双向双测点潜艇探测系统及其探测方法
双向双测点潜艇探测系统及其探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及潜艇探测技术领域，尤其涉及一种双向双测点潜艇探测系统及其探测方法。
【背景技术】
[0002]目前在潜艇探测领域，除了占据重要地位的传统的声呐法，还有红外探测法、雷达回波探测法和激光探测法等。然而这些方法都有一定的局限性，例如，最常用的声呐法由于现代潜艇的降噪处理，使得该方法的探测效果在下降；而雷达回波探测法受气象条件影响较大，只有在良好的气象条件下效果才明显;激光探测法由于波束很窄而造成探测范围小，探测时间长，探测效率低。相比上述这些方法，磁异常信号探测法具有独特优势，具有良好的发展前景，该方法的原理是潜艇钢壳会被地磁场所磁化而产生附加磁场，因而使得该潜艇的周围地磁场出现异常变化，通过检测该异常磁场即可实现潜艇探测。可以看出，磁异常信号探测方法的优势是定位精度高、稳定性好，不受复杂海洋环境影响;而且磁异常信号探测是一种隐蔽性很好的技术，测量系统不易被反探测到。
[0003]然而，基于磁异常信号的潜艇探测存在以下问题:容易受到地磁场自身变化的干扰或其它干扰的影响，这是因为一天之内地磁场的日变化会达如ΙΟΟρΤ，太阳活动的变化也会使得磁场有较大变化，而在距离潜艇一定范围内潜艇造成的地磁变化远小于该值，因此，难以判断是潜艇到来所引起的地磁场变化还是地磁场自身的变化，难以通过直接测量到的磁场变化来实现潜艇探测。因此如何剔出这种大面积范围内变化相同的地磁自身变化或太阳的影响，是目前需要解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0005]为此，本发明的第一个目的在于提出一种双向双测点潜艇探测系统。该系统消除地磁场干扰和解决探测盲区问题，以加大潜艇探测范围。
[0006]本发明的第二个目的在于提出一种用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法。
[0007]为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种双向双测点潜艇探测系统，包括:位于第一探测点上的第一组磁场探头，所述第一组磁场探头包括第一单向探头和第二单向探头，所述第一单向探头和所述第二单向探头相互垂直，所述第一单向探头和所述第二单向探头用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量;位于第二探测点上的第二组磁场探头，所述第二组磁场探头包括第三单向探头和第四单向探头，所述第三单向探头和所述第四单向探头相互垂直，所述第三单向探头和所述第四单向探头用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量;分别与所述第一组磁场探头以及所述第二组磁场探头相连的采集模块，用于分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号；与所述采集模块相连的控制模块，所述控制模块用于接收所述采集模块发送的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，并按照方向分类对所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号，并根据所述第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号，以及根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇。
[0008]本发明实施例的双向双测点潜艇探测系统，在两个距离一定位置上分别放置可以测量两个方向的磁场探头，即测量水平方向上两个垂直的磁场分量，并将两组探头测得的四个磁场分量信号按方向作差动处理，以得到第一、二组差动信号，并根据该第一、二组差动信号确定判断信号，最后，根据该判断信号判断预设范围内是否有潜艇，即通过双测点磁场信号的差动处理可以消除地磁场自身变化的干扰，利用双向测量可以解决探测区域内的盲区和盲点问题，可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
[0009]在本发明的一个实施例中，所述控制模块通过以下公式获得所述第一组差动信号和第二组差动信号:
[0010]ΔΒχ=Β?χ-Β2χ
[0011]ABy = Biy-B2y
[0012]其中，ΔBx为所述第一组差动信号，Bix为x方向的第一磁场分量信号，B2x为所述x方向的第三磁场分量信号，A By为所述第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为所述y方向的第四磁场分量信号。
[0013]在本发明的一个实施例中，所述控制模块对所述第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将所述第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为所述判断信号。
[0014]在本发明的一个实施例中，所述控制模块判断所述判断信号是否大于或等于预设阈值，并在所述判断信号大于或等于所述预设阈值时，判断所述预设范围内存在所述潜艇。
[0015]在本发明的一个实施例中，所述采集模块还用于:周期性地分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号;所述控制模块还用于:将每个周期内采集到的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到所述每个周期的判断信号，并在根据所述每个周期的判断信号中的多个所述周期的判断信号连续判断存在所述潜艇时，确定所述预设范围内存在所述潜艇。
[0016]为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种用于本发明第一方面实施例的双向双测点潜艇探测系统的探测方法，包括以下步骤:分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号；按照方向分类对所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号;根据所述第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号；以及根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇。
[0017]本发明实施例的用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法，在两个距离一定位置上分别放置可以测量两个方向的磁场探头，即测量水平方向上两个垂直的磁场分量，并将两组探头测得的四个磁场分量信号按方向作差动处理，以得到第一、二组差动信号，并根据该第一、二组差动信号确定判断信号，最后，根据该判断信号判断预设范围内是否有潜艇，即通过双测点磁场信号的差动处理可以消除地磁场自身变化的干扰，利用双向测量可以解决探测区域内的盲区和盲点问题，可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
[0018]在本发明的一个实施例中，通过以下公式获得所述第一组差动信号和第二组差动信号:
[0019]ΔΒχ=Β?χ-Β2χ
[0020]ABy = Biy-B2y
[0021]其中，ΔBx为所述第一组差动信号，Bix为X方向的第一磁场分量信号，B2x为所述X方向的第三磁场分量信号，A By为所述第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为所述y方向的第四磁场分量信号。
[0022]在本发明的一个实施例中，所述根据第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号具体包括:对所述第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将所述第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为所述判断信号。
[0023]在本发明的一个实施例中，所述根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇具体包括:判断所述判断信号是否大于或等于预设阈值;如果所述判断信号大于或等于所述预设阈值时，判断所述预设范围内存在所述潜艇。
