如图10所示。[0123]背景场与观测点背景功率谱估计：[0124]首先提取直流分量如图11所示[0125]根据扰动持续的时间以及载机和潜航器的速度可计算出载机飞高5m时，传感器探测半径约为125m。[0126]其简易示意图如图12所示：[0127]除去直流分量后的功率谱估计[0128]在获取得到杂波滤除信号中的直流分量后，将其直流分量剪掉得到除去直流分量后的功率谱，以下在对除去直流分量后的功率谱进行功率谱分析。[0129]背景场功率谱估计如图13所示[0130]观测点背景功率谱[0131]由图14可以看出，当载机经过观测点时，其工频电磁场时间窗功率谱强度明显强度背景场功率谱，可判断出该处有目标经过。即判断该信号是否为水下铁磁性目标信号。[0132]实验二[0133](1)潜航器潜深19m，潜航器静止[0134](2)载机距离水面不同高度下来回扫掠[0135](3)单载机来回扫略潜航器[0136](4)潜航器沉底，潜深19m[0137](5)载机高度10m，速度5m/s[0138]背景场与观测点背景功率谱估计：[0139]根据扰动持续的时间以及载机和潜航器的速度可计算出载机飞高10m时传感器探测半径约为112m。[0140]其简易示意图如图15所示。[0141]x轴功率谱图如图16所示[0142]由图16可以看出，当载机经过观测点时，其工频电磁场功率谱强度明显强度背景场功率谱，可判断出该处有目标经过。[0143]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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