[发明专利]无人机物联网水下探测系统以及其均衡探测方法

说明书

本发明涉及一种无人机物联网水下探测系统及其均衡探测方法。该系统包括多个声纳浮标和至少一个无人机；每个所述声纳浮标中设置一个传感器以用于收集水下目标发出的水声数据，所述无人机飞越所述声纳浮标并与所述声纳浮标通信以接收所述水声数据。所述方法包括以下步骤：计算每个声纳浮标的吞吐量、系统吞吐量和公平度指数以及所述系统效率；定义公平度系数效用函数，采用所述公平度系数效用函数平衡所述系统效率和所述公平度指数，以及基于平衡后的所述系统效率和所述公平度指数指导所述无人机的探测过程。本发明揭示了系统效率和吞吐量公平度指数之间的均衡，并说明了最大化系统吞吐量(即系统效率)可能导致某些物联网声纳浮标的带宽不足。

技术领域

本发明涉及物联网领域，更具体地说，涉及一种无人机物联网水下探测系统以及以及其均衡探测方法。

背景技术

为了探测水下物体，可以在感兴趣的海域部署声纳浮标。无人机是一种灵活、可控、低成本的飞行平台。通过将无人机与物联网声纳浮标耦合，我们可以在恶劣的海洋环境下构建理想的数据采集平台。

一旦部署了这种无人机物联网系统，我们需要解决一个关键问题-如何快速准确地定位和识别水下目标？一个简单直观的解决方案是从声纳浮标收集所有原始声学数据，然后将其传输到地面计算中心进行处理。虽然一般情况下，从声纳浮标获取的数据量越大，越能有效定位和识别有效。但在目标检测中，由不同声纳浮标测量的声学数据可以显著提高融合数据的准确性和可信度(例如，三角测量方案)，因此，它们在有效的目标定位和分类中同样也非常有用。因此尽管最大化关键声纳浮标的总吞吐量很重要，也我们需要确保能够从多个声纳浮标收集足够的数据(数据分集)，以增强声学测量的多样性。换句话说，水下目标检测需要一定程度的“公平度”。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种无人机物联网水下探测系统以及均衡探测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无人机物联网水下探测系统的均衡探测方法，所述无人机物联网水下探测系统包括多个声纳浮标和至少一个无人机；每个所述声纳浮标中设置一个传感器以用于收集水下目标发出的水声数据，所述无人机飞越所述声纳浮标并与所述声纳浮标通信以接收所述水声数据，所述方法包括以下步骤：S1、计算每个声纳浮标的吞吐量；S2、基于全部所述声纳浮标的吞吐量计算系统吞吐量和公平度指数，并基于所述系统吞吐量计算所述系统效率；S3、定义公平度系数效用函数，对于任何x≥0，公平度系数效用函数U_α(x)定义为：

其中，α表示公平度系数；S4、采用所述公平度系数效用函数平衡所述系统效率和所述公平度指数。

优选地，所述步骤S1具体包括：计算声纳浮标i的吞吐量其中C_i表示所述声纳浮标i的吞吐量，b_i表示分配给所述声纳浮标i的带宽，P表示每个声纳浮标的发送功率，g_i表示所述声纳浮标i的信道增益，N₀表示白噪声功率密度，1≤i≤M，M为正整数。

优选地，所述步骤S2进一步包括：S21、基于全部所述声纳浮标的吞吐量之和计算所述系统吞吐量；S22、基于全部所述声纳浮标的吞吐量计算所述公平度指数其中公平度指数J的取值范围是S23、将所述系统吞吐量除以系统带宽以计算所述系统效率。

优选地，所述步骤S4进一步包括：S41、令且将其带入公式(9)，从而将所述公平度系数效用函数的最大化问题表述为：

S42、根据(P2)得到当α＝0时，(P2)的目标函数变为所述公平度指数最小；当α＝+∞，(P2)将成为最大-最小求解问题：