专利名称：一种基于全张量重力梯度反演的水下目标探测方法
技术领域：
本发明涉及一种水下目标探测方法，适用于水下目标探测技术领域，也可用于水 下潜器对水面上空附近目标的探测。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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。本发明所采用的具体技术方案为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。作为本发明的进一步改进，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
作为本发明的进一步改进，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。
作为本发明的进一步改进，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。
作为本发明的进一步改进，所述目标包括水下目标、水面目标和水面上空附近目
作为本发明的进一步改进，所述水下目标为海底山峰、敌方潜艇、礁石、沉船或水
田ο作为本发明的进一步改进，所述水面目标为水面舰艇。作为本发明的进一步改进，所述水面上空附近目标为敌方反潜直升机或反潜飞 机。本发明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。本发明相比现有技术的优点在于(1)本发明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)在本发明中，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)本发明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。
图1为本发明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)) = 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、识为目标质心相对于测量点的球坐标解；(X，y，ζ)为潜艇所在测量点坐 标；Γχχ、rxy、Γχζ、ryy、ryz、Γ zz分别为目标所引起的全张量重力梯度异常的6个分量；R 为探测目标的质心与测量点的距离，Δ χ、Ay、Δ Z分别为R在三个坐标轴方向上的投影，即R = ^J(Ax)2 +(Ayf +(Azf其中，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，原点位置可任意设定。(4)反演计算目标质量在多次测量的情况下，将探测所得的重力梯度异常Γχζ或Γ yz的值代入公式(2)， 可以求得探测目标的质量M。M = -^-^xTxz(x^y)dxdy = -J—^yYyz(x^y)dxdy(2)其中，G为万有引力常量。异常目标相对于空气的剩余质量M等于χ Γ χζ或y Γ yz 在Oxy，平面上无穷积分值的1/2 π G。图5所示为随着探测范围的增大，反演探测目标质量 的结果变化曲线，图中虚线所示为目标模型的真实质量。从图5可以看出，随着探测范围的 增大，所求得的目标质量误差逐渐减少，接近于真实值。此外，较小的探测范围就可以估计 探测目标质量的量级。(5)反演计算目标位置由公式⑴和⑵可以进一步计算出目标质心与潜艇测量点的距离R
R(x,y, ζ)= -(1--)3jTxx(x,y,z) + Tyy(x,y,z) Γ^χ,γ,ζ)^ ! Γψ(χ,γ,ζ)^2 ! ^ (3)根据公式⑴和(3)，即可计算出目标质心的位置。如图6所示，目标的实际航迹 和潜艇的测量点分别对应图中的“实际航迹”和“测量点”，此时的探测目标质量取估计值 36t，将每一次测量的全张量重力梯度异常值代入式(1)和(3)，反演计算得到目标位置，多 次目标位置的计算结果构成了图中的“反演航迹”。本发明的原理是地球表面物体的质量变化会使它附近的重力梯度场产生异常， 而重力梯度异常的大小及分布与异常目标的质量、位置等信息是有密切关系的，而通过分 析这种关系则可以实现目标探测。重力梯度Γ是重力位Φ的二阶空间导数，它们反映的是重力加速度分量(gx，gy， gz)分别在χ，y，ζ方向上的变化率。重力梯度可由张量表示为
7
Γ =
δ2φδ2Φδ2Φdxdxdxdydxdzdx8y&δ2Φδ2Φδ2ΦSgySgySgydydxSySydydzdx8ydzδ2Φδ2Φδ2ΦSgzSgzSgzdzdxdzdydzdzdx8ydz
ΓΓVΓΓΓJXyyΓ
JZ
⑷ 在忽略离心力的情况下，重力场是一个保守场，重力梯度张量具有对称性，且迹为 0，全张量重力梯度的各分量满足如下关系式
Γ =ΓJ0QJ = X,y,ζ)
-股为了显示上的对因此，全张量重力梯度的9个分量中，只有5个独立的分量， 称，也取作6个分量。定义坐标系如下把海平面当成水平面，置X轴和y轴于此平面内，使ζ轴的方向 垂直向上。设x、y、Z为重力梯度仪在三个坐标轴上的坐标，ε、η、ζ为第i个物质单元 的坐标，δ i表示第i个物质单元的密度，r为第i个物质单元与测量点的距离。设异常目 标物体中一质量为m的点对重力梯度仪测量点的重力位为Φ，在忽略地球自转惯性离心力 的情况下，则有
GmGm
(5)
Φ =
^(ε-χ)2+(η-γ)2 + (ζ-ζ)2
对ζ求二阶导数可得 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^
