本發(fā)明涉及水下航行器定位、海洋生物遷徙研究、海洋探測(cè)、海底導(dǎo)航和海洋調(diào)查等領(lǐng)域，尤其是指一種基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法。

背景技術(shù)：

1、隨著海洋研究和開發(fā)的深入，越來越多的情境下需要對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行定位和感知。然而，由于海水層覆蓋導(dǎo)致光和電磁波很快在水中衰減，因此水下目標(biāo)(如深潛器、水下機(jī)器人、海洋生物和海洋探測(cè)儀器等)很難通過視覺和電磁波等手段感知其位置。傳統(tǒng)上，利用聲波信號(hào)在水中衰減弱的特點(diǎn)，通過聲波信號(hào)感知水中目標(biāo)。

2、目前，主流的聲波信號(hào)水下目標(biāo)感知使用基于三點(diǎn)定位原理的最小二乘法、梯度下降、模擬退火和遺傳算法。就最小二乘和梯度下降等線性反演方法而言，為了獲得梯度信息，通常需要忽略高階項(xiàng)，將非線性方程組線性化求解，得到的只是近似結(jié)果，并且結(jié)果強(qiáng)烈依賴初始位置，對(duì)于沒有任何先驗(yàn)信息的水下目標(biāo)，其結(jié)果容易陷入局部極值，得到的并不是最優(yōu)解。而模擬退火、遺傳算法等通過對(duì)整個(gè)模型空間隨機(jī)采樣可以避免陷入局部極值，但是仍然存在一些不足，例如采樣的方法嚴(yán)重影響效率，無法提供結(jié)果的不確定性評(píng)估等。此外，水下目標(biāo)產(chǎn)生的聲波信號(hào)微弱時(shí)，其信噪比較差，因此對(duì)結(jié)果的可靠性會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，常規(guī)的梯度反演和非線性反演不能給出結(jié)果的不確定性。就目前的一些解決方案而言，除了反演技術(shù)方面的不足外，大部分方案還強(qiáng)烈依賴先進(jìn)的設(shè)備(如超短基線、低頻水聽器等)和高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)。以致方案過于復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)起來很困難，并且由于需要額外的設(shè)備布置和野外工作條件，在實(shí)際操作中比較麻煩。另外，由于設(shè)備價(jià)格高昂，難以推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述常規(guī)方法的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，其使用公開獲取的數(shù)據(jù)，不依賴外部設(shè)備輔助，數(shù)據(jù)處理會(huì)進(jìn)行信噪比分析和多次數(shù)據(jù)篩選，其結(jié)果更穩(wěn)定、更可靠、更精確，而且還能夠提供結(jié)果的不確定性。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，包括以下步驟：

4、步驟1：從聲納或海底地震儀等，即接收器記錄數(shù)據(jù)中，檢測(cè)出聲波異常到時(shí)信息；

5、步驟2：對(duì)檢測(cè)的異常信息波形進(jìn)行信噪比控制，保留信噪比好的聲波異常數(shù)據(jù)；

6、步驟3：進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并網(wǎng)格化模型；

7、步驟4：計(jì)算模型中各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)到接收器的聲波傳播時(shí)間，并利用產(chǎn)生異常信號(hào)時(shí)間一致，獲得傳播時(shí)間最小化差異的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；

8、步驟5：用空間多尺度迭代，進(jìn)一步搜尋水下目標(biāo)的最佳預(yù)估位置；

9、步驟6：利用水下目標(biāo)的最佳預(yù)估位置計(jì)算傳播時(shí)間，將傳播時(shí)間差異較大的信息剔除，以保證后續(xù)計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；

10、步驟7：進(jìn)一步通過蒙特卡洛算法反演水下目標(biāo)的準(zhǔn)確位置。

11、所述步驟1：從接收器記錄的數(shù)據(jù)中提取聲波信號(hào)到時(shí)ti(φ，θ，d)，其中ti表示第i個(gè)接收器記錄的聲波異常時(shí)間，φ、θ和d分別表示該接收器的經(jīng)度、緯度和水深；提取的聲波異常時(shí)間假設(shè)滿足高斯分布，通過所有提取時(shí)間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差獲得概率密度函數(shù)：

