專利名稱：一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下目標探測方法，適用于水下目標探測技術(shù)領(lǐng)域，也可用于水 下潛器對水面上空附近目標的探測。
背景技術(shù)：
水下精確導航是水下潛器長期水下安全航行的基本保障，及時全方位地探測障礙 物和敵對目標是水下導航中的重要組成部分，能有效地保障潛器的安全和隱蔽性。這其中 所需要探測的目標包括海底山峰、敵方潛艇、礁石、沉船或水雷等水下目標、水面艦艇等水 面目標和敵方反潛直升機或反潛飛機等水面上空附近目標。據(jù)統(tǒng)計，20世紀以來，國外潛艇發(fā)生了近500起非戰(zhàn)時海損事故，導致84艘潛艇沉 沒大海，其中核潛艇7艘。在這些事故中，碰撞沉沒事故占20%以上，這其中有上浮時與水 面艦艇之間的相撞，水下潛艇之間的相撞，也有潛艇觸礁事件。此外，由于擱淺、觸底而造成 破損或沉沒的事故也常有發(fā)生。目前潛艇上所具備的對于水下目標的探測技術(shù)主要有參考艇載海圖、實時的主 /被動式聲納探測、實時的藍綠激光探測等。潛艇上所載的海圖，有些測量的年份已經(jīng)久遠， 由于海底火山活動、珊瑚生長、河口泥沙沉積，海底的淺點會有所變化，參考海圖并不是完 全可靠。主動式聲納可以進行實時探測，但主動輻射聲信號會犧牲潛艇的隱蔽性。被動式聲 納并不向外輻射信號，但對于不發(fā)出聲波的障礙物如海底山峰、礁石等不具備探測能力。實 時的藍綠激光探測同樣會向外輻射信號，使得潛艇暴露，并且在水中的作用距離十分有限， 一股不超過100米。另一方面，敵對目標中對潛艇安全威脅最大的來自于空中的反潛機，由于潛艇對 空探測和打擊的能力較差，反潛機有很大的優(yōu)勢。在潛艇與空中反潛的對抗中，其生存概率 在30%以下。目前潛艇上對空的主要探測設(shè)備有雷達和聲納，其主要探測方式包括上浮 到水面或潛望鏡深度用雷達探測目標；用被動式聲納探測反潛機發(fā)動機和旋翼轉(zhuǎn)動發(fā)出的 聲音，通過聲音庫進行對比，識別來襲目標；此外，被動式聲納還可以監(jiān)聽反潛機的主動式 浸入聲納的工作，來探測敵機目標位置。這些探測方式中，雷達探測會暴露自身，而依靠被 動式聲納接收聲音信號只能被動地獲取大致的目標信息。傳統(tǒng)的重力梯度反演方法往往只利用了重力梯度張量的某一個或幾個分量，耗時 較長，需要較多人工干預(yù)，精度也難以達到目標探測的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服目前水下潛器對水下和空中目標探測技術(shù)的不完善，通過 對重力梯度場的合理分析，提出一種快速精確、自主性強的基于全張量重力梯度反演的水 下目標探測方法，用于水下潛器對水下或空中目標的探測?；谌珡埩恐亓μ荻确囱莸乃履繕颂綔y方法，是預(yù)先在潛器上存儲活動水域的 全張量重力梯度基準圖，在經(jīng)過該片水域時，再通過潛器所載重力梯度儀對重力梯度場進
4行實時測量；然后，將實時測得的重力梯度場與基準圖進行比照，得出當時海域的重力梯度 異常；此后，根據(jù)重力梯度異常來判斷是否存在基準圖上所未標注的異常目標，進而由全張 量重力梯度異常反演來估算目標的具體信息。預(yù)存的重力梯度基準圖和實時測得的重力梯 度值是重力梯度探測方法的基礎(chǔ)，而如何利用重力梯度異常來反演目標信息是重力梯度探 測的關(guān)鍵。本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案為一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法，通過對水下潛器活動水域的 全張量重力梯度異常進行實時測量，反演計算獲得目標的質(zhì)量、方位和位置，實現(xiàn)目標的水 下探測，該方法具體步驟如下(1)預(yù)先存儲活動水域的全張量重力梯度基準圖；(2)利用水下潛器上的重力梯度傳感器對活動水域進行實時測量，獲得實測重力 梯度信號，并將獲得的實測重力梯度信號與所述預(yù)先存儲的全張量重力梯度基準圖進行比 對，獲得由目標引起的全張量重力梯度異常；(3)對所述全張量重力梯度異常進行反演，計算出目標的方位參數(shù)；(4)對所述全張量重力梯度異常進行反演，計算出目標的質(zhì)量；(5)綜合上述計算出的目標質(zhì)量與方位參數(shù)，計算出目標的位置，完成對水下目標 的探測。作為本發(fā)明的進一步改進，所述目標的方位參數(shù)通過如下公式計算得到
