本發(fā)明涉及一種水下移動潛體頻率目標(biāo)探測的實驗系統(tǒng)及方法，尤其涉及移動潛體的頻率目標(biāo)探測的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

探測水下潛艇的方法主要有反潛巡邏機反潛和水面艦艇反潛兩種。

反潛巡邏機使用聲納浮標(biāo)、磁異探測儀、吊放式聲納來探測水下潛艇。其中，聲納浮標(biāo)是現(xiàn)代反潛機普遍使用的一種主要搜潛器材，一般是在已知有潛艇活動的海域，并要在短時間內(nèi)對較大范圍進行搜索時；或希望在一定時間內(nèi)封鎖敵潛艇可能通過的航道；或者為重要目標(biāo)擔(dān)負(fù)反潛巡邏警戒時使用。磁異探測儀采用被動工作方式來探測潛艇，是一般反潛巡邏機上必裝的探測設(shè)備，具有隱蔽性好，可靠性較高，不受海洋噪聲干擾等優(yōu)點，但由于其作用距離較近，大都采用低空和超低空探測，因此多在其他探測器材測得潛艇的概略位置后，再用磁異探測儀進行驗證和精確定位。

水面艦艇偵測潛艇主要依靠聲納；船殼聲吶、變深聲吶、拖曳式線列陣聲吶來探測水下潛艇。水面艦艇的船殼聲納幾乎無法探測到躍層下的潛艇，除非使用拖曳聲納并讓拖曳聲納進入躍層。拖曳式變深聲吶屬被動式聲吶，是將基陣安裝在拖體內(nèi)，由反潛水面艦艇、掃雷艦或反潛飛機拖曳，用于主動對潛搜索、探測水雷、海底等，探測深度為數(shù)百米至千米。拖曳式線列陣聲吶屬主動式聲吶，是在拖曳式變深聲吶的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，探測精度高、探測深度為數(shù)十米。聲吶探測的優(yōu)點是可以探測到水下潛體目標(biāo)，但無法區(qū)別探測目標(biāo)的身份。

本發(fā)明的一種水下移動潛體頻率目標(biāo)探測的實驗系統(tǒng)及方法采用的是基于阻抗分析理論的實驗方法，采用了潛航器(501)、，通過能夠?qū)σ阎聺擉w頻率的移動頻率目標(biāo)的探測及位置識別，本發(fā)明的實驗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，探測效率高，探測距離遠(yuǎn)的特點，本發(fā)明的探測方法，不僅能探測已知頻率的水下移動目標(biāo)，而且也能對該水下移動目標(biāo)進行身份識別。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計了一種水下移動潛體頻率目標(biāo)探測的實驗系統(tǒng)及方法，該發(fā)明能夠完成以下實驗：①控制潛航器(501)上浮及下潛：當(dāng)該潛航器(501)需要上浮或下潛時，由測量船基站(11)對單片機(5)下達(dá)命令，控制純水液壓泵(3)的開啟或關(guān)閉；鋰電池組(7)通過升壓后為純水液壓泵(3)供電；②控制潛航器(501)的移動：該潛航器(501)需要前進或后退時，由測量船基站(11)對單片機(5)下達(dá)命令，控制動力推進左裝置(21)和動力推進右裝置(8)左右兩部分螺旋槳進行同步正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，以達(dá)到正前方或正后方行駛的目的；③探測移動頻率目標(biāo)的方法：由測量船基站(11)對單片機(5)下達(dá)命令，控制阻抗分析儀(6)掃頻的開啟或關(guān)閉；所述的阻抗分析儀(6)通過掃頻，當(dāng)測量用PZT壓電傳感器(4)接收到水下移動潛體(20)所發(fā)出的頻率信號時，阻抗分析儀(6)掃頻出現(xiàn)共振頻譜，該頻譜波峰所處于的頻率即為掃描信號與水下移動潛體(20)所發(fā)出的共振頻率。④水下移動潛體(20)位置的識別方法；⑥水下移動潛體(20)的軌跡確定。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

如圖1、2、3、4所示，本發(fā)明的實驗系統(tǒng)由艙體(1)、平衡左中翼板(15)、平衡右中翼板(16)、平衡左后翼板(17)、平衡右后翼板(18)、平衡尾翼板(19)、潛航器上浮下潛部分(101)、潛航器測量部分(102)、潛航器動力部分(103)、潛航器無線通訊部分(104)組；所述的潛航器上浮下潛部分(101)主要由水箱(2)、純水液壓泵(3)、鋰電池組(7)組成；所述的潛航器測量部分(102)由測量用PZT壓電傳感器(4)、單片機(5)、阻抗分析儀(6)、鋰電池組(7)組成；所述的潛航器動力部分(103)由鋰電池組(7)、動力推進左裝置(21)、動力推進右裝置(8)組成；所述的潛航器無線通訊組件(104)由單片機(5)、鋰電池組(7)、天線(9)、浮標(biāo)(13)、雙頭螺紋軟管(14)組成。