[0024]在本发明的一个实施例中，该探测方法还包括:周期性地分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号;将每个周期内采集到的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到所述每个周期的判断信号；当根据所述每个周期的判断信号中的多个所述周期的判断信号连续判断存在所述潜艇时，确定所述预设范围内存在所述潜艇。
[0025]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0026]本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0027]图1为根据本发明一个实施例的双向双测点潜艇探测系统的结构示意图。
[0028]图2为根据本发明一个实施例的潜艇运动方向与探头布置的示意图。
[0029]图3为根据本发明一个实施例的单向双探头系统的探测区域范围的示例图。
[0030]图4为根据本发明一个实施例的双向双测点系统探测区域范围的示例图。
[0031 ]图5为根据本发明一个实施例的双向双测点潜艇探测系统的探测方法的流程图 。
【具体实施方式】
[0032]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0033]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0034]下面参考附图描述本发明实施例的双向双测点潜艇探测系统以及用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法。
[0035]图1是本发明一个实施例的双向双测点潜艇探测系统的结构示意图。如图1所示，该双向双测点潜艇探测系统可以包括:第一组磁场探头101、第一单向探头1011、第二单向探头1012、第二组磁场探头102、第三单向探头1021、第四三单向探头1022、采集模块103和控制模块104。其中，如图2所示，该第一组磁场探头101可位于第一探测点A上，该第二组磁场探头102可位于第二探测点B上。此外，该第一探测点A与第二探测点B之间的距离可由探头的探测能力来决定，也可以根据大量实验得到的经验值，例如，该距离可从几米到几百米等。
[0036]具体地，该第一组磁场探头101可包括第一单向探头1011和第二单向探头1012，第一单向探头1011和第二单向探头1012相互垂直，第一单向探头1011和第二单向探头1012用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量。
[0037]第二组磁场探头102可包括第三单向探头1021和第四单向探头1022，第三单向探头1021和第四单向探头1022相互垂直，第三单向探头1021和第四单向探头1022用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量。
[0038]可以理解，对于如果采用位于两个探测点上的单方向磁场测量信号并进行差动处理，当潜艇处在双测点的中垂线上或一些特殊位置时，在两个测点上产生的磁场信号相同，作差后差动信号为零，则无法探测到潜艇，产生了探测盲区问题，使得探测范围受到影响。例如，图3给出了一组特定灵敏度的磁场探头组成的差动系统的探测区域范围图，其中两探头分别位于x= ±500处，探头测量方向与潜艇等效磁偶极子方向均为X轴方向。可以看出，单向双探头系统的探测区域形状为两个四瓣状区域，存在明显的盲区。因此，本发明通过采用双向双探头系统可以有效消除盲区。
[0039]更具体地，可在海中或陆地上选取两个探测点，如图2所示，第一探测点A和第二探测点B，第一探测点A和第二探测点B之间的间距可以从几米到几百米。可在每个探测点上分别放置一组磁场探头(即第一组磁场探头101和第二组磁场探头102)以对地磁磁场进行测量，每组磁场探头可包含两个相互垂直的单向探头，即第一单向探头1011、第二单向探头1012、第三单向探头1021和第四单向探头1022，这些探头可分别测量水平方向上两个相互垂直的磁场分量，例如，设为X方向的磁场Blx、B2x和y方向的磁场Bly、B2y。
[0040]需要说明的是，由于潜艇在地磁场中磁化后产生的附加磁场为近似直流的微弱磁场，随着距潜艇距离的增加，附加磁场值迅速衰减。一般地，当探测距离大于500m时，才具有实用价值，而500m远处潜艇产生的附加磁场在ΙΟηΤ左右，而1000米远处在nT级别。因此，所需的磁测探头至少应该能够拥有ηΤ的分辨率及探测精度。目前可达到该要求的磁测探头主要为:磁通门磁测探头、质子旋进式磁力仪、光栗磁力仪等。因此，在本发明的实施例中，第一单向探头1011、第二单向探头1012、第三单向探头1021和第四单向探头1022分别为磁通门磁测探头、质子旋进式磁力仪或光栗磁力仪等。
[0041]如图1所示，采集模块103可分别与第一组磁场探头101以及第二组磁场探头102相连，采集模块103可用于分别采集第一单向探头1011、第二单向探头1012、第三单向探头1021和第四单向探头1022测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号。
[0042]控制模块104与采集模块103相连，控制模块104可用于接收采集模块103发送的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，并按照方向分类对该第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号，并根据第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号，以及根据判断信号判断预设范围内是否有潜艇。
[0043]具体而言，在本发明的一个实施例中，控制模块104可通过以下公式获得第一组差动信号和第二组差动信号:
[0044]ΔΒχ=Β?χ-Β2χ
[0045]ABy = Biy-B2y(1)
[0046]其中，ΔΒχ为第一组差动信号，Bix为x方向的第一磁场分量信号，B2x为x方向的第三磁场分量信号，A By为第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为y方向的第四磁场分量信号。
[0047]更具体地，控制模块104在接收到采集模块103发送的第一至第四磁场分量信号之后，可通过上述式(1)对这四个磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号，之后，可判断该第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为判断信号，然后，可将该判断信号与预设阈值进行大小比较，即判断该判断信号是否大于或等于预设阈值，如果该判断信号大于或等于该预设阈值，则控制模块104可判断预设范围内存在潜艇。
[0048]其中，在本发明的实施例中，上述预设阈值可以是预先通过测量而得到没有潜艇时的磁场参考样本值，即可预先测量一段时间(例如10分钟)的环境磁场，即没有潜艇时的磁场，作为系统噪声参考样本，分析该信号的统计特性，根据该参考样本统计特性，得到信号的方差，最终将该方差设定为上述的预设阈值。
[0049]可以理解，对于太阳或地壳活动引起的背景地磁场变化，其特点是随时间变化但在空间上保持一致，即在一个较大范围的空间内，所有点上的地磁场随时间同时变化，但空间差异很小。利用这个特性可以使用双测点差动的方法减小、甚至消除地磁场在潜艇探测中的干扰。这是因为，在没有潜艇时，两个测点的场相同，将测量值相减后的信号为零，可以判断出周围没有潜艇;而当潜艇靠近一个测点时，差动信号不再为零，当信号超过一定阈值时可以认为周围有潜艇。
[0050]由于地磁场和潜艇产生的附加磁场是一个矢量，具有方向性。若仅考虑水平分量而忽略垂直地面的分量，则磁场可以表不为X方向的分量Bx和y方向的分量By。潜艇附加磁场在磁场测量点上表现出的特性是:若在某一方向上(如X方向)的测量值为极小值，则另一方向(y方向)的分量必然达到极大值。因此，在每个测点上垂直放置两个探头(如图2所示)，分别测量两个方向(X方向和y方向)上的磁场，将四个信号做通过上面公式(1)进行融合差动处理后，对第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为判断信号。这样，可以优化探测区域轮廓形状，使其接近一个外边缘光滑的椭圆区域，(如图4所示，为一个探测区域范围轮廓图)，从而加大探测范围。
[0051]控制模块104在确定判断信号之后，可以理解通过上述差动处理，该判断信号不包含背景地磁场，只是因为潜艇出现而引起的磁场信号，这样当判断信号超过上述预设阈值时，控制模块104可判定预设范围内存在潜艇，当判断信号未超过该预设阈值时，控制模块104可判定预设范围内不存在潜艇。可以理解，上述预设范围即为两组磁场探头最大能够探测的区域。
