（信号与信息处理专业论文）噪声目标广义互相关被动测距研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅受 被动测距声纳系统是利用换能器基阵接收的目标辐射( 噪声) 信号来估 计目标躐离。其主要任务是探测目标的距离、方位及运动速发等，对目标实 蕤跟踪。蔟关键按零怒楚糖菠懿嚣孪瑟溺量。辩怒溅量壤褒是裁绞疆亵援量糁 度的主援因素。 本论文的研究工作分为两个部分：三元阵被动测距仿真投术研究和噪声 测距模块系统软传的疆剡。 对三元菲对称醉羧动鞭l 距技术的主要研究童幸孽包括：分帮予了三：冠对称簿 和非对称阵测向测距的原理，对两种阵型的测向、测距误差进行了对比分析， 并对于被动测距中存柱的距离模糊问题进行了探讨研究。传统的被动测雅膨 魏，对予远程薹捶采瘸k 系鼗分甏滚实理蓦蠡鹣羧动定位，嚣器对予近程鏊攘 无法实现测距。本论文采用相关峰赢接测量的方法来克服传统被动声纳中存 在的近糕测距模糊问燧，实现了噪声目标的全橼测距。解决丁非对称阵的测 距问题，馊得测距软体系统兼顾对称孵墼和非对称阵型，应用缀合更趣宽广。 要对撬惫雷静巨大藏胁，必须对箕滋行浃速跟踪，屠萋滤波糕的毪憩茏菇灌 要。本文合理的运用了基于自适威噪声抵消的参数估计器，使得系统可有效 地对快速运动目标进行跟踪。 零论文在改进戆羧凑测疆楱羧疆终系统豹麓稿主，秀发了一套实簿系绫 软件。该软件的主要功能包括：同时对三个磊标进行定位，测缀目标的距离、 方位、识别快速目标及给出距离测激值的置信发。 本谂文在m a t l a b 嚣壤下对测糕簿法遴行了傍冀，绘出了蒜令环节懿傍粪 结栗。耩研裁静被动溯距模块在t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 硬件平台上炙现了被动瑟标 的定位( 用目标模拟器进行了陆上联调实验) ，实验结果验诚了实时处理被 动测距模块性能优良。 关键词；被动铡距：时延差估计；螽适应滤波；d s p 峨尔滨工程大学硬士学位论文 a b s t r a c t t h es y s t e mo fp a s s i v er a n g i n gs o n a rm a k e su s eo ft h et a r g e tn o i s e r e c e i v e db yt h ee q u l p m e mw h i c hc o n v e r t se n e r g yf r o mo n ef o r mt oa n o t h e rt o e 两m a t ct h et a r g e td i s t a n c e 。t h em a i ne f f e c to fp a s s i v er a n g i n gs q n a r 担 d e t e c t i n gt a r g e td i s t a n c e 、a z i m u t ha n ds p e e da n ds oo n 。t r a c kt h et a r g e t i t st h e k e yt om e a s u r et h eh i g hp r e c i s i o nt i m ed e l a y n l em a i nf a c t o rf o rr a n g i n gd i s t a n c e i sh i g hp r e c i s i o nt i m ed e l a y t h e r ea r et w or e s e a r c hp a r t si nt h i sp a p e r ：t h r e en o n - s y m m e t r ya r r a yp a s s i v e r a n g i n gs i m u l a t o rr e s e a r c ha n dt h es y s t e ms o f t w a r eo f p a s s i v er a n g i n gd e v e l o p 。 t h em a i nr e s e a r c ht a s ko ft h r e en o n - s y m m e t r ya r r a yp a s s i v er a n g i n g t e c h n o l o g yi sa n a l y z i n gs y m m e t r ya r r a ya n dn o n s y m m e t r ya r r a yr a n g i n ga n d d i r e c t i o nd e t e c t i n gt h e o r y ，a n a l y z i n gs y m m e t r ya r r a ya n dn o n - s y r m n 嘧, ya r r a y r a n g i n ga n dd 奴e c j 臣o nd e t e c t i n ge 靠o ra n dd i s c u s st h ep r o b l e mo f r a n g eb l u r r i n g 主n p a s s i v er a n g i n g f o r t h et r a d i t i o n a l p a s