所述的一種水下移動潛體(20)頻率目標(biāo)探測實驗系統(tǒng)的方法，其特征在于包括以下步驟：

①潛航器(501)上浮下潛控制方法

②潛航器(501)的移動控制方法

③潛航器測量部分(102)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的方法

④測量船基站(11)與潛航器無線通訊部分(104)的通訊流程控制

⑤水下移動潛體(20)位置的識別方法

⑥水下移動潛體(20)的軌跡確定

本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是：

本發(fā)明的實驗系統(tǒng)及方法可以完成：(1)可以控制潛航器(501)上浮與下潛；(2)可以控制潛航器(501)的移動；(3)可以完成移動頻率目標(biāo)的探測；(4)可以完成測量船基站(11)與潛航器無線通訊部分(104)的通訊；(5)完成水下移動潛體(20)位置的識別；(6)完成水下移動潛體(20)的軌跡確定；為探測水下潛體目標(biāo)，提供了新的解決方案和設(shè)計依據(jù)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進一步說明。

圖1是本發(fā)明的測試原理圖。

圖2是本發(fā)明的潛航器(501)的三維結(jié)構(gòu)原理圖1。

圖3是本發(fā)明的潛航器(501)的三維結(jié)構(gòu)原理圖2。

圖4是本發(fā)明的測試原理框架圖

在圖1、圖2、圖3、圖4中，1.艙體、2.水箱、3.純水液壓泵、4.測量用PZT壓電傳感器、5.單片機、6.阻抗分析儀、7.鋰電池組、8.動力推進右裝置、9.天線、10.GPS定位組件、11.測量船基站、12.艙門、13.浮標(biāo)、14.雙頭螺紋軟管、15.平衡左中翼板、16.平衡右中翼板、17平衡左后翼板、18.平衡右后翼板、19.平衡尾翼板、20.水下移動潛體、21.動力推進左裝置，101.潛航器上浮下潛部分，102.潛航器測量部分，103.潛航器動力部分，104.潛航器無線通訊部分，潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)。

具體實施方式

如圖1、2、3、4所示，一種水下移動潛體(20)頻率目標(biāo)探測實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)、測量船基站、水下移動潛體(20)組成，潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)的結(jié)構(gòu)及功能完全一樣；以下以潛航器(501)為例進行介紹；潛航器(501)由艙體(1)、平衡左中翼板(15)、平衡右中翼板(16)、平衡左后翼板(17)、平衡右后翼板(18)、平衡尾翼板(19)、潛航器上浮下潛部分(101)、潛航器測量部分(102)、潛航器動力部分(103)、潛航器無線通訊部分(104)組；所述的潛航器上浮下潛部分(101)主要由水箱(2)、純水液壓泵(3)、鋰電池組(7)組成；所述的潛航器測量部分(102)由測量用PZT壓電傳感器(4)、單片機(5)、阻抗分析儀(6)、鋰電池組(7)組成；所述的潛航器動力部分(103)由鋰電池組(7)、動力推進左裝置(21)、動力推進右裝置(8)組成；所述的潛航器無線通訊組件(104)由單片機(5)、鋰電池組(7)、天線(9)、浮標(biāo)(13)、雙頭螺紋軟管(14)組成。

所述的平衡左中翼板(15)、平衡右中翼板(16)、平衡左后翼板(17)、平衡右后翼板(18)、平衡尾翼板(19)分別與艙體(1)通過焊接的方式連接；水箱(2)與艙體下部通過焊接連接；純水液壓泵(3)與水箱(2)的上面板之間通過螺栓連接，連接處加密封圈；測量用PZT壓電傳感器(4)與艙體(1)通過焊接連接；單片機(5)通過螺栓安裝在阻抗分析儀(6)的安裝架上；阻抗分析儀(6)通過安裝架用螺栓固定安裝在水箱上面的安裝板上；鋰電池組(7)通過安裝架用螺栓安裝在水箱上面的安裝板上；動力推進左裝置(21)的機架直接焊接在艙體(1)上；天線(9)與單片機(5)使用天線延長線連接，雙頭螺紋軟管(14)下端與艙體(1)之間采用螺紋連接，雙頭螺紋軟管(14)與浮標(biāo)(13)之間采用螺紋連接，雙頭螺紋軟管(14)內(nèi)部有天線延長線，浮標(biāo)(13)作為天線(9)與天線延長線的連接處，天線(9)安裝于浮標(biāo)(13)上的基座；動力推進左裝置(21)、動力推進右裝置(8)焊接在艙體(1)上。