θ(χ, ν, ζ) = arccos( ^z(xAz)) = arccos _ .-r--r-
<\兄z) Txz(x,y,z)(1)
樹 = arctan(M^) = arctan(i^M)
.Τ^χ,γ,ζ)其中θ、識為目標質(zhì)心相對于測量點的球坐標解；Γ χχ、rxy、Γχζ、ryy、ryz、Γζζ分 別為目標所引起的全張量重力梯度異常的6個分量的測量值；R為探測目標的質(zhì)心與測量 點的距離，Δ χ、Ay、Δ ζ分別為R在三個坐標軸方向上的投影；(X，y，Z)為測量點的三維坐 標。
標。
5
作為本發(fā)明的進一步改進，所述目標的質(zhì)量M通過如下公式計算得到 M =^ y^dxdy =y^y)^(2)
其中，G為萬有引力常量。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述目標的位置通過如下公式計算得到
R(X，兄 Z) _ Jrjx,y,z) + rjx,y,z) 0 _|(3)
\兄 z) Txz(x,y, ζ)
式中R為探測目標的質(zhì)心與測量點的距離。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述目標包括水下目標、水面目標和水面上空附近目
作為本發(fā)明的進一步改進，所述水下目標為海底山峰、敵方潛艇、礁石、沉船或水
田ο作為本發(fā)明的進一步改進，所述水面目標為水面艦艇。作為本發(fā)明的進一步改進，所述水面上空附近目標為敵方反潛直升機或反潛飛 機。本發(fā)明所提出的重力梯度探測方法，是通過測量目標所產(chǎn)生的重力梯度場異常來 探測目標信息，具有安全隱蔽、精確有效、真正的無源自主等特點，當其他探測方式受到限 制時，是一種對水下或空中目標有效的探測方法。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明與其他探測方法相比，具有安全隱蔽、精確有效、真正的無源自主等典 型特點，尤其適用于水下潛器；(2)在本發(fā)明中，專注于目標的本質(zhì)屬性——質(zhì)量和目標危險性的最大參考—— 位置這兩個重要參數(shù)，目標物體的幾何形狀及密度分布與最終參數(shù)估計無關(guān)，具有防偽裝、 抗干擾的特點；(3)本發(fā)明利用快速有效的全張量重力梯度反演算法來實現(xiàn)目標探測，與傳統(tǒng)的 重力梯度反演方法相比，全張量重力梯度的所有分量均被組合應(yīng)用到反演過程中，大大減 少了人工干預(yù)，耗時較少，提高了探測精度。


圖1為本發(fā)明的基于全張量重力梯度反演的目標探測方法的流程圖。圖2為目標模型。圖3為目標所引起的局部全張量重力梯度異常分布圖。圖4為反演探測目標方位。圖5為反演探測目標質(zhì)量。圖6為反演探測目標航跡。
具體實施例方式本實例的流程如圖1所示。本實例參考美國P-3C “獵戶座”型反潛機，選取目標 模型如圖2所示，假設(shè)其質(zhì)量分布均勻，真實質(zhì)量M = 70t，密度為0. 031 lt/m3，坐標系定義 如下把海平面當成水平面，置χ軸和y軸于此平面內(nèi)，使ζ軸的方向垂直向上。(1)首先在水下潛器上預(yù)先存儲活動水域的全張量重力梯度基準圖。(2)設(shè)圖2所示目標在活動水域內(nèi)，潛器在目標下方50m的水平面內(nèi)作實時測量， 由此得出實測重力梯度信號。將實測重力梯度信號與基準圖比對，得出由目標引起的全張 量重力梯度異常，圖3所示即為目標所引起的局部全張量重力梯度異常分布。(3)反演計算目標方位在單次測量的情況下，可將每一個測量點(即水下潛器所處位置)測得的由目標 引起的重力梯度異常代入公式(1)，反演計算得出目標質(zhì)心方位的球坐標解
6汐(X, y, z) = arccos(二Χ,> ,Ζ)) = arccos -------
