基于重力梯度的潜艇威胁目标探测方法研究

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1、分类号学号学校代码密级博士学位论文基于重力梯度的潜艇威胁目标探测方法研究学位申请人：闫足学科专业：控制科学与工程指导教师：田金文教授马杰教授答辩日期：ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringGravityGradientforSubmarineThreatObjectDetectionPh.D.CandidateYanZuMajorControlScienceandEngineeringProf.TianJinwenSuper

2、visor(s)Prof.MaJieHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.China2015.5.21独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。日期年月乂日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印

3、件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密请在以上方框内打“”日期脾月巧日日期辟丄月巧华中科技大学博士学位论文摘要潜艇是一种重要的军事装备，确保潜艇在水下的安全是保障其发挥非凡战斗力的前提。潜艇在水下航行时易受到航道上沉船、礁石，及敌方空中反潜机等物体或目标的威胁。由于海洋特殊环境的限制，潜艇在水下航行时探测其它威胁目标的手段非常局限，如探测水下礁石等只能依靠主动式声呐，发射声纳极其容易暴露自身。潜艇为了探测空中目标，则必须上浮到水面

4、或发射浮标，这两种方案都容易破坏潜艇的隐蔽性。为了有效解决以上问题，论文提出了基于重力梯度的威胁目标探测方法。得益于重力梯度测量的被动性，潜艇在有效探测威胁目标的同时，还可保障隐蔽性。论文通过对重力梯度测量模型的分析，分别从正常重力梯度值、重力梯度参考图的制备、海浪对重力梯度测量带来的扰动影响、威胁目标探测方法等方面进行了深入系统研究。主要内容如下：在详细介绍了重力、重力位、重力梯度等相关概念的基础上，推导了正常重力梯度的理论计算公式，为其它章节的内容提供了理论支撑。潜艇在水下航行时，海底地形会对重力梯度测量产生影响。在对利用地形数据制备匹配导航重力梯度参考图方法进行深入研究的基础上，提出了

5、两种制备适合后续目标探测应用的重力梯度参考图方法。一种是引入了地壳均衡模型修正重力梯度公式中地壳密度的常规参考图制备方法，该方法适合大范围、大尺度的参考图制备。另一种是基于地形密度均勻变化假设的非常规参考图制备方法，该方法将参考图的量纲从重力梯度度量单位转化为重力梯度异常比率，避开了对地形密度的直接估计，实现了参考图制备方法的突破，实验表明，该方法制备的参考图比之前方法效果更好。海浪对利用重力梯度测量数据进行目标探测带来了负面影响。论文研究了不同海况、不同测量深度下海浪对重力梯度产生的扰动，构建了定量计算海浪扰动的数学模型。计算结果可为基于重力梯度的目标探测及导航提供有效的理论支持，同时也为

6、后续章节中仿真验证目标探测算法时如何添加噪声提供了合理参照。华中科技大学博士学位论文目标引起的重力梯度异常或者异常变化，是基于重力梯度进行目标探测的基础。参考图的有无，与能否获得目标引起的重力梯度异常直接相关。针对参考图己知情况下的目标探测问题，论文提出了一种联合重力及重力梯度的目标探测算法。该算法将目标质量与位置的估计独立开来，避免了以往方法由于不能准确估计目标质量，从而导致目标定位不准的问题，且很好的解决了对于运动目标的探测问题。实验表明该方法可以实时、准确的探测到潜艇周围的威胁目标，尤其对于大质量的目标，如礁石、沉船等，即使在海况较差的情况下，也可以实现目标的准确定位。针对无参考图的目

7、标探测问题，论文提出了一种基于重力梯度差分比率的目标探测方法。该方法利用潜艇航线上邻近测量点重力梯度的数值差异，通过一系列的变化，巧妙的得到目标的位置及质量信息，避免了对参考图的刚性需求。实验表明，该方法对于探测运动目标如空中反潜机，具有很好的效果。关键词：潜艇水下导航；重力梯度；威胁目标探测；参考图制备；海浪扰动；重力梯度差分比率华中科技大学博士学位论文，华中科技大学博士学位论文，，，华中科技大学博士学位论