基于极低频电场信号的水下目标远程探测及定位研究

With the development of sensor technique,signal processing technique,microelectronic technique and identification of target properties, as an important physical field for underwater target, extremely low frequency electronic field signal is an aggressive source for certain signal source with electromanetism target properties. Because the propagation characteristic is extraordinary complex for the extremely low frequency electronic field signal,and catastrophic perturbation, low signal-to-noise ratio in the environment of seawater, the research on remote detection and localization is immaturity to utilize the extremely low frequency elcetronic field signal. The subject is based on propagation characteristic of the extremely low frequency electronic field signal for underwater target, by physical model building, numeric simulation, weak signal's detection and processing technique of the extremely low frequency electronic field signal, yield to an anlaytic method of localization for underwater target. The method is validated by prototype experiment on the seawater. The proposed the localization method is the supplement for localization in possession and settle the problem of remote detection and localization by underwater target properties.

随着人们对目标特性认识的深化以及传感器技术、信号处理技术和微电子技术的发展，极低频电场信号作为水下目标的一种重要的物理场，成为了以电磁目标特性为信号源的新型水中兵器的攻击源。由于极低频电场信号在海水中传播特性复杂，受海洋环境中各种信号干扰严重，信噪比极低，国内外对利用该信号进行远程探测及定位的研究尚不成熟。本课题以水下目标的极低频电场传播特性为研究基础，通过对极低频电场信号物理建模、数值仿真、微弱信号的的检测和数据处理，最后得出一种适合于水下目标定位的分析方法，并研制原理样机进行海上实验验证。本课题提出的利用极低频电场进行水下目标定位的方法，将作为现有定位方法的有力补充，解决水下目标特性获取中对目标的远程探测及定位难题。

近些年来，舰船水下极低频电场受到越来越广泛的重视，本课题依托国家自然科学基金项目，重点围绕水下电场目标远程探测方法进行详细研究。主要工作和结论如下：.（1）针对运动垂直时谐电偶极子在n层导电介质中的电磁场分布问题，建立了对应的洛伦兹模型，推导获得电磁场的矢量磁位表达式，在此基础上，得到了深海和浅海两种常见模型中，偶极子在有源层产生时的电磁场模型；采用基于Hankel变换的FFT算法，对深海和浅海两种模型中运动垂直时谐电偶极子电磁场开展了仿真计算，得到了这两种模型中电偶极子电磁场的时域形式的瞬时值和幅值，研究分析了不同海洋环境和电偶极子参数对电偶极子产生的电磁场的影响；.（2）使用Q-Q图法和Epps-Pulley法对实测轴频电场噪声的高斯性进行了检验，检验结果表明，轴频电场噪声具有较好的高斯性。在此基础上，提出两种基于高阶统计量的微弱舰船轴频电场信号检测方法，分别是基于负熵的信号检测方法和基于自适应高阶线谱增强器的信号检测方法。这两种基于高阶统计量的信号检测方法都利用了信号和噪声在高斯性上的区别，能够有效抑制高斯噪声的干扰，适合在较低的信噪比条件下检测目标，并且检测结果稳健可靠；.（3）提出了一种基于小波包分解的微弱舰船轴频电场信号检测方法。基于舰船轴频电场信号在频域上的线谱特征，利用小波包变换对其进行多子带分解，提取各子带瞬时能量比作为检测特征量，使用浮动门限对检测特征量进行滑动检测。实测数据和仿真数据的处理结果表明，基于小波包分解的舰船轴频电场信号检测方法能够在很低的信噪比条件下工作，并且算法简单、能够实时检测、易于硬件实现，十分适合检测微弱舰船轴频电场目标的需要；.（4）采用三个传感器，将传感器测得的电场值作为已知量，引入了GAPSO混合算法，利用海水中运动水平时谐电偶极子的电场解析式，优化求解出场源到三个传感器的距离，最后，利用距离公式成功求解出场源在传感器坐标系下的坐标。