吻，兄 ζ)Γ Jx, y, ζ) ^2 + Γ Jx, y, ζ) ^2 + 工
<\ Γγζ(χ,γ,ζ) Γχζ(χ,γ,ζ)⑴
φ,少，ζ) = arctan(Mw)) = arctan(i^M) IYxz(X^y7Z)其中θ、識為目標質(zhì)心相對于測量點的球坐標解；(X，y，ζ)為潛艇所在測量點坐 標；Γχχ、rxy、Γχζ、ryy、ryz、Γ zz分別為目標所引起的全張量重力梯度異常的6個分量；R 為探測目標的質(zhì)心與測量點的距離，Δ χ、Ay、Δ Z分別為R在三個坐標軸方向上的投影，即R = ^J(Ax)2 +(Ayf +(Azf其中，坐標系定義如下把海平面當成水平面，置χ軸和y軸于此平面內(nèi)，使ζ軸的 方向垂直向上，原點位置可任意設(shè)定。(4)反演計算目標質(zhì)量在多次測量的情況下，將探測所得的重力梯度異常Γχζ或Γ yz的值代入公式(2)， 可以求得探測目標的質(zhì)量M。M = -^-^xTxz(x^y)dxdy = -J—^yYyz(x^y)dxdy(2)其中，G為萬有引力常量。異常目標相對于空氣的剩余質(zhì)量M等于χ Γ χζ或y Γ yz 在Oxy，平面上無窮積分值的1/2 π G。圖5所示為隨著探測范圍的增大，反演探測目標質(zhì)量 的結(jié)果變化曲線，圖中虛線所示為目標模型的真實質(zhì)量。從圖5可以看出，隨著探測范圍的 增大，所求得的目標質(zhì)量誤差逐漸減少，接近于真實值。此外，較小的探測范圍就可以估計 探測目標質(zhì)量的量級。(5)反演計算目標位置由公式⑴和⑵可以進一步計算出目標質(zhì)心與潛艇測量點的距離R
R(x,y, ζ)= -(1--)3jTxx(x,y,z) + Tyy(x,y,z) Γ^χ,γ,ζ)^ ! Γψ(χ,γ,ζ)^2 ! ^ (3)根據(jù)公式⑴和(3)，即可計算出目標質(zhì)心的位置。如圖6所示，目標的實際航跡 和潛艇的測量點分別對應(yīng)圖中的“實際航跡”和“測量點”，此時的探測目標質(zhì)量取估計值 36t，將每一次測量的全張量重力梯度異常值代入式(1)和(3)，反演計算得到目標位置，多 次目標位置的計算結(jié)果構(gòu)成了圖中的“反演航跡”。本發(fā)明的原理是地球表面物體的質(zhì)量變化會使它附近的重力梯度場產(chǎn)生異常， 而重力梯度異常的大小及分布與異常目標的質(zhì)量、位置等信息是有密切關(guān)系的，而通過分 析這種關(guān)系則可以實現(xiàn)目標探測。重力梯度Γ是重力位Φ的二階空間導數(shù)，它們反映的是重力加速度分量(gx，gy， gz)分別在χ，y，ζ方向上的變化率。重力梯度可由張量表示為
7
Γ =
δ2φδ2Φδ2Φdxdxdxdydxdzdx8y&δ2Φδ2Φδ2ΦSgySgySgydydxSySydydzdx8ydzδ2Φδ2Φδ2ΦSgzSgzSgzdzdxdzdydzdzdx8ydz
ΓΓVΓΓΓJXyyΓ
JZ
⑷ 在忽略離心力的情況下，重力場是一個保守場，重力梯度張量具有對稱性，且跡為 0，全張量重力梯度的各分量滿足如下關(guān)系式
Γ =ΓJ0QJ = X,y,ζ)
-股為了顯示上的對因此，全張量重力梯度的9個分量中，只有5個獨立的分量， 稱，也取作6個分量。定義坐標系如下把海平面當成水平面，置X軸和y軸于此平面內(nèi)，使ζ軸的方向 垂直向上。設(shè)x、y、Z為重力梯度儀在三個坐標軸上的坐標，ε、η、ζ為第i個物質(zhì)單元 的坐標，δ i表示第i個物質(zhì)單元的密度，r為第i個物質(zhì)單元與測量點的距離。設(shè)異常目 標物體中一質(zhì)量為m的點對重力梯度儀測量點的重力位為Φ，在忽略地球自轉(zhuǎn)慣性離心力 的情況下，則有
GmGm
(5)
Φ =
^(ε-χ)2+(η-γ)2 + (ζ-ζ)2
對ζ求二階導數(shù)可得 δ2Φ=(}}η 2(ζ-ζ)2-(S-X)2-(η-yf
δ2Φ ^ 2(ζ-ζ)2 -(ε-χ)2 -(η-yf~- = Gm-^_J-_^__J-_w y'n(6)
&2[{s-Xf+{71-yf+{g-Zff^
梯度的計算公式Fzz = Gjjj^-f~ (g-f -工 5ldsdVdC(7)
