一种水下多物理场复合探测系统及探测阵列优化方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113391357A(43)申请公布日2021.09.14(21)申请号202110603191.0(22)申请日2021.05.31(71)申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市咸宁西路28号(72)发明人胡桥李怡昕刘钰杨倩彭浩然(74)专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人朱海临(51)Int.Cl.G01V3/08(2006.01)权利要求书2页说明书15页附图3页(54)发明名称一种水下多物理场复合探测系统及探测阵列优化方法(57)摘要本发明公开了一种水下多物理场复合探测系统及探测阵列优化方法，通过流场仿真分析算法模型建立目标函数计算，对流场探测传感器阵列进行优化，对水下航行器周围流场信息的探测与捕捉；通过信息标准差计算、电磁场仿真分析与正交实验法对电场探测电极阵列进行优化设计，实现对水下目标物的辨识与定位，提高定位精度、辨识准确度与水下探测范围，采用流场探测与电场探测两种传播介质作为探测方式，能够有效克服浑浊水体对探测的干扰，弥补传统单一测量水压或电场变化的人工侧线传感器和电感受器测量运动目标时精度低的缺点，弥补声学近场探测盲区；流场与电场探测结合的方式，扩大了水下探测的范围，提高了水下目标识别与定位的准确度。CN113391357ACN113391357A权利要求书1/2页1.一种水下多物理场复合探测系统，其特征在于，包括流场探测阵列载体(1)和电场探测阵列载体(2)，流场探测阵列载体(1)的一端与电场探测阵列载体(2)一端固定连接，流场探测阵列载体(1)的另一端为曲面结构，流场探测阵列载体(1)的曲面结构外侧阵列有流场探测IPMC传感单元(5)；电场探测阵列载体(2)为柱体结构，柱体结构外侧阵列有电场探测发射电极(6)和电场探测接收电极(7)，电场探测发射电极(6)设置于电场探测阵列载体(2)上下两侧，电场探测接收电极(7)固定于电场探测阵列载体(2)左右两侧，流场探测IPMC传感单元(5)和电场探测接收电极(7)通过数据采集卡与PC上位机连接，电场探测发射电极(6)与信号发生器相连。2.根据权利要求1所述的一种水下多物理场复合探测系统，其特征在于，数据采集卡采用NI‑9239数据采集卡。3.根据权利要求1所述的一种水下多物理场复合探测系统，其特征在于，流场探测阵列载体(1)曲面结构外侧设有装配模块(4)，装配模块(4)上设有凸台；流场压力传感器采用IPMC流场探测传感单元(5)，通过绝缘尼龙垫片和螺母压紧固定于装配模块(4)上。4.一种用于权利要求1所述一种水下多物理场复合探测系统的探测阵列优化方法，其特征在于，包括基于贝叶斯概率模型的流场探测阵列优化，具体的，S1，建立水下航行器物理模型以及水下航行器物理模型的流场环境；S2，基于水下航行器物理模型及其流场环境设置传感器初始布局观测点，根据初始布局观测点进行流场仿真生成理论压力数据集；S3，根据得到的理论压力数据集与预测误差表示真实压力测量值并对似然函数的概率密度函数进行表征；S4：对S3中的似然函数进行相对熵计算，预测目标物运动位置的先验概率分布与后验概率分布的相对熵及所有相对熵的期望值作为目标函数；S5：利用贝叶斯定理对目标函数中的未知量进行转化得到转化后的目标函数；S6：比较转化后的目标函数大小得到首个优化点位并通过顺序启发式阵列优化算法依次计算得到阵列布局优化位置坐标点；S7：通过计算各个布置的斯皮尔曼等级相关性系数，对传感器阵列分布个数进行优化确定得到最佳传感器个数，从而完成水下航行器侧线探测传感器位置布局优化。5.根据权利要求4所述一种水下多物理场复合探测系统的探测阵列优化方法，其特征在于，通过建立流场模型、确定计算域、划分计算网格、设置求解参数、迭代计算与后处理，对该流场环境下水下航行器物理模型的仿真，得到不同压力观测点si对每一个位置偶极子rs振荡所产生的水流环境的压力监测曲线，获得每个传感器初始布局点S对每一个目标物位置rs的压力值作为阵列优化算法的理论计算值F(rs；s)，生成理论压力数据集。6.根据权利要求4所述一种水下多物理场复合探测系统的探测阵列优化方法，其特征在于，通过计算每个布局下的效用函数值确定优化后的传感器分布方式：p(r)为先验概率，p(y|r,s)为似然函数，p(y|s)为概率分布，y为压力传感器测量值，p2CN113391357A权利要求书2/2页(y|r,s)为压力传感器测量值y的概率分布。7.根据权利要求4所述一种水下多物理场复合探测系统的探测阵列优化方法，其特征在于，利用贝叶斯定理转化后的目标函数为：对干扰源位置变量r积分即可得到p(y|s)。8.一种用于权利要求1所述一种水下多物理场复合探测系统的探测阵列优化方