本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)處理，具體涉及一種無人潛航器隱蔽性評估系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、無人潛航器作為一種中小型海洋裝備，在機動性、多功能性、工作持久性、部署便捷性等方面都具有突出的優(yōu)勢，可通過搭載的多種傳感器執(zhí)行各類型任務，特別是惡劣、危險環(huán)境下的特種任務，相較于載人艦艇具有更好的經(jīng)濟性。無人潛航器是一種重要的新興水下工作平臺，是海上無人系統(tǒng)平臺的重要組成部分，是各國發(fā)展水下裝備的重要方向。

2、無人潛航器的航行安全，即潛航時的隱蔽性和安全性，是一重要的研究方向。無人潛航器相較于例如潛艇等載人艦艇尺寸更小，不易被觀察到；而載人艦艇均搭載主、被動聲納，有聲納員監(jiān)聽聲納(包括音色、節(jié)拍和起伏等)來判定目標。受限于機身尺寸，現(xiàn)有無人潛航器設(shè)計的供能儲備普遍不足以支撐其搭載具有強大算力的處理器芯片，現(xiàn)存技術(shù)無法高效地進行隱蔽性評估，僅能依靠被動聲納獲取的信號進行自動判別，無人工輔助，只能針對無人潛航器特點開發(fā)輕量、快速隱蔽性評估方法。通俗來講，載人艦艇裝備更高級，且有人工決策；而無人潛航器需要根據(jù)較低級設(shè)備依靠自動化算法實現(xiàn)隱蔽性評估。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對相關(guān)技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供了一種無人潛航器隱蔽性評估系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計供能儲備普遍不足以支撐其搭載具有強大算力的處理器芯片，無法高效地進行隱蔽性評估，僅能依靠被動聲納獲取的信號進行自動判別，無人工輔助，需要根據(jù)較低級設(shè)備依靠自動化算法實現(xiàn)隱蔽性評估的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明提供一種無人潛航器隱蔽性評估系統(tǒng)，包括：

3、數(shù)據(jù)獲取模塊：通過無人潛航器搭載的傳感器獲取水文數(shù)據(jù)，通過聲吶探測水聲信號獲取時域數(shù)據(jù)，通過時頻分析算法對所述時域數(shù)據(jù)進行計算后獲得二維時頻數(shù)據(jù)；

4、目標識別模塊：將所述二維時頻數(shù)據(jù)輸入至卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對目標設(shè)備的類型進行識別；

5、傳播損失計算模塊：當識別到所述目標設(shè)備的類型為動態(tài)非合作目標時，通過所述無人潛航器搭載的定位裝置獲取所述無人潛航器的位置，根據(jù)所述水文數(shù)據(jù)通過聲傳播模型并行計算寬帶聲傳播損失；

6、隱蔽性評估模塊：根據(jù)所述目標設(shè)備的類型和所述寬帶聲傳播損失計算所述無人潛航器的隱蔽度，通過所述隱蔽度評估無人潛航器隱蔽性；

7、其中，所述目標識別模塊進一步包括：所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的壓縮擴展模塊配置為包括：壓縮層和擴展層，所述壓縮層采用1×1卷積核的卷積核，用于減少參數(shù)的數(shù)量和輸入通道的數(shù)量，所述擴展層采用1×1卷積核和3×3卷積核，分別經(jīng)過卷積計算后進行拼接，多尺寸卷積核進行卷積計算用于保留更多的特征信息；

8、相鄰的所述壓縮擴展模塊之間設(shè)置有跳躍連接層，用于將跳躍連接層之前的網(wǎng)絡(luò)層的輸出引入跳躍連接層之后的網(wǎng)絡(luò)層；

9、所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的卷積層采用深度可分離卷積，用于替換所述壓縮擴展模塊中的標準3×3卷積操作。

10、本發(fā)明實施例通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠快速識別航行海域中的動態(tài)非合作目標并快速計算寬帶聲傳播損失，并最終獲得所處環(huán)境隱蔽性評估等級，使其具備快速、自主評估身處環(huán)境的隱蔽性的能力，為后續(xù)相關(guān)具身智能算法提供基礎(chǔ)和支持。

