[发明专利]基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法

说明书

本发明涉及一种基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法。对于重点区域，低空飞行直升机成为主要入侵目标，本发明基于声震耦合原理，提出利用超前地震波对低空飞行的直升机进行探测。首先，合理布设地震检波器阵列，通过校准时延对整个阵列信号进行叠加压噪。然后，通过超前波多普勒频移公式以及相应的数值关系求出超前波所在频带区间进而带通滤波压噪。再利用互相关检测法将多组阵列对应的超前波检测出来，根据直升机激发的超前波的特征设计到时拾取算法。经过仿真数据分析，本研究方法相比声波探测技术能够更早探测直升机的到达，具有明显优势。

技术领域：

本发明涉及低空直升机探测应用领域，本发明为该领域提供一种全新的探测时间早于声探测技术的传感方式，特别是涉及一种基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法。

背景技术：

在一些重点保护区域，例如边境线、发电厂、石油传输线、公路交叉路、通讯设施等，需要对这些区域进行全天候监视防止敌方入侵对其造成破坏。低空飞行的直升机是主要的入侵目标之一，目前主要通过声探测技术对直升机产生的声信号进行监视，这种方式相比雷达技术、视觉识别以及红外等技术具有无低空盲区、全天候监测且不受光源干扰等优点。通过声探测技术能在低空飞行的直升机到达前尽早识别出入侵目标，为后方争取更多的处理时间。然而由于飞行目标的速度较快，声探测技术存在预警时间较短、信号容易被地表建筑等大型物体遮挡以及信号质量易受恶劣天气影响等缺点。

事实上，基于声震耦合原理，低空飞行目标产生的声波能够耦合进地面形成超前波，理论上能以大于3-10倍声速的速度和在地下传播进而更早被监测到。因此，通过检测超前波有望实现对低空飞行的直升机更早的探测，对于边境安全和打击非法走私等都具有重要意义。目前国际上已有多项研究证明了超前波的存在，然而上述研究中的超前波在时域上直观清晰，而本发明针对的是直升机激发的超前波远距离传播的应用背景，超前波常常淹没在噪声中而不易观测。而且利用超前波探测低空飞行目标的难点在于不清楚超前波的特征，使得当超前波在时域上被噪声淹没时，无法根据特征去检测超前波。因此，迫切需要一种能够根据超前波的特征利用超前波超前探测低空飞机的直升机的方法。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法。

本发明的发明思想是，首先，基于声震耦合原理，低空声源产生的声波能够耦合进地面形成超前波，理论上能以大于3-10倍声速的速度和在地下传播进而更早被监测到。其次，由于实际环境中超前波淹没在环境噪声中，通过增加阵元的方式叠加信号进行压噪。针对直升机产生的地震信号具有单频特性，根据超前波多普勒频移公式得出超前波的频率特征，并据此设计滤波频带以及超前波的到时拾取算法，最后通过分析不同组阵列的超前波到时结果的斜率分析到时结果的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

1.基于声震耦合的低空飞行直升机超前探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.分析布设场地的背景噪声，选择较为安静的场地，将地震检波器埋置地下且深度不小于0.3m，采集一段至少5分钟的地震背景噪声，要求地震背景噪声的平均质点振动速度不超过0.4μm/s，否则需要将检波器埋置更深或者更换布设场地；

b.布设地震检波器阵列，一共J组阵列，阵列间距不小于500米，其中每个阵列中的阵元(地震检波器)数量不小于10个且灵敏度不低于2cm/s/V，阵元间距要大于布设场地的随机噪声的相关半径长度，使得各阵元接收到的地震背景噪声之间的相关系数不超过0.2；

c.对地震信号叠加压噪，采集到直升机地震信号后，对于第j组阵列，求出阵元中信噪比最高的信号与其它阵元信号的相对时延，再把第j组阵列中的校准时延后的所有阵元信号相加，得到叠加压噪后的地震信号S_j(n)，j＝1，2，...，J，n是采样点序号，n＝1，2，...，N，N是采样长度，采样频率是Fs，单位为Hz；