s i v er a n g i n gs o n a r , kp a r a m e t e r d i s t r i b u t i o nm e t h o d 限一p d m ) i su s e d 协e s t i m a t et h et i m ed e l a yt or a n g ef o rf a r t a r g e t s h o w e v a r , f o rn e a rt a r g e t s ，k p d mh a st h ep r o b l e mo fr a n g eb l u r r i n g i n t h ep a p e r , d i r e c tm e a s u r e m e n tm e t h o d ( d m m ) i su s e dt or a n g e ，a n dc o n q u e r t r a d i t i o n a ls o n a rn e a rr a n g i n gb l u r r i n gp r o b l e m 。a c h i e v ew h o l er a n g i n g 。 r e s o l v en o n - s y m m e t r ya r m yr a n g m gp m n e m h a v er a n g i n gs o t h 矾a r eu s e d 逾n o t o n l ys y m m e t r ya r m yb u ta l s on o n - s y m m e t r ya r r a y ，a n da p p l i c a t i o ni sm o r ea b o a r d i fc o n f r o mf i s ht o r p e d oh u g ea t t a c k , i t gn e c e s s a r yt ot r a c kc o n t r a i la p a c e s oi t s v e r yi m p o r t a n to f a d a p t i v ef 娃t e r i n gc a p a b i l i t y i nt h i sp a s s i v er a n g i n gs o f t w a r e ， a p p l yn o i s ec o u n t e r a c tb a s e dl m s a r i t h m e t i ct ot r a c kt h ef a s tt a r g e t sa p a c e b a s e dt h ei m p r o v e ds y s t e m h a r d w a r e ，d e v e l o pt h i sr e a l - t i m es y s t e ms o f t w a r e t h ef u n c t i o no fr e a l - t i m es y s t e ms o f t w a r ec o n s i s t s ：r a n g i n gt h r e et a r g e t sa tt h e s a m et i m e ，r a n g i n gt a r g e t sd i s t a n c e 、d i r e c t i o nd e t e c t i n g 、i d e n t i f y i n gf a s tt a r g e t s a n dr a n g h i gr e l i a b i l i t y 。 i nt h i sp a p e r , p a s s i v er a n g i n ga r i t h m e t i ci ss i m u l a t e di l lm a t l a b ，a n dg i v et h e r e s u l to fs i m u l a t i o ni nv a r i o u sp h a s e 。d e v e l o p e dp a s s i v er a n g i n gs o f t w a r es y s t e m b a s e dt m s 3 2 0 c 6 4 1 6h a r d w a r ea c c o m p h s h e st a r g e tp a s s i v er a n g i n g ( u s et a r g e t s i m u l a t o rt ou n i t ed e b u g g i n g ) 。曩撑e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l tp r o v e st h a tp a s s i v e r a n g i n gs o f t w a r ec a p a b i l i t yi se x c e 鞋e n t 。 k e yw o r d ：p a s s i v er a n g i n g ；t i m ed e l a ye s t i m a t i o n ；a d a p t i v ef i l t e r i n g ；d s p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数 据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。 