11、本發(fā)明一些實施例中，所述傳播損失計算模塊還包括：

12、當無人潛航器識別到動態(tài)非合作目標時，根據(jù)所述位置自動選擇kraken聲傳播模型或bellhop3d聲傳播模型，使用多進程并行計算以自身所處位置為中心、半徑r、深度z的圓柱體海洋區(qū)域內(nèi)的傳播損失，計算過程為n×2d弱三維近似方法：將待計算的圓柱形區(qū)域從方位角0°開始，按方位角 n°等間隔劃分為360/ n個二維平面，計算深度為 z，距離為 r的每個二維平面的傳播損失并組合，等效為整個圓柱形區(qū)域的傳播損失。

13、其中，當獲取到的所述位置的海深為小于等于預設(shè)深度時，則通過kraken模型進行寬帶聲傳播損失計算；

14、否則，通過bellhop3d模型進行寬帶聲傳播損失計算；

15、其中，通過mpi并行編程技術(shù)對kraken模型進行頻率層次上的并行計算，設(shè)處理器用于計算的核心數(shù)為 m，表示為可以運行 m個進程，寬帶聲傳播頻率范圍 a-bhz，步長 chz，將寬帶的( b-a)/ c+1個頻率計算任務均分給上述進程：

16、當 m≥( b-a)/ c+1時，前( b-a)/ c+1個進程各獲得一個頻率計算任務；

17、當 m<( b-a)/ c+1時，前((( b-a)/ c+1)?mod m)個進程獲得(( b-a)/ c+1)/ m+1個頻率計算任務，其余進程獲得(( b-a)/ c+1)/ m個頻率計算任務。

18、每個進程根據(jù)分配獲得的頻率計算任務，根據(jù)當前海深及分層數(shù)，修改環(huán)境配置文件（*.env）中的對應參數(shù)，調(diào)用kraken_mpi.exe可執(zhí)行程序計算獲得波數(shù)，進而計算獲得當前頻率的聲場復聲壓，當所有進程的所有頻率計算任務結(jié)束，各進程調(diào)用mpi_gather函數(shù)將所有計算結(jié)果匯集到0號進程獲得三維復聲壓，進而通過kraken模型進行寬帶聲傳播損失計算的公式如下：

19、

20、

21、其中， tlb為寬帶聲傳播損失； f為頻率維度； a為起始頻率； b為終止頻率； r為距離維度； z為深度維度；為二維平面寬帶聲壓；

22、通過計算獲得波數(shù)，結(jié)合海深分層及距離分層，計算獲得二維平面的復聲壓，進而等效為360/ n個二維平面的復聲壓。

23、其中，通過mpi并行編程技術(shù)對bellhop3d模型進行頻率和方位層次上的并行計算，設(shè)處理器可用于計算的核心數(shù)為 m，表示為可運行 m個進程，寬帶聲傳播頻率范圍 a-bhz，步長 chz，將寬帶( b-a)/ c+1個頻率的360/ n個方位計算任務均分給上述進程：

24、當 m≥(( b-a)/ c+1)×(360/ n)時，前(( b-a)/ c+1)×(360/ n)個進程各獲得一個計算任務；

25、當m<(( b-a)/ c+1)×(360/ n)時，前(((( b-a)/ c+1)×(360/ n))?mod m)個進程獲得((( b-a)/ c+1)×(360/ n))/ m+1個計算任務，其余進程獲得((( b-a)/ c+1)×(360/ n))/ m個方位計算任務；

26、bellhop3d模型聲線在傳播過程中軌跡不僅與俯仰角 α有關(guān)，同時不再固定于方位角 β，受到地形等因素的影響，可能會發(fā)生水平折射現(xiàn)象，各進程在某一方位計算任務中，皆開辟(360/ n)/ m個的二維數(shù)組空間；