12、

13、式(1)中μ和σ分別代表均值和標(biāo)準(zhǔn)差；t為提取的聲波異常時(shí)間；ρ為概率密度函數(shù)。

14、所述步驟2：通過檢測(cè)出的聲波異常信號(hào)前后一段時(shí)間內(nèi)的波形數(shù)據(jù)分別作為噪聲和有效信號(hào)，并計(jì)算出信噪比；將信噪比不滿足要求的信息從數(shù)據(jù)集中剔除，信噪比計(jì)算如公式(2)，

15、

16、式(2)中rsn表示計(jì)算的信噪比，ns和nn分別表示信號(hào)和噪聲的采樣個(gè)數(shù)，si和ni則分別表示信號(hào)和噪聲在第i個(gè)點(diǎn)的幅，和表示該段時(shí)間內(nèi)信號(hào)和噪聲的平均值。

17、所述步驟3：根據(jù)球形假設(shè)，將接收器的經(jīng)度、緯度和水深變換為直角坐標(biāo)下的(x，y，z)，其中直角坐標(biāo)下x、y和z的方向分別從球心指向東、南和北向；接收器在球坐標(biāo)下的半徑r＝r-d，其中r＝6371.0km，為地球半徑；隨后在直角坐標(biāo)系下，將模型空間以(δx，δy，δz)的步長(zhǎng)進(jìn)行網(wǎng)格分割，并計(jì)算所有網(wǎng)格到接收器的傳播時(shí)間如公式(3)：

18、

19、式中xn、yn和zn表示第n個(gè)網(wǎng)格在直角坐標(biāo)中的位置；xi、yi和zi表示第i個(gè)接收器在直角坐標(biāo)中的位置；vw表示聲波在水里的傳播速度；表示第n個(gè)網(wǎng)格到第i個(gè)接收器的傳播時(shí)間。

20、所述步驟4：設(shè)水下目標(biāo)與水體產(chǎn)生聲波信號(hào)的時(shí)間為t0(x0，y0，z0)，其中x0、y0和z0表示水下目標(biāo)產(chǎn)生聲波信號(hào)時(shí)在直角坐標(biāo)中的位置；通過計(jì)算出第n個(gè)網(wǎng)格對(duì)第i個(gè)接收器的估計(jì)聲波信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格對(duì)接收器之間的估計(jì)聲波信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間差異和的最小值，用來評(píng)估水下目標(biāo)的大致位置，即δtn最小時(shí)網(wǎng)格的位置，如公式(4)：

21、

22、式中n表示接收器個(gè)數(shù)；δtn第n個(gè)網(wǎng)格對(duì)所有接收器之間估計(jì)聲波信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間差異之和，若第n個(gè)網(wǎng)格恰巧為水下目標(biāo)所在的位置，則δtn理論上應(yīng)等于0s。

23、所述步驟5：將步驟4中使得δtn最小的網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)分，并用細(xì)分后的網(wǎng)格重復(fù)步驟4的計(jì)算，在δtn＜∈時(shí)停止計(jì)算，其中∈為閾值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格位置為預(yù)估的最佳水下目標(biāo)位置。

24、所述步驟6：利用步驟5獲得的網(wǎng)格位置下每個(gè)接收器估計(jì)的聲波信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間，獲得高斯分布的概率密度函數(shù)，并將落在[μ-1.5σ，μ+1.5σ]外的數(shù)據(jù)剔除，其中μ和σ分別表示平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以保證數(shù)據(jù)可靠性。

25、所述步驟7：利用蒙特卡洛反演算法根據(jù)步驟5獲得的網(wǎng)格位置進(jìn)一步定位水下目標(biāo)位置，并利用個(gè)參數(shù)的概率分布評(píng)估其不確定性。

26、本發(fā)明的有益效果：

27、1)利用空間多尺度迭代網(wǎng)格搜索，可自動(dòng)細(xì)化水下目標(biāo)預(yù)估位置，直到誤差達(dá)到預(yù)設(shè)精度。

28、2)利用空間多尺度迭代獲得的水下目標(biāo)位置，用于metropolis-hastings算法的初始值，可通過較少的計(jì)算量下獲得精確的結(jié)果。