iii^S-X)2+(η-yf+(C-zff2同理，可以推導出在重力梯度測量點由異常目標物體所引起的重力梯度其他分量 Γ χχ、Γ 、 Γ 、Γ xz、Γ ￥Ζ的計算公式如下
Sz2 [{ε-χ)2+{η-γ)2+{ -^ 2 這樣，可以得出在重力梯度儀測量點(x，y，z)由異常目標物體所引起的重力垂直
yy ‘ xy
xz * yz
2(g-f-(”2_((1)淋械 (I)如果探測目標足夠遠，相對來說我們可以忽略目標本身的尺寸大小，此時式 (7)-(12)可以近似表示如下
Y ^y, z) = GM TJx,y,z) = GM Yzz(x,y,z) = GM
Γ
3(Ax(x,y,z)f-R2 R5
3(Ay(x,y,z)f-R2 R5
3(Az(x,y,z)f-R2 R5
xy v ' ^ ‘ ，
(x,y,Z) = GM3Ax(x^z)Azix^z)
ζ \ I^i /
(13)
Γ
K其中，M為探測目標的剩余質(zhì)量，Γ^(χ，γ，Ζ)( ，j =X，y)為坐標(x，y，ζ)處的 重力梯度分量值，R為探測目標的質(zhì)心與探測點的距離，Δ χ (x, y，ζ)、Ay(X，y，ζ)、Δ ζ (χ， Υ,ζ)分別為R在三個坐標軸方向上的投影，即R = V(Ax(x,兄 ζ))2 + (Αγ(χ, γ, ζ))2 + (Δζ(χ,兄 ζ))2 由式(11)進行推導，可得
r Az(X1)^z))2
ι
，兄力、2 . ,ΓχνΟ，兄力
、 -r+(-
)2+1
(14)
Ay(x,y,z) = Tyz(x,y,z) Δζ(χ,兄 ζ) Υ^χ,γ,ζ)則可以得到目標質(zhì)心方位的球坐標解為
θ(χ,γ, ζ) = arccos(^f,(XJ,Z)) = arccos
φ(χ, y, ζ) = arctan(
\兄 ζ) Γχζ(χ,γ,ζ)
)2+1
(15)
Δζ(χ,兄 ζ)Υ^χ,γ,ζ)當目標與潛艇處于靜止或者相對運動時，每一時刻潛艇上所載的重力梯度儀均 可實時測量出自身位置上由目標所引起的重力梯度異常。將這些重力梯度異常值代入式 (15)，即可得出目標質(zhì)心相對于重力梯度儀所在位置的方位。(II)根據(jù)公式(11)和(12)可以推導得出
M = Jjxrxz (x, y)dxdy =0，
2πΟ·
(16) 因此，異常目標相對于空氣的剩余質(zhì)量M等于χ Γ χζ或y Γ yz在Oxy平面上無窮積 分值的1/2 π G0
9
當物體處于靜止狀態(tài)時，重力梯度儀可以測得潛艇所在位置由目標引起的Γχζ或 Fyz異常值。在一定的測量區(qū)域內(nèi)，當潛艇運動起來進行多點測量時在每一個測量點都得 到一個Γχζ或Γ yz異常值，將這些數(shù)據(jù)代入式(16)，即可得到目標質(zhì)量的估計值。同樣分 辨率大小的條件下，當測量區(qū)域越大時，測量點越多，目標質(zhì)量的估計值也更加精確。(III)當?shù)玫侥繕速|(zhì)量M的估計值之后，可以進一步計算出目標質(zhì)心與重力梯度 儀的距離
R(x, y, ζ)=丨-(1—τ^—,-r-- -)3Γ (χ,兄ζ) + ?！唉?兄ζ)| rjx,y,z)^2 U (17)
\Yx2(x,y,z)結(jié)合式(15)，目標質(zhì)心的位置就可以被確定下來。式(15)，(16)和(17)就組成了全張量重力梯度反演算法。在這種算法中，在每一個觀測點都可以得到目標質(zhì)心的相對方位，在某一個區(qū)域 進行探測后就可以對目標的質(zhì)量和相對距離進行估計，從而可以進一步估計目標質(zhì)心的位置。綜上所述，在裝載了高精度重力梯度基準圖的情況下，通過實時精確測量重力梯 度場以及運用本發(fā)明所提出的重力梯度異常反演方法，可以對目標物體的質(zhì)量和物體重心 的相對位置進行準確估計。
權(quán)利要求