[0052]可以理解，本发明通过差动式探测，消除了背景地磁场的干扰问题。但是，在真实测量时，还存在测量系统误差问题，包括偏移或漂移误差和系统产生的噪声。其中偏移误差可以靠系统自调零的方式解决，即利用阈值设定和判断方式可以处理测量系统的噪声干扰问题，即当探测信号(即上述的判断信号)大于所设定的阈值时，才认为有潜艇，小于阈值时认为是噪声信号和无用信号，认为无潜艇。理论上讲，阈值大于最大噪声值时，即可以解决噪声干扰问题。但其代价是要缩小有效探测范围，所设阈值越大，有效探测范围越小。预设阈值的设定应基于实际测量系统的噪声水平来确定。可将系统噪声近似认为是高斯白噪声，从而利用信号的概率分布理论以及虚警和误报概率的关系确定出合理的预设阈值。
[0053]为了提高探测结果的精确度，进一步地，在本发明的一个实施例中，采集模块103还可用于:周期性地分别采集第一单向探头1011、第二单向探头1012、第三单向探头1021和第四单向探头1022测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量 信号和第四磁场分量信号。控制模块104还可用于将每个周期内采集到的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到每个周期的判断信号，并在根据每个周期的判断信号中的多个周期的判断信号连续判断存在潜艇时，确定预设范围内存在潜艇。
[0054]更具体地，可设定一个时间间隔T，将每个时间间隔T内采集到的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，求和平均，得到每个周期的判断信号，由于不是利用一个时刻的数据作为判断信号，这样可以去除偶发脉冲噪声干扰。还可设定延迟判断时长，即并不是一个时间段T内的信号为有潜艇信息便做出有潜艇的结论，而是利用几个(如5个)时间段的信息进行复核式判定，只有连续多个(如5个)时间间隔的信息均为有潜艇结论时，方认为测量区域内存在潜艇。
[0055]本发明实施例的双向双测点潜艇探测系统，在两个距离一定位置上分别放置可以测量两个方向的磁场探头，即测量水平方向上两个垂直的磁场分量，并将两组探头测得的四个磁场分量信号按方向作差动处理，以得到第一、二组差动信号，并根据该第一、二组差动信号确定判断信号，最后，根据判断信号判断预设范围内是否有潜艇，即通过双测点磁场信号的差动处理可以消除地磁场自身变化的干扰，利用双向测量可以解决探测区域内的盲区和盲点问题，可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
[0056]为了实现上述实施例，本发明还提出了一种用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法。
[0057]图5为根据本发明一个实施例的用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法的流程图。需要说明的是，在本发明的实施例中，该双向双测点潜艇探测系统可以是上述任一个实施例所述的双向双测点潜艇探测系统100。
[0058]如图5所示，该探测方法可以包括:
[0059]S501，分别采集第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号第和第四磁场分量信号。
[0060]S502，按照方向分类对第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号。
[0061]具体地，在采集到上述第一至第四磁场分量信号之后，可通过上述式(1)对这四个磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号。图4为根据本发明一个实施例的潜艇运动方向与探头布置的示意图，如图4所示，在每个测点上垂直放置两个探头，分别测量两个方向(X方向和y方向)上的磁场。
[0062]S503，根据第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号。
[0063]具体而言，在本发明的实施例中，可对第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为判断信号。
[0064]可以理解，对于太阳或地壳活动引起的背景地磁场变化，其特点是随时间变化但在空间上保持一致，即在一个较大范围的空间内，所有点上的地磁场随时间同时变化，但空间差异很小。利用这个特性可以使用双测点差动的方法减小、甚至消除地磁场在潜艇探测中的干扰。这是因为，在没有潜艇时，两个测点的场相同，将测量值相减后的信号为零，可以判断出周围没有潜艇;而当潜艇靠近一个测点时，差动信号不再为零，当信号超过一定阈值时可以认为周围有潜艇。
[0065]由于地磁场和潜艇产生的附加磁场是一个矢量，具有方向性。若仅考虑水平分量而忽略垂直地面的分量，则磁场可以表不为X方向的分量Bx和y方向的分量By。潜艇附加磁场在磁场测量点上表现出的特性是:若在某一方向上(如X方向)的测量值为极小值，则另一方向(y方向)的分量必然达到极大值。因此，在每个测点上垂直放置两个探头(如图2所示)，分别测量两个方向(X方向和y方向)上的磁场，将四个信号做通过上面公式(1)进行融合差动处理后，对第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为判断信号。这样，可以优化探测区域轮廓形状，使其接近一个外边缘光滑的椭圆区域，(如图4所示，为一个探测区域范围轮廓图)，从而加大探测范围。
[0066]S504，根据判断信号判断预设范围内是否有潜艇。
[0067]具体地，在确定判断信号之后，可以理解通过上述差动处理，该判断信号不包含背景地磁场，只是因为潜艇出现而引起的磁场信号，这样当判断信号超过上述预设阈值时，可判定预设范围内存在潜艇，当判断信号未超过该预设阈值时，可判定预设范围内不存在潜艇。可以理解，上述预设范围即为两组磁场探头最大能够探测的区域。其中，在本发明的实施例中，上述预设阈值可以是预先通过测量而得到没有潜艇时的磁场参考样本值，即可预先测量一段时间(例如10分钟)的环境磁场，即没有潜艇时的磁场，作为系统噪声参考样本，分析该信号的统计特性，根据该参考样本统计特性，得到信号的方差，最终将该方差设定为上述的预设阈值。
[0068]可以理解，本发明通过差动式探测，消除了背景地磁场的干扰问题。但是，在真实测量时，还存在测量系统误差问题，包括偏移或漂移误差和系统产生的噪声。其中偏移误差可以靠系统自调零的方式解决，即利用阈值设定和判断方式可以处理测量系统的噪声干扰问题，即当探测信号(即上述的判断信号)大于所设定的阈值时，才认为有潜艇，小于阈值时认为是噪声信号和无用信号，认为无潜艇。理论上讲，阈值大于最大噪声值时，即可以解决噪声干扰问题。但其代价是要缩小有效探测范围，所设阈值越大，有效探测范围越小。预设阈值的设定应基于实际测量系统的噪声水平来确定。可将系统噪声近似认为是高斯白噪声，从而利用信号的概率分布理论以及虚警和误报概率的关系确定出合理的预设阈值。
[0069]为了提高探测结果的精确度，在本发明的一个实施例中，该探测方法还可包括:周期性地分别采集第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号;将每个周期内采集到的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到每个周期的判断信号；当根据每个周期的判断信号中的多个周期的判断信号连续判断存在潜艇时，确定预设范围内存在所述潜艇。
[0070]更具体地，可设定一个时间间隔T，将每个时间间隔T内采集到的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，求和平均，得到每个周期的判断信号，由于不是利用一个时刻的数据作为判断信号，这样可以去除偶发脉冲噪声干扰。还可设定延迟判断时长，即并不是一个时间段T内的信号为有潜艇信息便做出有潜艇的结论，而是利用几个(如5个)时间段的信息进行复核式判定，只有连续多个(如5个)时间间隔的信息均为有潜艇结论时，方认为测量区域内存在潜艇。
[0071]本发明实施例的双向双测点潜艇探测系统的探测方法，在两个距离一定位置上分别放置可以测量两个方向的磁场探头，即测量水平方向上两个垂直的磁场分量，并将两组探头测得的四个磁场分量信号按方向作差动处理，以得到第一、二组差动信号，并根据该第一、二组差动信号确定判断信号，最后，根据判断信号判断预设范围内是否有潜艇，即通过双测点磁场信号的差动处理可以消除地磁场自身变化的干扰，利用双向测量可以解决探测区域内的盲区和盲点问题，可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