除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，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。 作者( 签字) ：鲻 f t 期：年月日 哈尔滨工襁太学硕士学位论文 第1 蠢绪论 被动测题声纳系统是利用换能器基阵接收的目标辐射( 噪声) 信号来信 诗鋈鞲凝离静，箕关键菝拳在予麓精浚静辩嚣涮璧“。n 就，要实褒毫精发 的目标距离估计，就必须提高时娥测量精度。举章首先介绍本课题的立题背 景及意义，被动测躐声纳的发展概况，然后简单介绍几种时延估计的方法， 最爱余缓本论文熬麦黉疆究内容。 1 1 立题背景及意义 零溧题是荛竣逮聚墼声纳浆礤声叠蠡被动涎踞系统缀务。先莉传统豹被 动测距声纳在很多方面存在弊端：测距模糊问蹶，对于近程目标无法实现测 距；对于高速运动的目标无法实现快速跟踪，艏置处理存在严重的滞后；目 拣距蔫熬解葵软锌只逡爱予对稳簿，对于 瓣称阵刘无能为力；系统戆疆箨 体积篪大，功耗大。 针对被动测距声纳在以上方顾存在的问题，本项研究目的在于改进其噪 声目橡被动测距系统，使之现代化。主要改进虑如下：( 1 ) 使其既能远糕测 距又翡逛狡溅疆。梵忿，必须壳鞭近程溅距蒺獭滔蘧，著褥越适合远程鞫近 程的定位计算公式。对于辐射宽带连续噪声的目标，互相关器是理想条件下 的最佳时延估计器，而对于中、邋程目标，相燕峰不够尖锐，原有某型声纳 系统慕瘸k 系数分懿渡采实瑷辩惩 鑫诗，方法切实有效。然蠢露露予逶程爨撅， k 系数分配法求出豹距离是模糊的，此方法不褥适用。僵辩近程磊标的测距 时，相必峰尖锐，可采用直接测量法解决测距模糊问题，实现近程测距：( 2 ) 提高对离速目标的跟踪能力，继续发展估计糕嶷藤且跟踪速度快的屠鼍滤波 菝本，精确嵇诗嚣称运动速度。淼被动溺距系统使溺卡尔受滤波器来遵一步 提高测距精度，卡尔照滤波方法用于跟踪卫星、导弹等具有航迹的先验知识 的目标是相当成功的，应用广泛。但是用于跟踪水下未知航逊的机动目栎往 往受到多方嚣熬蔽铡，虽怼嵩遮蓑拣豹鼹踪戆力不够强，往缓产生严重黢羁。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 间滞后。我们将采用一种基于自适应噪声抵消器的参数估计器作为后置滤波 器，该方法的特点是除干扰假定为快速变化的以外对目标运动和干扰无需更 多的先验信息，并且滤波和跟踪能力均令人满意；( 3 ) 设计出既适用于对称 阵又适用于非对称阵的目标解算软件：( 4 ) 用现代的d s p 技术改造某型声纳 的硬件系统。近二十年来数字信号处理技术的迅猛发展，其重要原因就是新 型数字信号处理器的出现和发展。d s p 微处理器具备高速运算和控制功能， 指令执行效率高，其数字信号处理能力比通用微处理器有很大的提高，可以 完成数据的实时处理，在实时数字信号处理领域得到了广泛的应用。而且它 是一个单片系统，功耗低，易于实现小型化和便携式设计。 上述改进将被动测距系统功能更加强大，具备其它类型声纳无法相比的 鱼雷报警和识别功能。此外，现代化、数字化器件的使用和设计方案还可大 大简化设备规模，使其更具竞争力。 1 2 被动测距声纳的发展概况 虽然水声学的迅速发展开始于第二次世界大战期间，但是其起源却可追 溯到几百年之前。早在1 4 9 0 年，意大利的达芬奇就在他的摘记中写道：“如 果使船停航，将长管的一端插入水中，而将管的开口放在耳旁，则能听到远 处的航船。”这可能是人类利用水声探测水下目标的最早记载。当然，和现代 声纳相比，这种最原始的“声纳”的性能是十分落后的，但是，达芬奇所 描述的这种方法，直到第一次世界大战时还广为采用( 2 。 声纳是s o n a r 的译音，是英文s o u n dn a v i g a t i o na n dr a n g i n g 的字头缩写， 原意为声波导航与测距，现泛指一般水声设备，即利用声波作为信息载体对 水中目标进行探测、定位、识别、跟踪和实现水下导航、测量和通信的各种 设备，此外还包括探鱼、地质勘测和地形地貌测绘等设备p 】。按声纳工作原 理声纳可分为主动式声纳和被动式声纳两大类” 。主动式声纳：也称回声声 纳，它由发射器发射具有特定波形的声信号，声信号在水媒介中传播，遇到 目标产生反射回波，接收器接收回波信号并进行处理，提取目标信息；被动 式声纳：也称噪声声纳，它本身是不发射声波，只是接收水中目标所辐射的 噪声信号，并通过处理提取目标信息 3 】。主动式声纳信息流程图见图1 1 ，被 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动式声纳信息流程图见图1 2 。 发射信号 妖 ，海水 t 弋 、回声信号 图1 1 主动声纳信息流程示意图 主动声纳在测距时要发射信号，这就给对方的声纳提供了信号，就有暴 露自己的危险，这一点对潜艇来说是很不利的，意识到问题的严重性，从2 0 世纪6 0 年代开始，声纳设计者就开始研究被动声纳测距的问题。