27、每個進程根據(jù)分配獲得的方位計算任務，根據(jù)當前所處位置的地形和海洋環(huán)境，修改環(huán)境配置文件（*.env）中的對應參數(shù)，調(diào)用bellhop3d_mpi.exe可執(zhí)行程序計算獲得聲線傳播軌跡，進而計算獲得當前方位的聲場復聲壓，當所有進程的所有頻率計算任務結(jié)束，各進程調(diào)用mpi_gather函數(shù)將所有計算結(jié)果匯集到0號進程獲得三維復聲壓，進而通過bellhop3d模型進行寬帶聲傳播損失計算的公式如下：

28、

29、

30、其中， tlb為寬帶聲傳播損失； f為頻率維度； a為起始頻率； b為終止頻率； t為方向維度； r為距離維度； z為深度維度。

31、本發(fā)明實施例通過針對不同深度的聲揚環(huán)境進行計算，同時采用多進程并行計算方法，能夠有效節(jié)省計算時間，為后續(xù)評估無人潛航器自身隱蔽性時快速提供附近海域?qū)拵晜鞑p失等數(shù)據(jù)。

32、本發(fā)明一些實施例中，所述隱蔽性評估模塊進一步包括：

33、若所述動態(tài)非合作目標具有威脅性，根據(jù)所述目標設(shè)備是否搭載主動聲吶計算其探測優(yōu)值，根據(jù)所述探測優(yōu)值與所述寬帶聲傳播損失的關(guān)系確定所述隱蔽度；

34、若所述動態(tài)非合作目標不具有威脅性，則所述隱蔽度為1；

35、當所述目標設(shè)備搭載主動聲吶時，則采用主動聲吶方程計算探測優(yōu)值，并判斷所述探測優(yōu)值與所述寬帶聲傳播損失的大小，

36、當所述探測優(yōu)值小于所述寬帶聲傳播損失的兩倍時，則所述隱蔽度為0.5，否則，所述隱蔽度為0；

37、當所述目標設(shè)備未搭載主動聲吶時，則采用被動聲吶方程計算探測優(yōu)值，并判斷所述探測優(yōu)值與所述寬帶聲傳播損失的大小，

38、當所述探測優(yōu)值小于所述寬帶聲傳播損失時，所述隱蔽度為0.5，否則，所述隱蔽度為0；

39、其中，所述主動聲吶方程的計算模型為：

40、

41、其中，為搭載主動聲吶時的探測優(yōu)值； sl為主動聲吶聲源級； ts為目標強度； nl為海洋噪聲級； di為指向性； dt為檢測閥；

42、其中，所述被動聲吶方程的計算模型為：

43、

44、其中，為未搭載主動聲吶時的探測優(yōu)值； sl為無人潛航器輻射噪聲聲源級； nl為海洋噪聲級； di為指向性； dt為檢測閥。

45、本發(fā)明實施例能夠根據(jù)目標設(shè)備是否搭載主動聲吶計算其探測優(yōu)值，并根據(jù)主、被動聲納方程獲得無人潛航器當前的隱蔽度，為其后續(xù)任務制定、路徑規(guī)劃、緊急避險等算法實現(xiàn)提供基礎(chǔ)和支持。

46、本發(fā)明一些實施例進一步提供一種無人潛航器隱蔽性評估方法，包括如下步驟：

47、數(shù)據(jù)獲取步驟：通過無人潛航器搭載的傳感器獲取水文數(shù)據(jù)，通過聲吶探測水聲信號獲取時域數(shù)據(jù)，通過時頻分析算法對所述時域數(shù)據(jù)進行計算后獲得二維時頻數(shù)據(jù)；

48、目標識別步驟：將所述二維時頻數(shù)據(jù)輸入至卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對目標設(shè)備的類型進行識別；

49、傳播損失計算步驟：當識別到所述目標設(shè)備的類型為動態(tài)非合作目標時，通過所述無人潛航器搭載的定位裝置獲取所述無人潛航器的位置，根據(jù)所述水文數(shù)據(jù)通過聲傳播模型并行計算寬帶聲傳播損失；

