[發(fā)明專利]一種基于Gauss-Newton優(yōu)化算法的水下三維空間被動(dòng)電場定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011114389.4
• 申請(qǐng)日: 2020-10-19
• 公開（公告）號(hào): CN112327204B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐以東;汪超毅;尚文靜;薛偉;綦俊煒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R31/52
• 分類號(hào): G01R31/52;G01R31/08
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明一種基于Gauss?Newton優(yōu)化算法的水下三維空間被動(dòng)電場定位方法。本發(fā)明主要是對(duì)水下電場源目標(biāo)進(jìn)行定位，需要克服水下微弱干擾信號(hào)干擾，和不同水質(zhì)電導(dǎo)率變化問題，確保在海洋環(huán)境中能實(shí)現(xiàn)精確定位。定位方法通過優(yōu)化不適定問題中的正則化方法實(shí)現(xiàn)了定位算法路徑的快速尋優(yōu)迫近，克服水下微弱信號(hào)干擾，并通過Gauss?Newton算法反演方法實(shí)現(xiàn)在大場景海洋環(huán)境中的精準(zhǔn)定位，在一百米的探測區(qū)域內(nèi)，定位精度達(dá)到分米數(shù)量級(jí)。該技術(shù)可應(yīng)用于定位水中漏電源目標(biāo)，如遠(yuǎn)程監(jiān)測并定位江河中非法電捕魚船位置，定位水下供電電纜漏電位置，以及定位漫水街道的危險(xiǎn)漏電位置等，在民用領(lǐng)域，環(huán)保領(lǐng)域具有較大的商業(yè)價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下被動(dòng)電場定位領(lǐng)域，具體涉及一種基于Gauss-Newton優(yōu)化算法的水下三維空間被動(dòng)電場定位方法。

背景技術(shù)

近幾年，電場的水下通信、探測作為一種“非聲探測”的手段，成為了各國科研人員的研究熱點(diǎn)方向之一。水下目標(biāo)電場定位技術(shù)是以定位設(shè)備上裝備的電極作為電信號(hào)接收陣列，通過提取并處理定位目標(biāo)產(chǎn)生的激勵(lì)電信號(hào)來對(duì)目標(biāo)空間位置參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的一種技術(shù)。

水下目標(biāo)定位技術(shù)的發(fā)現(xiàn)最先開始于1973年，Walter Heiligenberg發(fā)現(xiàn)魚能夠通過檢測它的電器官放電產(chǎn)生的電流場的扭曲，來感知與周圍水的電導(dǎo)率不同的物體。1996年美國科學(xué)家Rasown提出的一種仿生弱電魚定位的主動(dòng)電場定位模型，通過在水環(huán)境中產(chǎn)生微弱電場，并根據(jù)電場變化定位球形金屬目標(biāo)。2005年，盧新城等人將海水看作無窮大的半空間,提出了基于準(zhǔn)近場的時(shí)諧水平電偶極子的定位方法。在準(zhǔn)近場條件下,在海水中布置兩個(gè)雙軸電場傳感器測得相應(yīng)位置的電場強(qiáng)度,運(yùn)用所提出的反演定位方法和迭代算法,精確地確定偶極子在海水中的位置。2011年，海軍工程大學(xué)的包中華等人提出了使用雙矢量傳感器獲取電場強(qiáng)度信息以解決深海環(huán)境下水平直流電偶極子源定位問題的方案，文章對(duì)該方案原理進(jìn)行了說明并給出了相關(guān)定位效果仿真分析。2012年，海軍工程大學(xué)的包中華、龔沈光等人采用矢量傳感器陣列對(duì)深海中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方向參數(shù)進(jìn)行了檢測估計(jì)研究，并給出了相關(guān)計(jì)算仿真。2015年，邵方等人提出基于電場傳感器線陣列的電場檢測技術(shù)研究。利用電偶極子模型模擬了淺海海域的電場分布特征。有規(guī)律地鋪設(shè)電場傳感器垂直線陣列，以獲取電場信號(hào)，然后采用廣義似然比方法完成目標(biāo)檢測和參數(shù)估計(jì)。2017年，哈爾濱工程大學(xué)的徐以東等人提出了一種基于多信號(hào)分類(MUSIC)算法的電偶極子源定位方法，利用電偶極子接收天線陣列在水下受限環(huán)境下定位電偶極子源。

水下目標(biāo)電場定位技術(shù)依靠感應(yīng)水中電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，僅僅需要一定數(shù)量的金屬電極作為設(shè)備傳感器，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水聲設(shè)備和光學(xué)設(shè)備。水下電場定位技術(shù)可應(yīng)用于水域探測，水下導(dǎo)航以及水下物體追蹤等諸多領(lǐng)域。因此，對(duì)水下電場定位相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行創(chuàng)新探索以及深入研究仍然具有重要的科學(xué)研究價(jià)值以及實(shí)際上的技術(shù)應(yīng)用意義。

發(fā)明內(nèi)容

基于Gauss-Newton優(yōu)化算法的水下三維空間被動(dòng)電場定位方法需要克服水下微弱干擾信號(hào)干擾，和不同水質(zhì)電導(dǎo)率變化問題，通過算法反演能夠精確定位海洋環(huán)境中的電偶極子源目標(biāo)。技術(shù)方案如下：

基于Gauss-Newton優(yōu)化算法的水下三維空間被動(dòng)電場定位方法實(shí)現(xiàn)步驟：

(1)在目標(biāo)定位區(qū)域范圍內(nèi)的水下環(huán)境中，定位目標(biāo)為一個(gè)電偶極子源，n電極接收陣列測量目標(biāo)源產(chǎn)生的電壓數(shù)據(jù)d_Δvobs＝[d_Δvobs1,d_Δvobs2,…,d_Δvobsn]^T，d_Δvobs1＝d_vobs1-d_vobs0,…d_Δvobsn＝d_vobsn-d_vobs0，其中d_vobsi為接收電極i測量電勢，1≤i≤n，d_vobs0為參考電極測量電勢；