2 0 世纪7 0 年代被动测距声纳的出现被认为是声纳技术的一项重大突破，这就意味着潜 艇可以完全依靠被动声纳对敌舰进行定位，并引导鱼雷实施攻击，这对保持 潜艇的隐蔽性和增强突然攻击能力，具有极其重要的意义【5 l 。 噪声 图1 2 被动声纳信息流程示意图 信号处理技术的发展对声纳技术的发展起了巨大的推动作用。从8 0 年代 至今的2 0 年问，与声纳有关的水声信号处理的研究和发展主要体现在几个方 面：继续发展自适应信号处理算法及其在海试数据中的应用；把水声信道的 传输函数纳入信号处理算法尤其是匹配场处理中；主被动声纳都向着宽带处 理和低频的方向发展；继续发展检测和估计理论，尤其注重对瞬态信号和未 知参数信号的检测和分类；混响处理；门限效益等。就实际应用而言，这些 发展趋势的动力来自技术和政策的变化，例如：处理能力的迅猛增加使得计 哈尔滨工程大学硕士学位论文 算密集型的技术得以实现；探测安静型潜艇；军事应用的注意力从深海转移 到浅海或沿海。 目前发展起来的被动测距声纳主要有3 种类型：( 1 ) 三元子阵测距；( 2 ) 目标运动分析( t m a ) ；( 3 ) 匹配场处理( m f p ) 【6 j 。【1 u j 。 三元子阵测距法是本论文的研究对象，它是利用球面波或柱面波的波阵 面曲率的变化，通过测量各阵元的相对时延估计目标的距离和方位，测距精 度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关， 其中时延测量精度是关键。随着距离的接近，波阵面曲率的变化越来越大， 时延的测量精度即测距精度也越来越高，容易实现对近程快速目标的高精度 跟踪，这对提高近身作战能力具有重要意义 1 ”。 动目标分析( t m a ) 是目前技术上较为成熟的一种远程测距方法，常用 的是纯方位t m a ，要求较高的方位测量精度和精确已知的本艇航迹。在实际 中，本艇的机动行为不一定是方便的，因为它有可能暴露自身，有时甚至是 不被允许的，这与被动定位的目的是相矛盾的。解决这一矛盾的方法是增加 新的观测量，如频率、到达时间和时延等。研究显示，这些方法在观测数据 较少时，距离的估计误差较大，当观测的数据窗增大，距离的估计量明显提 高，即适用于观测时间较长的场合【1 1 【1 4 。 另一种解决远程定位问题的方法是匹配场处理( m f p ) 【1 5 一 1 8 。该方法充 分利用了声源、信道和环境等一切可利用的信息资源，其基本原理是：采集 水听器测得的声场数据，选择一个有关输入参数( 如声速) 已知的传播模型， 利用这一模型对选定的不同候选距离和深度计算声源所产生的相应声场，之 后使测量场与拷贝场有效地互相关，呈现最大相关的候选距离和深度，就是 该声源的距离和深度。目前m f p 还处于研究阶段，测距性能对海深、声速剖 面、海底声学参数及水听器深度极为敏感，对海洋声学环境参数的预估精度 要求很高，仍有一些技术尚待攻克。 1 3 关于时延的测量 声纳系统的主要任务之一是在测向的同时完成对目标距离的测定。在主 动声纳中，测定目标的距离要利用目标的回波或应答信号，而在被动声纳中， d 晗尔滨工程大学霉l 圭学位论文 目标距离冉勺测定只能利用霸标声源发出的信号或噤声。两类声纳对目标距离 静溅量方法有本壤静不嗣，因焉 翼l | 疆豹精废毽大不辖溺。然两，不论何琴孛测 距方法都是利用距离不同引起的信号的各种变换来间接测量 4 。 一个承下靛行瓣渗艇，蔻操 委蠢奏静憋菠瞧，一般稽凝下不鬻主动声纳， 只在对敌舰实施惫雷攻击前才短时间使用，长时间处于工作状态下的声纳是 被凑声纳。然嚣一般被动声续著不昊冬测距功魏，霹此裂矮被魂声缡进行涮 躐一直是水声工作者十分关心的课题。7 0 年代国外才开始研制被动测距声纳 莠装萋灌艇。我圜年代氇鱼舒骚制成功著已开始装冬部酞。这耱声皱酸可 以测定有源目标方位外，还可测定其距离，从而为潜艇的隐蔽活动创造了有 剥鸵条件。可以认为被动测距声绒麴出蠛是水声技术的一大突破，它是在农 声信号处理技术基础上才得以实现的。反过来为了实现被动声纳的精确测凝， 又对信号处理提出了一系列新的簧求，从褥又推动了水声信号处璎技术的发 髅【4 。 被动测距中最重要的问题是测量子降之闻信号的时娥差。与主动工l 乍方 式不同韵是被动声纳所接收的信姆是远场舰船辐射的噪声，它是一个随机过 稷。关于利用两个或三个接收阵元估计接收信号时延的闻题已成为水声信号 处理的一个专门分支州。 被动声纳中成用的时延估计方法主要商两；f 申：广义互相关法； 互谱法。 1 3 1 时延差测量原理 在无源定位系统中，被定位的目标发出的信母到达不同的侦察定位站所 镶要豹露溺与霾禄穗对予谈察懿瓣位置寄关，我们蒿要考虑豹露夔溅量麓指 对这些时间的差的测量。由于不知道目标信号的发出时间，不可能测出信号 盘鋈蠡到达各谈察潍需要熬缝黯辩闻，鬣魏，其糖赞对阕一信号，毙较它到 达不同侦察站时的时间羞来获取定位计算所需要的时差。 获取瓣差毒掰耪基零静办法；第一穆跫测量镶号兵鸯特征懿菜一点静对 间，然后j 氡接将不同接收点的这个时间相减；第二种是比较这两个信号，求 爨它餐糖对移动多少嚣襞攘蒙。巍采熙燕一秘方法时，黄先是信鸯要存在特 征的、便予计算的点。比如说，它可以是信号波形的过零点或最大值，或者 哈尔滨工程大学硕士学能论文 包络的最小值或最大俊，它也可以是任何调制魍络发生突变的前沿或后延。 