梯度的计算公式Fzz = Gjjj^-f~ (g-f -工 5ldsdVdC(7)
iii^S-X)2+(η-yf+(C-zff2同理，可以推导出在重力梯度测量点由异常目标物体所引起的重力梯度其他分量 Γ χχ、Γ 、 Γ 、Γ xz、Γ ￥Ζ的计算公式如下
Sz2 [{ε-χ)2+{η-γ)2+{ -^ 2 这样，可以得出在重力梯度仪测量点(x，y，z)由异常目标物体所引起的重力垂直
yy ‘ xy
xz * yz
2(g-f-(”2_((1)淋械 (I)如果探测目标足够远，相对来说我们可以忽略目标本身的尺寸大小，此时式 (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为探测目标的剩余质量，Γ^(χ，γ，Ζ)( ，j =X，y)为坐标(x，y，ζ)处的 重力梯度分量值，R为探测目标的质心与探测点的距离，Δ χ (x, y，ζ)、Ay(X，y，ζ)、Δ ζ (χ， Υ,ζ)分别为R在三个坐标轴方向上的投影，即R = V(Ax(x,兄 ζ))2 + (Αγ(χ, γ, ζ))2 + (Δζ(χ,兄 ζ))2 由式(11)进行推导，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)则可以得到目标质心方位的球坐标解为
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)当目标与潜艇处于静止或者相对运动时，每一时刻潜艇上所载的重力梯度仪均 可实时测量出自身位置上由目标所引起的重力梯度异常。将这些重力梯度异常值代入式 (15)，即可得出目标质心相对于重力梯度仪所在位置的方位。(II)根据公式(11)和(12)可以推导得出
M = Jjxrxz (x, y)dxdy =0，
2πΟ·
(16) 因此，异常目标相对于空气的剩余质量M等于χ Γ χζ或y Γ yz在Oxy平面上无穷积 分值的1/2 π G0
9
当物体处于静止状态时，重力梯度仪可以测得潜艇所在位置由目标引起的Γχζ或 Fyz异常值。在一定的测量区域内，当潜艇运动起来进行多点测量时在每一个测量点都得 到一个Γχζ或Γ yz异常值，将这些数据代入式(16)，即可得到目标质量的估计值。同样分 辨率大小的条件下，当测量区域越大时，测量点越多，目标质量的估计值也更加精确。(III)当得到目标质量M的估计值之后，可以进一步计算出目标质心与重力梯度 仪的距离
R(x, y, ζ)=丨-(1—τ^—,-r-- -)3Γ (χ,兄ζ) + Γ“χ,兄ζ)| rjx,y,z)^2 U (17)
\Yx2(x,y,z)结合式(15)，目标质心的位置就可以被确定下来。式(15)，(16)和(17)就组成了全张量重力梯度反演算法。在这种算法中，在每一个观测点都可以得到目标质心的相对方位，在某一个区域 进行探测后就可以对目标的质量和相对距离进行估计，从而可以进一步估计目标质心的位置。综上所述，在装载了高精度重力梯度基准图的情况下，通过实时精确测量重力梯 度场以及运用本发明所提出的重力梯度异常反演方法，可以对目标物体的质量和物体重心 的相对位置进行准确估计。
权利要求
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力梯度反演的水下目标探测方法，其特征在于，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，Γχχ、rxy、Γχζ、ryy、ryz、Γ zz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，(x, y, ζ)为测量点的三维坐标。
4.根据权利要求1-4之一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，所述目标的位置通过如下公式计算得到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为探测目标的质心与测量点的距离，G为万有引力常量，M为目标的质量，Γχχ、 rxy、Γχζ、ryy、ryz、Γ zz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， (x，y，z)为测量点的三维坐标。
5.根据权利要求1-4之一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，所述目标包括水下目标、水面目标和水面上空附近目标。
6.根据权利要求5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，所述水下目标为海底山峰、敌方潜艇、礁石、沉船或水雷。
7.根据权利要求5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，所述水面目标为水面舰艇。
8.根据权利要求5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，所述水面上空附近目标为敌方反潜直升机或反潜飞机。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01V7/16GK101975969SQ20101051340
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者武凛, 田金文 申请人:华中科技大学