[0072]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0073]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0074]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0075]流程图中或在此以其他方式描述的任何过 程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0076]在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，〃计算机可读介质〃可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下:具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPR0M或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDR0M)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0077]应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
[0078]本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0079]此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0080]上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1.一种双向双测点潜艇探测系统，其特征在于，包括: 位于第一探测点上的第一组磁场探头，所述第一组磁场探头包括第一单向探头和第二单向探头，所述第一单向探头和所述第二单向探头相互垂直，所述第一单向探头和所述第二单向探头用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量； 位于第二探测点上的第二组磁场探头，所述第二组磁场探头包括第三单向探头和第四单向探头，所述第三单向探头和所述第四单向探头相互垂直，所述第三单向探头和所述第四单向探头用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量； 分别与所述第一组磁场探头以及所述第二组磁场探头相连的采集模块，用于分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号； 与所述采集模块相连的控制模块，所述控制模块用于接收所述采集模块发送的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，并按照方向分类对所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号，并根据所述第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号，以及根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇。2.如权利要求1所述的双向双测点潜艇探测系统，其特征在于，所述控制模块通过以下公式获得所述第一组差动信号和第二组差动信号:Α Βχ = Β?χ-Β2χA By = Bly-B2y 其中，△ Bx为所述第一组差动信号，Bix为x方向的第一磁场分量信号，B2x为所述X方向的第三磁场分量信号，A By为所述第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为所述y方向的第四磁场分量信号。3.如权利要求1所述的双向双测点潜艇探测系统，其特征在于，所述控制模块对所述第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将所述第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为所述判断信号。4.如权利要求1至3中任一项所述的双向双测点潜艇探测系统，其特征在于，所述控制模块判断所述判断信号是否大于或等于预设阈值，并在所述判断信号大于或等于所述预设阈值时，判断所述预设范围内存在所述潜艇。5.如权利要求1所述的双向双测点潜艇探测系统，其特征在于， 所述采集模块还用于:周期性地分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号； 所述控制模块还用于:将每个周期内采集到的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到所述每个周期的判断信号，并在根据所述每个周期的判断信号中的多个所述周期的判断信号连续判断存在所述潜艇时，确定所述预设范围内存在所述潜艇。6.—种用于如权利要求1至5中任一项所述的双向双测点潜艇探测系统的探测方法，其特征在于，包括以下步骤: 分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号； 按照方向分类对所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号； 根据所述第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号；以及 根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过以下公式获得所述第一组差动信号和第二组差动信号:Α Βχ = Β?χ-Β2χA By = Bly-B2y 其中，△ Bx为所述第一组差动信号，Bix为x方向的第一磁场分量信号，B2x为所述X方向的第三磁场分量信号，A By为所述第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为所述y方向的第四磁场分量信号。8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号具体包括: 对所述第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将所述第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为所述判断信号。9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇具体包括: 判断所述判断信号是否大于或等于预设阈值； 如果所述判断信号大于或等于所述预设阈值时，判断所述预设范围内存在所述潜艇。10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括: 周期性地分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号；将每个周期内采集到的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到所述每个周期的判断信号； 当根据所述每个周期的判断信号中的多个所述周期的判断信号连续判断存在所述潜艇时，确定所述预设范围内存在所述潜艇。
【专利摘要】本发明公开了一种双向双测点潜艇探测系统和探测方法，其中系统包括：位于第一探测点上的第一组磁场探头，其包括用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量的第一、二单向探头；位于第二探测点上的第二组磁场探头，其包括用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量第三、四单向探头；采集模块采集第一到四单向探头测量的第一到四磁场分量信号；控制模块接收采集模块发送的第一到四磁场分量信号，并对以上信号进行差动处理以得到第一、二组差动信号，并根据差动信号确定判断信号，以及根据该判断信号判断预设范围内是否有潜艇。该系统可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
【IPC分类】G01V3/08
【公开号】CN105487124
【申请号】CN201510818294
【发明人】袁建生, 上官云祺, 陈宇沁