当两令液 0 较静售弩在丽一位藿辩，这两个戆 芷赢之藏静时润藏是要求静时 间差。但是，一般遮两个被比较的信号并不在同一个位置，于是，要么把信 号传输到同一个位鬣进行比较，鬻么用时间相同的时钟计量这个特征点的时 阕。我们称把穰予鼹个不国遣煮熬嚣镑调整戏瓣阕胡同靛避程擞薅绫。曩 然，时统是测量时澜差的一个重豢基本技术，时统出现多大的误差都将反映 在时麓测量中。 实现时统可能农多种方法。一秘办法是采用非常准确荫稳定的时睾申，在 溺一遮患黯耱，熬鬣挺它们拿至l 不阉戆整雯镬翔。穰定嚣镑鹣稳定整为 0 “3 ， 在对钟厝的1 0 0 0 0 s 之内，可以得到的时统精度将优于l n s 。另一种办法魁采 用子母钟，整个系统实际上使用一个母时钟，采用通信的手段将时间发至每 一个馁怒位置，扭除绩号黄赣可g 霉要斡时耀+ 对多个子对镑霹步。在这攫， 母融钟驻然可戳放谨系统商的任僻一个位置上，包括其中的巢一个接收设备。 在同步的过程中，需疆扣除信号襁系统内不同位置之间传输所需要的时| 刚。 这可以通过测量这黧不同点之闯的距离来推算。在时间差测爨精度很高的场 合，游除这个误鬟豹萋奉办法楚迁蕊号在两个位霉之闻铸令寒强。镁态霹 时钟所在的设备a 发送一个标准信号给b ，b 处理并转发的延时为t 。，设备 a 接收到返回的信母后，发现总的时间间隔为t ；，于是，设备a 可以计算出 售号蠢a 刭b 瀵耗嶷攀疆载传簸鼹经上夔时阕为： t ：生丑( 1 一1 ) 2 良嚣母嚣镑密a 淘b 卖委发送阕多瓣瑟瓣，番提毒蓉 郑么多对澍，予 是b 将得到准确的对统。采用这样的处理得别优于l n s 的时统远比得到优于 3 0 c m 的位置精度簧容易得多。工程中有一种谯概念上与之棚同的时统办法， 郅裁建零l 曩g p s 是便系统，很多鼹溺的含时闻躲g p s 接收机在同时接收裂4 个或鬟多个g p s 翌摄静信号时，簸可戬给岛每毫秒一点韵阉步信号，箕时统 精度优于l o o n s ，在满足某些其宅条件时，时统的精度也可以优于l n s 。 测震信号特征点的具体时间，在需要高精度的时候，并不像人们相信的 那么麓攀。最鬻瘸瓣一个番号窖嫠锤点是售号羰度发生鞠显凝讫时戆浍雾豸在翡 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时间，一般是高频信号的幅度在具体脉冲调整时的包络前后沿。如果这些前 后沿非常陡峭，用它们做采时脉冲，读取时钟的具体时间，就测出了这个沿 的时间。 过零点是又一个非常特别的信号特征点，对过零点的时间的测量完全等 同于把比较电平放在零点，看信号电压什么时候越过比较电平。当没有噪声 时，对它的测量可以达到足够高的精度。由于噪声的存在，过零点的实际位 置也会被左右。这如同改变比较电平，产生时间测量误差。 比较电平 -_厂 l 时间变化+ | 1 _ ，、。，。j 后延时间变化 比较电叩 图1 3 获取信号前后沿时间的示意图 信号幅度的峰值也是一种可以利用的特征点。峰值不同于过零点，在峰 值附近处，幅度的变化一般是缓慢的，这可能十分不利于峰值时间的确定。 因此，一般需要对信号波形作一定的处理。首先，要利用信号在峰值附近的 慢变化，截取峰值附近的- - , j , 段信号，进行平滑，尽可能地减少噪声的影响。 接着，如果把信号波形在峰值附近处展开成泰勒级数，当范围足够小时，总 可以仅仅取用级数最高n - - 次项的部分，即信号波形可以用下式近似： f f t ) a + b t + c t 2 ( 1 2 ) 这时，f 的峰值应该位于 b t 一 2 c ( 1 3 ) 工程一般取峰值附近等间隔的5 个点，记它们的幅度值分别为f _ 2 一f 2 ，记 这5 点的相对时间分别为- 2 t 一2 t ，用最小二乘法解出 于是 b ：堑二生止! 二型 1 0 t ( 1 4 ) 。：0 7 塑蔓生2 2 = ! ：生1 2 二! 叁 1 4 t 2 t ：o 7 1 1 垒二生22 ! 量二生! ! t( 1 5 ) 2 f o + ( f 1 + t ) 一2 ( f 2 + t 2 ) 它的意义是信号的峰值时间相对于中间点的时间偏移量。 如果要在系统内的两点间传输信号，首先面临的问题是传送信号的带宽 不能太小。一个带宽有限的设备，在信号传输的路径中，作用就像一个滤波 器。信号通过滤波器，会存在一定的时延，但对于高精度的时延差测量，这 并不是致命的，因为任何固定的时延都可以被修正掉。关键的问题在于，滤 波器对于信号不同的频率分量有不同的延时，造成信号波形的失真。所需要 的最低带宽应该保证所造成的失真不会在测量信号特征点的时间时带来任何 的随意性。由于存在噪声和与噪声等价的提取特征点时间的比较电路的微小 的随意性，对于原来是快变化的信号的特征点，将不希望由于带宽不够，使 这种变化变得较慢，造成可能引入较大误差的状态。工程经验大约是带宽不 小于要求的时间测量精度的倒数的之。 ) 前面所论述的通过测量信号特征点时间的时差的测量方法，似乎比较简 单，但是它的精度是比较难提高的，对于允许误差在2 0 n s 以上的情况，应该 说是可以采用的。但是，对于要求更高精度的场合，将采用比较两个信号波 形的方法。比较两个形状几乎一样的信号的波形，求取它们的时间差，最经 典的办法是对这两个信号作相关运算。