50、隱蔽性評估步驟：根據(jù)所述目標設(shè)備的類型和所述寬帶聲傳播損失計算所述無人潛航器的隱蔽度，通過所述隱蔽度評估無人潛航器隱蔽性；

51、其中，所述目標識別步驟進一步包括：所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的壓縮擴展模塊配置為包括：壓縮層和擴展層，所述壓縮層采用1×1卷積核的卷積核，用于減少參數(shù)的數(shù)量和輸入通道的數(shù)量，所述擴展層采用1×1卷積核和3×3卷積核，分別經(jīng)過卷積計算后進行拼接，多尺寸卷積核進行卷積計算用于保留更多的特征信息；

52、相鄰的所述壓縮擴展模塊之間設(shè)置有跳躍連接層，用于將跳躍連接層之前的網(wǎng)絡(luò)層的輸出引入跳躍連接層之后的網(wǎng)絡(luò)層；

53、所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的卷積層采用深度可分離卷積，用于替換所述壓縮擴展模塊中的標準3×3卷積操作。

54、本發(fā)明一些實施例中，所述傳播損失計算步驟還包括：

55、當獲取到的所述位置的海深為小于等于預設(shè)深度時，則通過kraken模型進行寬帶聲傳播損失計算；

56、否則，通過bellhop3d模型進行寬帶聲傳播損失計算；

57、其中，通過kraken模型進行寬帶聲傳播損失計算的公式如下：

58、

59、

60、其中，為寬帶聲傳播損失； f為頻率維度； a為起始頻率； b為終止頻率； r為距離維度； z為深度維度；為二維平面寬帶聲壓；

61、其中，通過bellhop3d模型進行寬帶聲傳播損失計算的公式如下：

62、

63、

64、其中，為寬帶聲傳播損失； f為頻率維度； a為起始頻率； b為終止頻率； t為方向維度； r為距離維度； z為深度維度。

65、本發(fā)明一些實施例中，所述隱蔽性評估步驟進一步包括：

66、若所述動態(tài)非合作目標具有威脅性，根據(jù)所述目標設(shè)備是否搭載主動聲吶計算其探測優(yōu)值，根據(jù)所述探測優(yōu)值與所述寬帶聲傳播損失的關(guān)系確定所述隱蔽度；

67、若所述動態(tài)非合作目標不具有威脅性，則所述隱蔽度為1；

68、當所述目標設(shè)備搭載主動聲吶時，則采用主動聲吶方程計算探測優(yōu)值，并判斷所述探測優(yōu)值與所述寬帶聲傳播損失的大小，

69、當所述探測優(yōu)值小于所述寬帶聲傳播損失的兩倍時，則所述隱蔽度為0.5，否則，所述隱蔽度為0；

70、當所述目標設(shè)備未搭載主動聲吶時，則采用被動聲吶方程計算探測優(yōu)值，并判斷所述探測優(yōu)值與所述寬帶聲傳播損失的大小，

71、當所述探測優(yōu)值小于所述寬帶聲傳播損失時，所述隱蔽度為0.5，否則，所述隱蔽度為0；

72、其中，所述主動聲吶方程的計算模型為：

73、

74、其中，為搭載主動聲吶時的探測優(yōu)值； sl為主動聲吶聲源級； ts為目標強度； nl為海洋噪聲級； di為指向性； dt為檢測閥；

75、其中，所述被動聲吶方程的計算模型為：

76、

77、其中，為未搭載主動聲吶時的探測優(yōu)值； sl為無人潛航器輻射噪聲聲源級； nl為海洋噪聲級； di為指向性； dt為檢測閥。

78、本發(fā)明實施例能夠快速識別航行海域中的動態(tài)非合作目標并快速計算寬帶聲傳播損失，并最終獲得所處環(huán)境隱蔽性評估等級，使其具備快速、自主評估身處環(huán)境的隱蔽性的能力，為后續(xù)相關(guān)具身智能算法提供基礎(chǔ)和支持。