【申请人】清华大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月23日
【技术领域】
[0001]本发明涉及潜艇探测技术领域，尤其涉及一种双向双测点潜艇探测系统及其探测方法。
【背景技术】
[0002]目前在潜艇探测领域，除了占据重要地位的传统的声呐法，还有红外探测法、雷达回波探测法和激光探测法等。然而这些方法都有一定的局限性，例如，最常用的声呐法由于现代潜艇的降噪处理，使得该方法的探测效果在下降；而雷达回波探测法受气象条件影响较大，只有在良好的气象条件下效果才明显;激光探测法由于波束很窄而造成探测范围小，探测时间长，探测效率低。相比上述这些方法，磁异常信号探测法具有独特优势，具有良好的发展前景，该方法的原理是潜艇钢壳会被地磁场所磁化而产生附加磁场，因而使得该潜艇的周围地磁场出现异常变化，通过检测该异常磁场即可实现潜艇探测。可以看出，磁异常信号探测方法的优势是定位精度高、稳定性好，不受复杂海洋环境影响;而且磁异常信号探测是一种隐蔽性很好的技术，测量系统不易被反探测到。
[0003]然而，基于磁异常信号的潜艇探测存在以下问题:容易受到地磁场自身变化的干扰或其它干扰的影响，这是因为一天之内地磁场的日变化会达如ΙΟΟρΤ，太阳活动的变化也会使得磁场有较大变化，而在距离潜艇一定范围内潜艇造成的地磁变化远小于该值，因此，难以判断是潜艇到来所引起的地磁场变化还是地磁场自身的变化，难以通过直接测量到的磁场变化来实现潜艇探测。因此如何剔出这种大面积范围内变化相同的地磁自身变化或太阳的影响，是目前需要解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0005]为此，本发明的第一个目的在于提出一种双向双测点潜艇探测系统。该系统消除地磁场干扰和解决探测盲区问题，以加大潜艇探测范围。
[0006]本发明的第二个目的在于提出一种用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法。
[0007]为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种双向双测点潜艇探测系统，包括:位于第一探测点上的第一组磁场探头，所述第一组磁场探头包括第一单向探头和第二单向探头，所述第一单向探头和所述第二单向探头相互垂直，所述第一单向探头和所述第二单向探头用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量;位于第二探测点上的第二组磁场探头，所述第二组磁场探头包括第三单向探头和第四单向探头，所述第三单向探头和所述第四单向探头相互垂直，所述第三单向探头和所述第四单向探头用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量;分别与所述第一组磁场探头以及所述第二组磁场探头相连的采集模块，用于分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号；与所述采集模块相连的控制模块，所述控制模块用于接收所述采集模块发送的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，并按照方向分类对所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号，并根据所述第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号，以及根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇。
[0008]本发明实施例的双向双测点潜艇探测系统，在两个距离一定位置上分别放置可以测量两个方向的磁场探头，即测量水平方向上两个垂直的磁场分量，并将两组探头测得的四个磁场分量信号按方向作差动处理，以得到第一、二组差动信号，并根据该第一、二组差动信号确定判断信号，最后，根据该判断信号判断预设范围内是否有潜艇，即通过双测点磁场信号的差动处理可以消除地磁场自身变化的干扰，利用双向测量可以解决探测区域内的盲区和盲点问题，可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
[0009]在本发明的一个实施例中，所述控制模块通过以下公式获得所述第一组差动信号和第二组差动信号:
[0010]ΔΒχ=Β?χ-Β2χ
[0011]ABy = Biy-B2y
[0012]其中，ΔBx为所述第一组差动信号，Bix为x方向的第一磁场分量信号，B2x为所述x方向的第三磁场分量信号，A By为所述第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为所述y方向的第四磁场分量信号。
[0013]在本发明的一个实施例中，所述控制模块对所述第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将所述第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为所述判断信号。
[0014]在本发明的一个实施例中，所述控制模块判断所述判断信号是否大于或等于预设阈值，并在所述判断信号大于或等于所述预设阈值时，判断所述预设范围内存在所述潜艇。
[0015]在本发明的一个实施例中，所述采集模块还用于:周期性地分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号;所述控制模块还用于:将每个周期内采集到的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到所述每个周期的判断信号，并在根据所述每个周期的判断信号中的多个所述周期的判断信号连续判断存在所述潜艇时，确定所述预设范围内存在所述潜艇。
[0016]为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种用于本发明第一方面实施例的双向双测点潜艇探测系统的探测方法，包括以下步骤:分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号；按照方向分类对所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号;根据所述第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号；以及根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇。
[0017]本发明实施例的用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法，在两个距离一定位置上分别放置可以测量两个方向的磁场探头，即测量水平方向上两个垂直的磁场分量，并将两组探头测得的四个磁场分量信号按方向作差动处理，以得到第一、二组差动信号，并根据该第一、二组差动信号确定判断信号，最后，根据该判断信号判断预设范围内是否有潜艇，即通过双测点磁场信号的差动处理可以消除地磁场自身变化的干扰，利用双向测量可以解决探测区域内的盲区和盲点问题，可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
[0018]在本发明的一个实施例中，通过以下公式获得所述第一组差动信号和第二组差动信号:
[0019]ΔΒχ=Β?χ-Β2χ
[0020]ABy = Biy-B2y
[0021]其中，ΔBx为所述第一组差动信号，Bix为X方向的第一磁场分量信号，B2x为所述X方向的第三磁场分量信号，A By为所述第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为所述y方向的第四磁场分量信号。
[0022]在本发明的一个实施例中，所述根据第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号具体包括:对所述第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将所述第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为所述判断信号。
[0023]在本发明的一个实施例中，所述根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇具体包括:判断所述判断信号是否大于或等于预设阈值;如果所述判断信号大于或等于所述预设阈值时，判断所述预设范围内存在所述潜艇。