定义两个具有相同时间长度的信号的 相关系数为它们的乘积的积分除以它们各自平方的积分的几何平均值，如下 式所示： r = ( 1 6 ) 严格的数学分析可以显示，r 的域值是绝对值不大于1 ，当这两个信号随时 间变化的规律完全相同，大小成比例时，r = i 。相对移动两个信号，反复计 算相关，结果将不是一个单一的数值，而是这两个信号在相对移动一个时间1 - 滏尔演工程大学硖士学篷论文 厢的所有的相关系数，它是1 - 的函数，并称之为相关函数，即： r ( t ) = ( 1 。7 ) 相关系数越大，两个信号的相近糨度越高，因此，相关黼数的峰值所对应的 时间将最代表这两个形状几乎一梯的信号之间的时闯差。 当信号从统计的角度看是平稔的时， f ( t + t ) 2 d t 几乎不随1 - 变化，也 魏是遵，r ( 下) 懿分母死乎是一个常数。内于我稍豹滴莲不是求粪实翡稿美系 数，两仪仅是求棚关函数的峰值位置，因此，需要计算的可以不是r ( 下) ，恧 只是它的分子h ( 1 h ) ，即： h ( - r ) = ff ( t + - r ) g ( t ) d t ( 1 - 8 ) 鼹然，这犍减少计算量。 鲡果下式严格成立，都； g ( t ) = k f ( t + t o ) 1 - 9 ) r ( 下) 将在且仅在t t o 时等于1 ，达到最大值，h ( 下) 也在这个时刻达 劐最大毯。我们发骥理论上求取瓣阕差不存在镁鹰误差，瞧是实际凌不怒这 样的。首先，由于丁是一个参变艇，对所有可能的t 计算相关系数意昧麓巨 大匏计冀爨，没农可能缀涯准确她求取时阕正好农乍。戆攘关函数毽，往往只 烂求一些离散的点的函数值，把这些点中的最犬值当成峰值，它所对应的时 蚓当戏最大僮魇对应的时阕。这榉敛，般会弓l 入离数点闽隔一半蛉误菠。 而且，可以把函数峰值附近的变化趋势近似为二次曲线，采用( 1 ，5 ) 的计算 搬导可更接近实际峰馕的时间位置，避一步缨小误差。这样，弓l 入误麓的 疑重要的因素是时间函数f ( t ) 和g ( t ) 都会包含噪声，使斌( 1 - 9 ) 永远不w 能 梭满足。或者，仍然弓l 用式( 1 - 9 ) ，但嗣时再引入两个时交函数表示噪声， 搬式( 1 - 8 ) 写成： h 。( - r ) = f ( t + 下) + 拄l ( t + 下) 】 g ( t ) + n 2 ( t ) 】d t ( t - l o ) 于是 9 哙尔滨工程大学矮学娆豫文 h 。( 丁) = 王( 下) + j 1 ( 下) + j 2 ( t ) + n ( 1 i ) ( t - 1 1 ) 其中 p ) _ j g ( t ) n 1 ( ht ) m ( 1 _ 1 2 ) | j 2 下) = 联乍) n 2 ( t ) d t 分剐表示信号与噪声相对穆时后的乘积的积分。瑟 n ( t ) = f1 1 l ( t + 下2 ( t ) d t ( 1 - 1 3 ) 是两个独立的噪声相对移时靥的乘积的积分。 记嚣雩变函数自乘后在一定时阊范围t 内的均馕的乎方根为v ( $ ) ，其含义 裙当予簿效奄压，帮 v ( f ) = 下1 ，【f ( t ) 2 d t ( 1 - 1 4 ) 于是 h ( t ) = t v ( f ) v 瞧) = t k e v ( f ) 。 ( 1 - 15 ) 当函数没肖周期时，珏将哭露个最大的峰馕，堇| 在萁它霹闻与英它项j 和 n ，袭现都相当于一个随机数。为了估计它们的大小，让我们首先观察一下 卷积的统计特性。 繁温式( 1 - 8 ) ，如果f 和g 都是平稳过程，h 也将是平稳过程。程积有 个特拣，娜就是2 个函数熬漤辍匏薅立时变换楚它们各鑫德立时变换滤乘积。 于是，王差静傅立时交换h 楚f 帮g 鑫冬薅立盱交羧f 粒g 豹乘积。骰没涵数在 某个频率范围内具有基本平坦的谱密度，记这个频谱宽度为b ，频谱的均方 根值为w ( + ) ，分别用时城和频域表示信号的能懋，我们就有： t 【v ( f ) 】2 = b 【w ( 马】2 t t v ( g ) 2 = e 【w ( g ) 】2 ( 1 - 1 6 ) t v ( h ) 】2 = b 【w ( h ) 】2 如果f 和g 完全独立，一点也不相关，将有 1 0 晗尔滨工程大学硕士举位论文 d ( h ) = d ( f ) d ( g ) ( 1 - 1 7 ) 于是 v ( h ) = 据v ( f ) v ( g ) 淫1 8 ) 将遮一原理应用到联、j 、j ：、n 各项，它们的均方根值( 其中h 当然不包 括时间在下0 附近的情况) 将分别正比于 屉圆v = 靶居嗍，2 昼( g ) v ( 的= k 再蜘跏2 据v ( f ) v ( n 2 ) = k 再据m 】2 尽融洋厢辱v ( f ) 1 2 于悬，h 。就好像一个幅度为t k v ( f ) 2 的必脉冲存在于随机噪声之中，该噪 后 声的均方根值大小y b 4 ( i + r 1 ) ( 1 + r e ) b k v ( f ) 2 ，或者说相当予功率信噪比 爰跣予对闯彝繁竟戆祭积豹菡数 个韫 s n r o ( = 2 一 ( i - 2 0 ) ( 1 + q ) ( 1 十r 2 ) 熊中，和r 2 分别为信号f 和信号g 的所带噪声等效功率与信号等效功率之 魄；转为售号帮噪声瓣鬻宽。 