所述的測量用PZT壓電傳感器(4)外部的材料為鑄鋁，壓電陶瓷均勻地?zé)Y(jié)在測量用PZT壓電傳感器(4)的內(nèi)壁上，壓電陶瓷的厚度為0.3～0.6mm。

所述的一種水下移動潛體(20)頻率目標(biāo)探測實驗系統(tǒng)的方法，其特征在于包括以下步驟：

①潛航器(501)上浮下潛控制方法

當(dāng)該潛航器(501)需要上浮或下潛時，由測量船基站(11)對單片機(5)下達(dá)命令，控制純水液壓泵(3)的開啟或關(guān)閉；鋰電池組(7)通過升壓后為純水液壓泵(3)供電；

1)潛航器(501)下潛

所述的純水液壓泵(3)從潛航器(501)外將水抽入水箱(2)中增大潛航器(501)的總體重量，當(dāng)潛航器(501)的所受重力大于潛航器(501)所受浮力時，潛航器(501)開始下潛，當(dāng)潛航器(501)下潛至一定高度時，即潛航器(501)所受浮力與此時所受重力相等時，停止下潛；

2)潛航器(501)上浮

所述的潛航器(501)需要上浮時，使用純水液壓泵(3)將水箱(2)中的水抽出到外部海水中，此時，潛航器(501)的整體重量不斷減少，潛航器(501)所處位置受到的浮力大于潛航器(501)的自身重力，潛航器(501)上浮至所受重力與浮力相等的位置；

②潛航器(501)的移動控制方法

該潛航器(501)需要前進或后退時，由測量船基站(11)對單片機(5)下達(dá)命令，控制動力推進左裝置(21)和動力推進右裝置(8)左右兩部分螺旋槳進行同步正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，以達(dá)到正前方或正后方行駛的目的；當(dāng)潛航器(501)需要向左行駛的時候，通過測量船基站(11)對單片機(5)下達(dá)命令，使左側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)動速度較慢，右側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)動速度較快，左側(cè)螺旋槳的推力小于右側(cè)螺旋槳的推力，右側(cè)受力大于左側(cè)受力故航向為向前偏左；當(dāng)行駛方向為向右行駛的時候，控制左側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)動速度大于右側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)動速度，即該潛航器左側(cè)受力大于右側(cè)受力，此時航向為向前偏右；

③潛航器測量部分(102)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的方法

所述的潛航器測量部分(102)中的阻抗分析儀(6)通過鋰電池組(7)升壓后供電，阻抗分析儀(6)在使用時處于常開的掃頻界面，阻抗分析儀(6)與測量用PZT壓電傳感器(4)通過阻抗分析儀(6)的外部夾具和測量用PZT壓電傳感器(4)的導(dǎo)電引線相連，導(dǎo)電引線焊接在壓電陶瓷片上，阻抗分析儀(6)夾具上的另一部分與測量用PZT壓電傳感器(4)非壓電陶瓷部分通過導(dǎo)電引線相連接，導(dǎo)線焊接在非壓電陶瓷片部分，水下移動潛體(20)所發(fā)出的頻率信號的頻率為f，阻抗分析儀(6)的掃描頻率范圍為f±0.1kHz；

由測量船基站(11)對單片機(5)下達(dá)命令，控制阻抗分析儀(6)掃頻的開啟或關(guān)閉；所述的阻抗分析儀(6)通過掃頻，當(dāng)測量用PZT壓電傳感器(4)接收到水下移動潛體(20)所發(fā)出的頻率信號時，阻抗分析儀(6)掃頻出現(xiàn)共振頻譜，該頻譜波峰所處于的頻率即為掃描信號與水下移動潛體(20)所發(fā)出的共振頻率；

④測量船基站(11)與潛航器無線通訊部分(104)的通訊流程控制

所述的潛航器無線通訊部分(104)與測量船基站(11)通訊流程控制為：由測量船基站(11)與潛航器無線通訊部分(104)建立連接，測量船基站(11)通過船上無線發(fā)送裝置將需要下達(dá)的指令發(fā)送給潛航器上無線通訊部分(104)，無線通訊部分(104)接收到此指令后與單片機(5)之間進行數(shù)據(jù)交換，單片機(5)根據(jù)無線通訊部分(104)所傳遞來的指令信息，執(zhí)行對潛航器(501)內(nèi)部所有設(shè)備的調(diào)度；