[0024]在本发明的一个实施例中，该探测方法还包括:周期性地分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号;将每个周期内采集到的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到所述每个周期的判断信号；当根据所述每个周期的判断信号中的多个所述周期的判断信号连续判断存在所述潜艇时，确定所述预设范围内存在所述潜艇。
[0025]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0026]本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0027]图1为根据本发明一个实施例的双向双测点潜艇探测系统的结构示意图。
[0028]图2为根据本发明一个实施例的潜艇运动方向与探头布置的示意图。
[0029]图3为根据本发明一个实施例的单向双探头系统的探测区域范围的示例图。
[0030]图4为根据本发明一个实施例的双向双测点系统探测区域范围的示例图。
[0031 ]图5为根据本发明一个实施例的双向双测点潜艇探测系统的探测方法的流程图 。
【具体实施方式】
[0032]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0033]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0034]下面参考附图描述本发明实施例的双向双测点潜艇探测系统以及用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法。
[0035]图1是本发明一个实施例的双向双测点潜艇探测系统的结构示意图。如图1所示，该双向双测点潜艇探测系统可以包括:第一组磁场探头101、第一单向探头1011、第二单向探头1012、第二组磁场探头102、第三单向探头1021、第四三单向探头1022、采集模块103和控制模块104。其中，如图2所示，该第一组磁场探头101可位于第一探测点A上，该第二组磁场探头102可位于第二探测点B上。此外，该第一探测点A与第二探测点B之间的距离可由探头的探测能力来决定，也可以根据大量实验得到的经验值，例如，该距离可从几米到几百米等。
[0036]具体地，该第一组磁场探头101可包括第一单向探头1011和第二单向探头1012，第一单向探头1011和第二单向探头1012相互垂直，第一单向探头1011和第二单向探头1012用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量。
[0037]第二组磁场探头102可包括第三单向探头1021和第四单向探头1022，第三单向探头1021和第四单向探头1022相互垂直，第三单向探头1021和第四单向探头1022用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量。
[0038]可以理解，对于如果采用位于两个探测点上的单方向磁场测量信号并进行差动处理，当潜艇处在双测点的中垂线上或一些特殊位置时，在两个测点上产生的磁场信号相同，作差后差动信号为零，则无法探测到潜艇，产生了探测盲区问题，使得探测范围受到影响。例如，图3给出了一组特定灵敏度的磁场探头组成的差动系统的探测区域范围图，其中两探头分别位于x= ±500处，探头测量方向与潜艇等效磁偶极子方向均为X轴方向。可以看出，单向双探头系统的探测区域形状为两个四瓣状区域，存在明显的盲区。因此，本发明通过采用双向双探头系统可以有效消除盲区。
[0039]更具体地，可在海中或陆地上选取两个探测点，如图2所示，第一探测点A和第二探测点B，第一探测点A和第二探测点B之间的间距可以从几米到几百米。可在每个探测点上分别放置一组磁场探头(即第一组磁场探头101和第二组磁场探头102)以对地磁磁场进行测量，每组磁场探头可包含两个相互垂直的单向探头，即第一单向探头1011、第二单向探头1012、第三单向探头1021和第四单向探头1022，这些探头可分别测量水平方向上两个相互垂直的磁场分量，例如，设为X方向的磁场Blx、B2x和y方向的磁场Bly、B2y。
[0040]需要说明的是，由于潜艇在地磁场中磁化后产生的附加磁场为近似直流的微弱磁场，随着距潜艇距离的增加，附加磁场值迅速衰减。一般地，当探测距离大于500m时，才具有实用价值，而500m远处潜艇产生的附加磁场在ΙΟηΤ左右，而1000米远处在nT级别。因此，所需的磁测探头至少应该能够拥有ηΤ的分辨率及探测精度。目前可达到该要求的磁测探头主要为:磁通门磁测探头、质子旋进式磁力仪、光栗磁力仪等。因此，在本发明的实施例中，第一单向探头1011、第二单向探头1012、第三单向探头1021和第四单向探头1022分别为磁通门磁测探头、质子旋进式磁力仪或光栗磁力仪等。
[0041]如图1所示，采集模块103可分别与第一组磁场探头101以及第二组磁场探头102相连，采集模块103可用于分别采集第一单向探头1011、第二单向探头1012、第三单向探头1021和第四单向探头1022测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号。
[0042]控制模块104与采集模块103相连，控制模块104可用于接收采集模块103发送的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，并按照方向分类对该第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号，并根据第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号，以及根据判断信号判断预设范围内是否有潜艇。
[0043]具体而言，在本发明的一个实施例中，控制模块104可通过以下公式获得第一组差动信号和第二组差动信号:
[0044]ΔΒχ=Β?χ-Β2χ
[0045]ABy = Biy-B2y(1)
[0046]其中，ΔΒχ为第一组差动信号，Bix为x方向的第一磁场分量信号，B2x为x方向的第三磁场分量信号，A By为第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为y方向的第四磁场分量信号。
[0047]更具体地，控制模块104在接收到采集模块103发送的第一至第四磁场分量信号之后，可通过上述式(1)对这四个磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号，之后，可判断该第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为判断信号，然后，可将该判断信号与预设阈值进行大小比较，即判断该判断信号是否大于或等于预设阈值，如果该判断信号大于或等于该预设阈值，则控制模块104可判断预设范围内存在潜艇。
[0048]其中，在本发明的实施例中，上述预设阈值可以是预先通过测量而得到没有潜艇时的磁场参考样本值，即可预先测量一段时间(例如10分钟)的环境磁场，即没有潜艇时的磁场，作为系统噪声参考样本，分析该信号的统计特性，根据该参考样本统计特性，得到信号的方差，最终将该方差设定为上述的预设阈值。
[0049]可以理解，对于太阳或地壳活动引起的背景地磁场变化，其特点是随时间变化但在空间上保持一致，即在一个较大范围的空间内，所有点上的地磁场随时间同时变化，但空间差异很小。利用这个特性可以使用双测点差动的方法减小、甚至消除地磁场在潜艇探测中的干扰。这是因为，在没有潜艇时，两个测点的场相同，将测量值相减后的信号为零，可以判断出周围没有潜艇;而当潜艇靠近一个测点时，差动信号不再为零，当信号超过一定阈值时可以认为周围有潜艇。
[0050]由于地磁场和潜艇产生的附加磁场是一个矢量，具有方向性。若仅考虑水平分量而忽略垂直地面的分量，则磁场可以表不为X方向的分量Bx和y方向的分量By。潜艇附加磁场在磁场测量点上表现出的特性是:若在某一方向上(如X方向)的测量值为极小值，则另一方向(y方向)的分量必然达到极大值。因此，在每个测点上垂直放置两个探头(如图2所示)，分别测量两个方向(X方向和y方向)上的磁场，将四个信号做通过上面公式(1)进行融合差动处理后，对第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为判断信号。这样，可以优化探测区域轮廓形状，使其接近一个外边缘光滑的椭圆区域，(如图4所示，为一个探测区域范围轮廓图)，从而加大探测范围。
[0051]控制模块104在确定判断信号之后，可以理解通过上述差动处理，该判断信号不包含背景地磁场，只是因为潜艇出现而引起的磁场信号，这样当判断信号超过上述预设阈值时，控制模块104可判定预设范围内存在潜艇，当判断信号未超过该预设阈值时，控制模块104可判定预设范围内不存在潜艇。可以理解，上述预设范围即为两组磁场探头最大能够探测的区域。