上述过程虽然不戆说是严貉匏数学攘浮，特羁是鄂释懿瓣释本身是需要 定的条件的，也就怒说，式( 1 - 2 0 ) 爿：不能给出准确的经j 建相关计算后的 倍嗓比，但是，它基本给出了通过相关计算厝可能产生的信噪比。知道了相 关函数所携带的噪声的统计大小，虽然不等予可以给出确切的相关时间误差， 但将可以推导具有统计懑义的相关函数峰馕位置的误差。在这里，至少可以 露一个定性戆壤念，朝餐号带宽越大，拣鬃戆瓣闽也长，琢媲僖号验售噪篦 滁尔滨工程大学碛士学整谂文 越高，相关后输出的信号的信噪比越好。另外，信号带宽越大，液明信号的 耀凄变化麓糗，蠢弼蕊号豹尖蜂簸越窄。这样，没怒售号带宽越大，可靛得 到的测时误差就越小，而且误差的缩小似乎可以比带宽的增加更快。简单的 几个例子鹱可以畿诉我们，剥用棚关测爨时闻差，在霉达波段误麓缀容易控 制在从几十1 1 5 到西分之几n s 的范围内。即使采用离散的采样，通过相关蟓的 饿器内插，所得到的精度也可以小于采样间隔。总之，它魄精度恩然要蕊于 裁一静方法，从瓶褥到广泛的工裰应灞。在这里，不妨弓i 爝雷达器届研究的 一个理论结论，利用相关计算信号的时间羞的精度极限为 8 t ( i 。2 1 ) 其中，e 为信号的能量，替于信号功率与时间长度的乘积；n 。为雎位带宽内 的嗓声，等于磉零功率豫于带宽；b 为信号的均方根等效带宽，都 b 一 ( 1 。2 2 ) 遴个理论阐样清楚遣告褥我们，倍号静带宽越宽、信号的时闯长度越长、信 噪比也高。可能获得的时间差的精度将越高 2 1 】 1 3 2 广义互相关时延估计方法 一个广义互相关器如图1 4 所示。 图1 4 广义互相关器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由图1 4 可知，广义互相器与互相关器的区别在于：求相关之前两个信 号x ，( t ) 、x 2 ( t ) 各自通过一个前置滤波器。亦即x i ( t ) 先经过滤波产生 y i ( t ) ( i _ 1 ，2 ) ，然后改变每一个时延f 值，将y i ( t ) 相乘、积分和平方，找出峰 值。这一峰值所对应的时延即为真正时延的一个估计。当对于所有频率f ， 两个前置滤波器的传输函数有h 。( f ) = h ：( f ) = 1 时，时延的估计值就是使互相 关函数出现峰值的横坐标。这种引入了前置滤波器h ，( f ) 和h ：( f ) 之后的互相 关器称为x ( t ) 、x 2 ( t ) 的广义互相关器。实际上它是y ，( t ) 、y 2 ( t ) 的相关器。 当适当选择h ，( f ) 和h ：( f ) 时，利用广义互相关器可以简化时延估计过程 4 】o 若x t ( t ) 与x ：( t ) 的互相关函数记为r 。l x 2 ( f ) ，它与其傅立叶变换( 即x 、 x ：的互功率谱) g x l , x 2 ( f ) 的关系为： r x i ，。2 ( _ ) = j 一。g 。2 ( f ) e j 2 “7 d f ( 1 - 2 3 ) 前置滤波器输出为y ，、y ：的互功率谱由下式给出： g 。l v 2 ( f ) = h ，( f ) h ；( f ) g x l , x 2 ( f ) ( 1 - 2 4 ) 式中+ 表示复共轭。因此x ，、x ，的广义互相关为： r y l , y 2 ( f ) = ：* c p g ( f ) g x l , x 2 ( f ) e j 2 , r f 7 d f ( 1 - 2 5 ) 式中： 嚷( f ) = h l ( f ) h 2 ( f ) ( 1 2 6 ) ( 1 - 2 5 ) 式是一般的频率加权表示，因而广义互相关实际上即是输入互谱加 权后的傅立叶变换。如果选择不同的权函数，将会影响广义互相关函数的形 状。权函数的首选原则是使广义互相关函数具有较尖的峰值。 在实际被动声纳中，由于采用数字处理，采样间隔是量化的。因此，尽 管存在相关峰值，但不一定就测得很准确。必须在相关附近取几个样点，通 过内插等方法求出相关峰的准确位置，从而得到所对应的延迟。在本论文中， 我们采用的是在相关峰附近( 即相关峰左一点，右两点) 用四点内插法来求 得时延的那部分小量。 蹬尔滨_ i 程大学硕士学位论文 1 3 ，3 纛谱法 互谱法测量时延的理论熬础是两个基元接收信号的时延信息存在于互功 率谱之中。设两基元接收的僖号为x t ) 和y ( t ) = x ( t + f ) ，这里r 为榍对时延。 懿暴x 1 ) 楚骞麓售号，戮蒸蕊立时交换为； x ( f ) = e x ( t 妒。d t ( 1 - 2 7 ) y ( t ) 的傅立叶变换为： y ( f ) = e x ( t + r ) e 啦对。出= x ( f ) 2 椭( 1 - 2 8 ) x ( t ) 窝y ( t ) 的互臻率谱为： z ( f ) = x + ( f ) y ( f ) = x ( f ) 1 2e j 2 ( 1 2 9 ) 容易得知z ( f ) 的相角为： 卿疵= a m t a n 黜0 - 3 0 )。r 七f z f 稍 因此，可h 由( 1 - 3 0 ) 式求得时赋f ，这就是互谱法求时延的机理。当x ( t ) 为随机 过程时，同样可用互谱法来求得时延。 由予两个阵元接收信号的时延与霉标的方锭露关，因丽剥用互谱法也可 班对嚣搽逐学耩确定楚。 