一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法，通過對水下潛器活動水域的全張量重力梯度異常進行實時測量，反演計算獲得目標的質(zhì)量、方位和位置，實現(xiàn)目標的水下探測，該方法具體步驟如下(1)預(yù)先存儲活動水域的全張量重力梯度基準圖；(2)利用水下潛器上的重力梯度傳感器對活動水域進行實時測量，獲得實測重力梯度信號，并將獲得的實測重力梯度信號與所述預(yù)先存儲的全張量重力梯度基準圖進行比對，獲得由目標引起的全張量重力梯度異常；(3)對所述全張量重力梯度異常進行反演，計算出目標的方位參數(shù)；(4)對所述全張量重力梯度異常進行反演，計算出目標的質(zhì)量；(5)綜合上述計算出的目標質(zhì)量與方位參數(shù)，計算出目標的位置，完成對水下目標的探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法，其 特征在于，所述目標的方位參數(shù)通過如下公式計算得到θ(χ, ν, ζ) = arccos( ^z(xAz)) = arccos _ .-r--r-<\兄z) Txz(x,y,z)(1)樹 = arctan(M^) = arctan(i^M).Τ^χ,γ,ζ)其中θ 4為目標質(zhì)心相對于測量點的球坐標解；Γ χχ、rxy、rxz、ryy、ryz、Γζζ分別為 目標所引起的全張量重力梯度異常的6個分量的測量值；R為探測目標的質(zhì)心與測量點的 距離，Δχ、Ay、Δ ζ分別為R在三個坐標軸方向上的投影；(X，y，ζ)為測量點的三維坐標。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法，其特征在于，所述目標的質(zhì)量M通過如下公式計算得到M =^ y^dxdy =y^y)^(2)其中，G為萬有引力常量，Γχχ、rxy、Γχζ、ryy、ryz、Γ zz分別為目標所引起的全張量重 力梯度異常的6個分量的測量值，(x, y, ζ)為測量點的三維坐標。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法， 其特征在于，所述目標的位置通過如下公式計算得到R(X,y,Z) Jr Jx,y, ζ)+ Γ Jx,y, ζ) (1 Τ^χ,γ,ζ)^ 十 TJx,y,z)^2 十？ (3) 式中R為探測目標的質(zhì)心與測量點的距離，G為萬有引力常量，M為目標的質(zhì)量，Γχχ、 rxy、Γχζ、ryy、ryz、Γ zz分別為目標所引起的全張量重力梯度異常的6個分量的測量值， (x，y，z)為測量點的三維坐標。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法， 其特征在于，所述目標包括水下目標、水面目標和水面上空附近目標。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法，其特征在于，所述水下目標為海底山峰、敵方潛艇、礁石、沉船或水雷。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法，其特征 在于，所述水面目標為水面艦艇。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法，其特征 在于，所述水面上空附近目標為敵方反潛直升機或反潛飛機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于全張量重力梯度反演的水下目標探測方法，具體步驟如下(1)預(yù)先存儲活動水域的全張量重力梯度基準圖；(2)利用水下潛器上的重力梯度傳感器對活動水域進行實時測量，獲得實測重力梯度信號，并將獲得的實測重力梯度信號與所述預(yù)先存儲的全張量重力梯度基準圖進行比對，獲得由目標引起的全張量重力梯度異常；(3)對所述全張量重力梯度異常進行反演，計算出目標的方位參數(shù)和質(zhì)量；(4)綜合上述計算出的目標質(zhì)量與方位參數(shù)，計算出目標的位置，完成對水下目標的探測。本發(fā)明與其他探測方法相比，具有安全隱蔽、精確有效、真正的無源自主等典型特點，尤其適用于水下潛器，大大減少了人工干預(yù)，耗時較少，提高了探測精度。
文檔編號G01V7/16GK101975969SQ20101051340
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者武凜, 田金文 申請人:華中科技大學