29、3)通過蒙特卡洛在模型空間中隨機(jī)采樣，有效避免陷入局部極值，獲得的結(jié)果更加可靠。

30、4)通過貝葉斯公式計(jì)算后驗(yàn)概率，可有效評(píng)估水下目標(biāo)在經(jīng)度、緯度和水深的不確定性。

技術(shù)特征：

1.一種基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，其特征在于，所述步驟1：從接收器記錄的數(shù)據(jù)中提取聲波信號(hào)到時(shí)ti(φ,θ,d)，其中ti表示第i個(gè)接收器記錄的聲波異常時(shí)間，φ、θ和d分別表示該接收器的經(jīng)度、緯度和水深；提取的聲波異常時(shí)間假設(shè)滿足高斯分布，通過所有提取時(shí)間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差獲得概率密度函數(shù)：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，其特征在于，所述步驟2：通過檢測(cè)出的聲波異常信號(hào)前后一段時(shí)間內(nèi)的波形數(shù)據(jù)分別作為噪聲和有效信號(hào)，并計(jì)算出信噪比；將信噪比不滿足要求的信息從數(shù)據(jù)集中剔除，信噪比計(jì)算如公式(2)，

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，其特征在于，所述步驟3：根據(jù)球形假設(shè)，將接收器的經(jīng)度、緯度和水深變換為直角坐標(biāo)下的(x,y,z)，其中直角坐標(biāo)下x、y和z的方向分別從球心指向東、南和北向；接收器在球坐標(biāo)下的半徑r＝r-d，其中r＝6371.0km，為地球半徑；隨后在直角坐標(biāo)系下，將模型空間以(δx,δy,δz)的步長(zhǎng)進(jìn)行網(wǎng)格分割，并計(jì)算所有網(wǎng)格到接收器的傳播時(shí)間如公式(3)：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，其特征在于，所述步驟4：設(shè)水下目標(biāo)與水體產(chǎn)生聲波信號(hào)的時(shí)間為t0(x0,y0,z0)，其中x0、y0和z0表示水下目標(biāo)產(chǎn)生聲波信號(hào)時(shí)在直角坐標(biāo)中的位置；通過計(jì)算出第n個(gè)網(wǎng)格對(duì)第i個(gè)接收器的估計(jì)聲波信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格對(duì)接收器之間的估計(jì)聲波信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間差異和的最小值，用來評(píng)估水下目標(biāo)的大致位置，即δtn最小時(shí)網(wǎng)格的位置，如公式(4)：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，其特征在于，所述步驟5：將步驟4中使得δtn最小的網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)分，并用細(xì)分后的網(wǎng)格重復(fù)步驟4的計(jì)算，在δtn<∈時(shí)停止計(jì)算，其中∈為閾值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格位置為預(yù)估的最佳水下目標(biāo)位置。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，其特征在于，所述步驟6：利用步驟5獲得的網(wǎng)格位置下每個(gè)接收器估計(jì)的聲波信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間，獲得高斯分布的概率密度函數(shù)，并將落在[μ-1.5σ,μ+1.5σ]外的數(shù)據(jù)剔除，其中μ和σ分別表示平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以保證數(shù)據(jù)可靠性。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，其特征在于，所述步驟7：利用蒙特卡洛反演算法根據(jù)步驟5獲得的網(wǎng)格位置進(jìn)一步定位水下目標(biāo)位置，并利用個(gè)參數(shù)的概率分布評(píng)估其不確定性。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及海洋探測(cè)領(lǐng)域，公開了一種基于蒙特卡洛的水下目標(biāo)感知方法，包括數(shù)據(jù)提取及其不確定性評(píng)估、聲波走時(shí)計(jì)算、水下移動(dòng)目標(biāo)位置建模、位置反演和不確定性評(píng)估。由于水下目標(biāo)具有很強(qiáng)的隱蔽性，難以通過目視和電磁波探測(cè)其位置。然而水下移動(dòng)目標(biāo)與水體之間的相互作用將產(chǎn)生聲波信號(hào)，利用聲波在水體中幾乎沒有衰減的特性，基于聲納或海底地震儀探測(cè)數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確探測(cè)其位置。通過聲波在水體中的傳播時(shí)間，基于非線性蒙特卡洛反演方法和貝葉斯公式可對(duì)水下目標(biāo)的位置建模，獲得水下目標(biāo)位置，同時(shí)統(tǒng)計(jì)概率評(píng)估其位置的不確定性。該方法在水下航行器定位、海洋生物遷徙研究、海洋探測(cè)和海底導(dǎo)航中可發(fā)揮重要作用。

技術(shù)研發(fā)人員：方鵬高,胡昊,吳躍,王偉,許明炬,吳結(jié)根,黎晅,李余,張濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東海實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17