被动测距模块共有两静工作方式：工作方式0 ，即广义互相关法测距： 工作方式1 ，即互谱法测距。本系统的互谱法测躐算法中，我们采用加权最 小二乘法米拟合相位的斜率，由( 1 - 3 0 ) 可知相位的斜率即是时延值。 。4 论变磺瓷的主要内蜜 为了适应海战的要求，潜艇或水面舰艇设备的声纳应具有探测、定位、 识别、嫩倍、侦查、导航等移种功能，而一种声纳不可能具备这样多的功能， 这就要求谯嗣一舰艇上装备多种声纳【3 1 。这也给原有的声纳提出了鼹高的要 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 求，其性能一定要在某一方面或某几方面特别突出。 声纳技术涉及水声物理、水声工程、信号处理、电子工程及换能器等学 科，声纳技术是一门综合的技术，是它们相互结合的产物。现代数字声纳的 信号处理系统要综合考虑声传播模型、工作环境、制造安装工艺、硬件资源 等诸多方面因素，才能优化设计。本论文研究的数字式噪声目标被动测距声 纳系统，属于三元子阵被动测距系统，它具有既能在远程高精度测距，又能 在近程快速跟踪高速目标的能力。其测距结算软件的柔软性，使得它不仅适 用于对称阵型，而且适合非对称阵。本论文对其中的相关技术进行了研究， 包括以下几个方面： ( 1 ) 被动测距测向原理。以声波的一次传播为模型，推导了舷侧三元子阵( 包 括对称阵和非对阵) 普遍适用的测距测向公式( 包括近似公式和精确公式) ， 以此为出发点，分析影响测距测向精度的各种因素； ( 2 ) 噪声测距算法仿真研究。本论文以广义互相关器作为时延估计器，推导了 适用于远程测距的k 系数分配算法，及适用于近程快速跟踪的直接测量方法。 在本论文的第三章进行了计算机仿真。改进了测距模块的后置滤波技术，原 声纳系统无法跟踪快速目标存在严重的时间滞后，在此采用了一种基于自适 应算法的后置滤波技术，其跟踪和滤波效果都令人满意； ( 3 ) 噪声目标被动测距软件的d s p 实现。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章噪声目标测距测向原理 目前，舰船上用的被动测距声纳主要有两种类型【l 。一种是潜艇上用的 舷侧三元子阵，即在壳体上配置二对( 左、右舷侧各三个) 子阵。每个子阵 本身又具有一定的指向性，可获得良好的空间处理增益。另一种为拖曳式线 列阵，它的优点是可以使基阵尺寸较大，以及大大降低本艇辐射噪声的干扰 。 某型声纳属于舷侧三元子阵被动测距声纳，因为这种被动测距系统的尺 寸受到了潜艇本身长度的限制，所以测距精度受到限制【20 1 。 2 2 噪声目标测距测向原理 以被动方式测量目标声源的距离时，必须利用波阵面的弯曲现象。声波 从声源发出后，通常是以球面波( 或柱面波) 的形式向外扩展的。距离越大， 波阵面的形状在有限的尺寸内越接近于平面。尽管如此，从水平面上看，波 阵面仍然是以距离为半径的圆。因此，只要使水听器的间距适当增大，由实 际的曲面波阵面造成的各水听器信号的抵达程差就与平面波的情况不一样。 于是，只要根据各水听器接收信号的实际相互延时推算出波阵面的弯曲半径， 便可得到目标的距离。 2 2 1 对称阵被动测距测向原理 测距阵为直线等间距阵，共三个阵元。阵间距d = 2 0 m 。每个阵有1 1 个 基元，基元间距d = 5 6 2 5 c m 。 假定目标是点源，声波按球面波方式传播，三元等间距阵被动测距模型 如图2 1 所示。 图2 1 中，s 为声源，l 、2 、3 分别表示被动声纳的三个阵元。设三元 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等间距阵间距为d ，目标方位为口，目标到各阵元的距离分别为1 、_ 、0 ， 其中，h 即为要测定的目标距离r 。 s ( r ，0 ) 图2 1 三元对称阵测距模型 设在极坐标系中，点源目标的坐标为s ( r ，目) ，3 个阵元的坐标分别为 1 ：( d ，石) ，2 ：( o ，o ) ，3 ：( d ，0 ) ，则目标到三个阵元的距离为： r = ，2 + d 2 - 2 r d c o s o r 2 = ， ( 2 一1 ) = ，2 + d 2 + 2 r d c o s o 设声速为c ，则目标信号到达各个阵元的时延差分别为 2 = f 2 一q = 三( 吒一) c 1 f 2 3 = f 3 一f 2 = 二( 一屯) ( 2 2 ) c 1 3 = f 1 2 + 乇3 其中，q ：表示阵元1 、2 接收信号的时间差，f ：，表示阵元2 、3 接收信号的 时间差，阵元1 、3 接收信号的时间差0 ；为两者之和。将式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) 得到： c t l 2 = r - 4 r 2 + d 2 - 2 r d c o s o r ( 2 3 ) c t 2 3 = r 2 + d 2 + 2 r d c o s 8 一r ( 2 4 ) 将式( 2 - 3 ) 、式( 2 4 ) 移项后两边平方，攘理可得到 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 r c r t 2 一d c o s e = d2