[0052]可以理解，本发明通过差动式探测，消除了背景地磁场的干扰问题。但是，在真实测量时，还存在测量系统误差问题，包括偏移或漂移误差和系统产生的噪声。其中偏移误差可以靠系统自调零的方式解决，即利用阈值设定和判断方式可以处理测量系统的噪声干扰问题，即当探测信号(即上述的判断信号)大于所设定的阈值时，才认为有潜艇，小于阈值时认为是噪声信号和无用信号，认为无潜艇。理论上讲，阈值大于最大噪声值时，即可以解决噪声干扰问题。但其代价是要缩小有效探测范围，所设阈值越大，有效探测范围越小。预设阈值的设定应基于实际测量系统的噪声水平来确定。可将系统噪声近似认为是高斯白噪声，从而利用信号的概率分布理论以及虚警和误报概率的关系确定出合理的预设阈值。
[0053]为了提高探测结果的精确度，进一步地，在本发明的一个实施例中，采集模块103还可用于:周期性地分别采集第一单向探头1011、第二单向探头1012、第三单向探头1021和第四单向探头1022测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量 信号和第四磁场分量信号。控制模块104还可用于将每个周期内采集到的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到每个周期的判断信号，并在根据每个周期的判断信号中的多个周期的判断信号连续判断存在潜艇时，确定预设范围内存在潜艇。
[0054]更具体地，可设定一个时间间隔T，将每个时间间隔T内采集到的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，求和平均，得到每个周期的判断信号，由于不是利用一个时刻的数据作为判断信号，这样可以去除偶发脉冲噪声干扰。还可设定延迟判断时长，即并不是一个时间段T内的信号为有潜艇信息便做出有潜艇的结论，而是利用几个(如5个)时间段的信息进行复核式判定，只有连续多个(如5个)时间间隔的信息均为有潜艇结论时，方认为测量区域内存在潜艇。
[0055]本发明实施例的双向双测点潜艇探测系统，在两个距离一定位置上分别放置可以测量两个方向的磁场探头，即测量水平方向上两个垂直的磁场分量，并将两组探头测得的四个磁场分量信号按方向作差动处理，以得到第一、二组差动信号，并根据该第一、二组差动信号确定判断信号，最后，根据判断信号判断预设范围内是否有潜艇，即通过双测点磁场信号的差动处理可以消除地磁场自身变化的干扰，利用双向测量可以解决探测区域内的盲区和盲点问题，可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
[0056]为了实现上述实施例，本发明还提出了一种用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法。
[0057]图5为根据本发明一个实施例的用于双向双测点潜艇探测系统的探测方法的流程图。需要说明的是，在本发明的实施例中，该双向双测点潜艇探测系统可以是上述任一个实施例所述的双向双测点潜艇探测系统100。
[0058]如图5所示，该探测方法可以包括:
[0059]S501，分别采集第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号第和第四磁场分量信号。
[0060]S502，按照方向分类对第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号。
[0061]具体地，在采集到上述第一至第四磁场分量信号之后，可通过上述式(1)对这四个磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号。图4为根据本发明一个实施例的潜艇运动方向与探头布置的示意图，如图4所示，在每个测点上垂直放置两个探头，分别测量两个方向(X方向和y方向)上的磁场。
[0062]S503，根据第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号。
[0063]具体而言，在本发明的实施例中，可对第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为判断信号。
[0064]可以理解，对于太阳或地壳活动引起的背景地磁场变化，其特点是随时间变化但在空间上保持一致，即在一个较大范围的空间内，所有点上的地磁场随时间同时变化，但空间差异很小。利用这个特性可以使用双测点差动的方法减小、甚至消除地磁场在潜艇探测中的干扰。这是因为，在没有潜艇时，两个测点的场相同，将测量值相减后的信号为零，可以判断出周围没有潜艇;而当潜艇靠近一个测点时，差动信号不再为零，当信号超过一定阈值时可以认为周围有潜艇。
[0065]由于地磁场和潜艇产生的附加磁场是一个矢量，具有方向性。若仅考虑水平分量而忽略垂直地面的分量，则磁场可以表不为X方向的分量Bx和y方向的分量By。潜艇附加磁场在磁场测量点上表现出的特性是:若在某一方向上(如X方向)的测量值为极小值，则另一方向(y方向)的分量必然达到极大值。因此，在每个测点上垂直放置两个探头(如图2所示)，分别测量两个方向(X方向和y方向)上的磁场，将四个信号做通过上面公式(1)进行融合差动处理后，对第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为判断信号。这样，可以优化探测区域轮廓形状，使其接近一个外边缘光滑的椭圆区域，(如图4所示，为一个探测区域范围轮廓图)，从而加大探测范围。
[0066]S504，根据判断信号判断预设范围内是否有潜艇。
[0067]具体地，在确定判断信号之后，可以理解通过上述差动处理，该判断信号不包含背景地磁场，只是因为潜艇出现而引起的磁场信号，这样当判断信号超过上述预设阈值时，可判定预设范围内存在潜艇，当判断信号未超过该预设阈值时，可判定预设范围内不存在潜艇。可以理解，上述预设范围即为两组磁场探头最大能够探测的区域。其中，在本发明的实施例中，上述预设阈值可以是预先通过测量而得到没有潜艇时的磁场参考样本值，即可预先测量一段时间(例如10分钟)的环境磁场，即没有潜艇时的磁场，作为系统噪声参考样本，分析该信号的统计特性，根据该参考样本统计特性，得到信号的方差，最终将该方差设定为上述的预设阈值。
[0068]可以理解，本发明通过差动式探测，消除了背景地磁场的干扰问题。但是，在真实测量时，还存在测量系统误差问题，包括偏移或漂移误差和系统产生的噪声。其中偏移误差可以靠系统自调零的方式解决，即利用阈值设定和判断方式可以处理测量系统的噪声干扰问题，即当探测信号(即上述的判断信号)大于所设定的阈值时，才认为有潜艇，小于阈值时认为是噪声信号和无用信号，认为无潜艇。理论上讲，阈值大于最大噪声值时，即可以解决噪声干扰问题。但其代价是要缩小有效探测范围，所设阈值越大，有效探测范围越小。预设阈值的设定应基于实际测量系统的噪声水平来确定。可将系统噪声近似认为是高斯白噪声，从而利用信号的概率分布理论以及虚警和误报概率的关系确定出合理的预设阈值。
[0069]为了提高探测结果的精确度，在本发明的一个实施例中，该探测方法还可包括:周期性地分别采集第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号;将每个周期内采集到的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到每个周期的判断信号；当根据每个周期的判断信号中的多个周期的判断信号连续判断存在潜艇时，确定预设范围内存在所述潜艇。
[0070]更具体地，可设定一个时间间隔T，将每个时间间隔T内采集到的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，求和平均，得到每个周期的判断信号，由于不是利用一个时刻的数据作为判断信号，这样可以去除偶发脉冲噪声干扰。还可设定延迟判断时长，即并不是一个时间段T内的信号为有潜艇信息便做出有潜艇的结论，而是利用几个(如5个)时间段的信息进行复核式判定，只有连续多个(如5个)时间间隔的信息均为有潜艇结论时，方认为测量区域内存在潜艇。
[0071]本发明实施例的双向双测点潜艇探测系统的探测方法，在两个距离一定位置上分别放置可以测量两个方向的磁场探头，即测量水平方向上两个垂直的磁场分量，并将两组探头测得的四个磁场分量信号按方向作差动处理，以得到第一、二组差动信号，并根据该第一、二组差动信号确定判断信号，最后，根据判断信号判断预设范围内是否有潜艇，即通过双测点磁场信号的差动处理可以消除地磁场自身变化的干扰，利用双向测量可以解决探测区域内的盲区和盲点问题，可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