⑤水下移動潛體(20)位置的識別方法

以下以水下移動潛體(20)位置固定，且水下移動潛體(20)發(fā)出的頻率40kHz為例來說水下移動潛體(20)位置的識別方法；

1)將潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)上的阻抗分析儀的掃頻范圍設(shè)定為39.9kHz～40.1kHz，將40kHz的水下移動潛體(20)放入目標(biāo)海域，將三個潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)開到目標(biāo)海域，通過測量船基站(11)向潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)發(fā)出掃頻指令，潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)掃頻后，把數(shù)據(jù)傳回測量船基站(11)進行分析，當(dāng)潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)都能掃頻到穩(wěn)定的40kHz的水下移動潛體(20)時，說明潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)都進入到水下移動潛體(20)能識別的海域；

2)建立位置識別的數(shù)據(jù)庫

A、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的建立

采集的實驗數(shù)據(jù)會經(jīng)過傳輸接口傳給計算機，進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建；將采集的數(shù)據(jù)建立樣本，并對數(shù)據(jù)進行歸1化縮放處理；在對水下移動潛體(20)探測定位中，位置編碼能顯示水下移動潛體(20)的位置，設(shè)置不同的位置k＝1～6，且k分別對應(yīng)：對比信號、50m、500m、1000m、2000m、3000m；不同位置的編碼用6階單位矩陣E表示；

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)測試次數(shù)的上限定為1000次，網(wǎng)絡(luò)的收斂率為0.01，網(wǎng)絡(luò)的測試誤差定為0.001；網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點數(shù)為16，網(wǎng)絡(luò)的輸出層節(jié)點為6；最終的目標(biāo)輸出向量E₁與E一致時，探測定位水下移動潛體(20)的網(wǎng)絡(luò)滿足要求；

B、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫驗證

以距離為1900m的測試數(shù)據(jù)為例，輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)檢驗，測得水下移動潛體(20)在距離潛航器(501)2000m附近，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效；

3)確定水下移動潛體(20)的位置

當(dāng)潛航器(501)檢測到信號時，則水下移動潛體(20)在該潛航器(501)測量范圍內(nèi)，此時，操控其余潛航器(502)和潛航器(503)分別往該潛航器(501)的四周運動，并檢測信號，直到潛航器(502)和潛航器(503)能分別檢測到目標(biāo)信號為止；在t時刻，潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)的空間坐標(biāo)(x₁,y₁,z₀)、(x₂,y₂,z₀)、(x₃,y₃,z₀)由GPS定位組件(10)獲得；通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，確定潛航器(501)、潛航器(502)、潛航器(503)距水下移動潛體(20)的距離分別為L₁、L₂、L₃；則水下移動潛體(20)必定在以潛航器(501)為圓心L₁為半徑的球面、以潛航器(502)為圓心L₂為半徑的球面以潛航器(503)為圓心L₃為半徑的三球面的水下交點處；

利用空間三球定位原理，三潛航器的位置坐標(biāo),即三球球心坐標(biāo)(x₁,y₁,z₀)、(x₂,y₂,z₀)、(x₃,y₃,z₀)由GPS定位組件(10)獲得，三組水下潛航器與水下移動潛體(20)的距離分別為L₁、L₂、L₃；該潛航器在同一水平面，所以坐標(biāo)z₀不變，得到三個球的方程分別為：

(x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₀)²＝L₁²

(x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₀)²＝L₂²

(x-x₃)²+(y-y₃)²+(z-z₀)²＝L₃²

在t₁時刻的交點P₁(x,y,z)為：

該交點P₁(x,y,z)即為水下移動潛體(20)的位置坐標(biāo)。

⑥水下移動潛體(20)的軌跡確定

以下以水下移動潛體(20)位置移動，且水下移動潛體(20)發(fā)出的頻率40kHz為例，來說水下移動潛體(20)位置的識別方法；

所上所述，在t₁時刻，測得水下移動潛體(20)的位置坐標(biāo)為P₁(x，y，z)。

同理，在t₂時刻的水下移動潛體(20)的位置坐標(biāo)P₂(x，y，z)；在t₃時刻的水下移動潛體(20)的位置坐標(biāo)P₃(x，y，z)；…；在t_n時刻的水下移動潛體(20)的位置坐標(biāo)P_n(x，y，z)；

由時間坐標(biāo)t₁、t₂、…、t_n和與其對應(yīng)的水下移動潛體(20)的位置坐標(biāo)P₁(x，y，z)、P₂(x，y，z)、…、P_n(x，y，z)，通過軟件進行曲線擬合，得到水下移動頻率目標(biāo)在不同時刻的運動軌跡方程。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。