面向水下潜器隐蔽航路任务的地形可视性方法研究

摘要

地形可视性表征了地形表面上各点能否可视与被可视的情况及相关的实际问题。在海洋、陆地和天空三种大环境的地理信息应用中都有着极为重要的研究价值。对于陆地和天空，地形可视性已应用在旅游、通讯、城市规划和飞行器低空突防等诸多领域。在这些领域中，地形的可视与否都是以“自然光”或“电磁波”为判断基础。但是在海洋中还没有有关地形可视性方面的应用实例，研究方案也未成体系。其实无论是地理环境，还是导航方法，海洋中的水下潜器与飞行器都具有相似的航路规划特征。飞行器的低空突防是进行超低空飞行，凭借地形起伏造成的防空体系盲区，有效地跟随山体进行隐蔽飞行，避免雷达监控以达到打击目标的目的；而水下潜器则是利用海底山脉掩护，使其躲避对方的声纳系统发现。但是雷达在探测目标时发射的是电磁波，其在水中的传播范围极短。实际上在海洋中的信号传输介质是声波，而其传播路径有别于电磁波，因此本课题以传播介质为光线的地形可视性分析为理论基础，通过对被动声纳在水下探测目标的工作原理进行分析，研究出一套应用于水下的地形可视性研究方法，从而为水下潜器的安全航路规划提供理论基础。
　　 首先，本文介绍了地形可视性基本方法和分类，分析和讨论了适合作为研究材料的DEM数据模型，并对分析过程的影响因子进行了研究。比较以光为媒介的现有的通视性分析方法和可视域分析方法的优缺点，并指出以光为传播介质的分析方法在海洋中应用的缺陷。第二，针对以光线传播的分析方法在海中的不足，本文对海洋中声传播的性质规律进行研究，并分析声能在海洋中传播的能量衰减方式和不同的海底地表对声能衰减的影响程度，从声纳的角度定义目标为可视的具体情况。第三，结合地形可视性的基本思路和声学理论，选择射线模型作为可视性分析模型，推导出计算声线分布范围的方法，并研究出基于声线的地形可视性分析方法。最后，对本文提出的算法与现有的算法进行仿真和比较，并得出相关结论。
　　 本文提出的基于声线的可视性分析方法以基于光线的可视性研究为思想基础，以射线模型为声学理论基础，同时既考虑了地形分析方面的影响因素，又考虑了声线传播范围的影响因素，其最终的仿真结果表明基于光线和声线的可视性分析方法对同一地区的可视情况有很大差别。本文首次将水声理论应用到地形可视性的领域中，对水下潜器的航路规划有一定价值，同时水下地形可视性研究方法对今后地形分析领域发展有着积极意义。