[0072]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0073]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0074]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0075]流程图中或在此以其他方式描述的任何过 程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0076]在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，〃计算机可读介质〃可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下:具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPR0M或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDR0M)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0077]应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
[0078]本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0079]此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0080]上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1.一种双向双测点潜艇探测系统，其特征在于，包括: 位于第一探测点上的第一组磁场探头，所述第一组磁场探头包括第一单向探头和第二单向探头，所述第一单向探头和所述第二单向探头相互垂直，所述第一单向探头和所述第二单向探头用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量； 位于第二探测点上的第二组磁场探头，所述第二组磁场探头包括第三单向探头和第四单向探头，所述第三单向探头和所述第四单向探头相互垂直，所述第三单向探头和所述第四单向探头用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量； 分别与所述第一组磁场探头以及所述第二组磁场探头相连的采集模块，用于分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号； 与所述采集模块相连的控制模块，所述控制模块用于接收所述采集模块发送的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号，并按照方向分类对所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号，并根据所述第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号，以及根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇。2.如权利要求1所述的双向双测点潜艇探测系统，其特征在于，所述控制模块通过以下公式获得所述第一组差动信号和第二组差动信号:Α Βχ = Β?χ-Β2χA By = Bly-B2y 其中，△ Bx为所述第一组差动信号，Bix为x方向的第一磁场分量信号，B2x为所述X方向的第三磁场分量信号，A By为所述第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为所述y方向的第四磁场分量信号。3.如权利要求1所述的双向双测点潜艇探测系统，其特征在于，所述控制模块对所述第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将所述第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为所述判断信号。4.如权利要求1至3中任一项所述的双向双测点潜艇探测系统，其特征在于，所述控制模块判断所述判断信号是否大于或等于预设阈值，并在所述判断信号大于或等于所述预设阈值时，判断所述预设范围内存在所述潜艇。5.如权利要求1所述的双向双测点潜艇探测系统，其特征在于， 所述采集模块还用于:周期性地分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号； 所述控制模块还用于:将每个周期内采集到的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到所述每个周期的判断信号，并在根据所述每个周期的判断信号中的多个所述周期的判断信号连续判断存在所述潜艇时，确定所述预设范围内存在所述潜艇。6.—种用于如权利要求1至5中任一项所述的双向双测点潜艇探测系统的探测方法，其特征在于，包括以下步骤: 分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号； 按照方向分类对所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号进行差动处理，得到第一组差动信号和第二组差动信号； 根据所述第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号；以及 根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过以下公式获得所述第一组差动信号和第二组差动信号:Α Βχ = Β?χ-Β2χA By = Bly-B2y 其中，△ Bx为所述第一组差动信号，Bix为x方向的第一磁场分量信号，B2x为所述X方向的第三磁场分量信号，A By为所述第二组差动信号，Bly为y方向的第二磁场分量信号，B2y为所述y方向的第四磁场分量信号。8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据第一组差动信号和第二组差动信号确定判断信号具体包括: 对所述第一组差动信号和第二组差动信号进行大小比较，并将所述第一组差动信号和第二组差动信号中的较大值作为所述判断信号。9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述判断信号判断预设范围内是否有潜艇具体包括: 判断所述判断信号是否大于或等于预设阈值； 如果所述判断信号大于或等于所述预设阈值时，判断所述预设范围内存在所述潜艇。10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括: 周期性地分别采集所述第一单向探头、第二单向探头、第三单向探头和第四单向探头测量的第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号；将每个周期内采集到的所述第一磁场分量信号、第二磁场分量信号、第三磁场分量信号和第四磁场分量信号求和平均，得到所述每个周期的判断信号； 当根据所述每个周期的判断信号中的多个所述周期的判断信号连续判断存在所述潜艇时，确定所述预设范围内存在所述潜艇。
【专利摘要】本发明公开了一种双向双测点潜艇探测系统和探测方法，其中系统包括：位于第一探测点上的第一组磁场探头，其包括用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量的第一、二单向探头；位于第二探测点上的第二组磁场探头，其包括用于测量水平方向上两个相互垂直的地磁磁场的磁场分量第三、四单向探头；采集模块采集第一到四单向探头测量的第一到四磁场分量信号；控制模块接收采集模块发送的第一到四磁场分量信号，并对以上信号进行差动处理以得到第一、二组差动信号，并根据差动信号确定判断信号，以及根据该判断信号判断预设范围内是否有潜艇。该系统可以实现以较少探头获得较理想的探测区域轮廓和较大探测距离的目的。
【IPC分类】G01V3/08
【公开号】CN105487124
【申请号】CN201510818294
【发明人】袁建生, 上官云祺, 陈宇沁
【申请人】清华大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月23日
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