（水声工程专业论文）互谱法被动测距改进研究.pdf

哈尔滨工稷大学博士学位论文 变化缀妖时产生严繁滞蜃现象。因此本文采用豹是基于鸯邋应噪声抵清熬参 数话诗瓣。这个滤波器由两个掰一声滤波器翻囊适应嗓声抵消器构成。实验 证明，选择适当的搿和口系数，就能得到一个合适的滤波性能好，跟踪能力 强的后鬣滤波器。 疑终本文实凌了互谱法改送繇究算法戆d s p 硬臀楚蓬。宠或了黠稼簿蠲 非对称阵被动测距的现代化改造。实现了被动声呐的全程测距和对快速弱标 的跟踪。在近程测距中，实现了潜艇尾部测距缩小盲区。原测距系统在3 0 。 1 5 0 。范豳溅距。改逡露的互谱测鼹在3 公里黠，髓对2 0 。1 6 0 。范围测距，3 0 0 米时，熊对1 0 。1 7 0 。范围测疆。测距楣对误蓑小于5 。大大提高了潜艇的 机动性。 关键词；互谱法被动测距；时延估计；鱼雷线谱；后置滤波：缩小测距肖区 i i 。；。；型墼垫墼彗：i 篓圣；一。；。；。； a b s t r a c t n o i s ep a s s i v e r a n g i n gi sa l w a y sa na c t i v er e s e a r c hp r o b l e mi n u n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n gd o m a i n h o w e v e r ，t h ep r op a s s i v e s o n a ru s e dm i d d l e s m a l li n t e g r a t ec i r c u i tw i t hah u g ef r a m e ，a n di t c a no n l yr a n g ef a rt a r g e t sa n dc a n n o tt r a c km o v ef a s tt a r g e t s ，s u c h a st o r p e d o i tc a n n o tm e e tt h em o d e r nn a v a lb a t t l e w i t ha c o u s t i c s ， s i g n a lp r o c e s st h e o r ya n de l e c t r o nt e c h n i q u ed e v e l o p i n g ，w ep o s s i b l e c a ne m p o l d e ram o r ea d v a n c e dr a n g i n gs y s t e m 。 i tf i r s tm a i n l yp r o b e si n t ot h et h e o r yo fp a s s i v ed i r e c t i n ga n d r a n g i n g ，t h e na n a l y s e s s o m ek i n d so fe l e m e n t s t h a ti n f l u e n c e t i m e - d e l a ye s t i m a t i o n ，f i n a l l yg e t sa no p t i m i z e dr a n g i n gf o r m u l af i t b o t hf a ra n dn e a rt a r g e t si nt h i sp a p e r s 。 i tt e s t sm a n yw a y so ft h ec r o s s s p e c t r am e t h o dw i t hs i m u l a t i o n ， s u c ha sc h o s et h ew e i g h to f1 e a s t s q u a r ee s t i m a t e ，c h o s et h el e n g t h o fc o r r e l a t i o nw i n d o wa n df o u rf r e q u e n c yd o m a i n sc o l l i g a t e 。 i tw o r s et em e n t i o na b o u tt h a ti tw i l li m p r o v e g r e a t l yt h e p r e c i s i o no ft i m e d e l a ye s t i m a t i o n ，i ft o r p e d o1 i n es p e c t r ae x i t s s o m es i m u l a t i o nr e s u l t si sg i v e nw h i c ht h es y s t e md e t e c t i n gt h r e s h o l d d r o p sd o w n 3 d b a n di m p r o v e sb e t ht h ep r e c i s i o na n dq u a l i t yo f t i m e d e l a ye s t i m a t i o n ，b e c a u s ee s t i m a t i o ni n v a r i a n e ed r o p sa n dt h e m e a no fe s t i m a t i o na p p r o a c ht h et r u ev a l u e t h ec a l c u l a t et i m ei sc u ts h a r p l yd o w ni nh a t d w a r er e a l i z a t i o nw i t h d i r e c t i n gs y s t e mi n d u c t i n gr a n g i n gs y s t e m 。o n e o r d e rl i n e a rr e c u r s i o n f ii t e ri su s e dt of i l t e rt h ec o r r e l a t i o nf u n c t i o n b e f o r e p o s t p r o c e s s o r ，w h i c hi m p r o v et h et i m e - d e l a ye s t i m a t i o np r e c i s i o nt o s o m ee x t e n t 。 i i i 咯尔滨工程犬学博士学位论文 a sw e i ik n o w n ，i ti si m p o r t a n tt od e f e n dt o r p e d oa t t a c kf o r s u b m a r i n e t h e na nf i l t e rb o t hf i i t e r i n ga n dt r a c k i n gw e l li sn e e d e d at r a d i t i o ns o n a ro f t e nu s e dk a l m a n f i l t a ra sap o s t “p r o c e s s o rw h i c h i m p r o v ep r e c i s i o nw i t hl o n gi n t e g r a lt i m e ，h o w e v e ri tw i l lb r i n g 咎 s e r i o u sl a gi ft a r g e t sm o v ef a s t ap a r a m e t e r e s t i m a t o rw i t ha d a p t f i i t e ri su s e di nt h i sp a p e r ，c o n s i s t i n go ft w o 球一声f i l t e ra n da t 3 a d a p tf i l t e r ap o s t p r o c e s s o rc a nb eg o ti fw ec h o o s ep r o p e rda n d 席 c o e f f i c i e n t a tl a s t ，t h ec r o s s s p e c t r ao p t i m i z e dm e t h o di sr e a l i z e di nd s p i ta p p l yt ob o t hs y m m e t r ya r r a ya n da s y m m e t r ya r r a y t h eo p t i m i z e d r a n g i n gs y s t e mr e a l i z e sw h o l er a n g i n ga n dt r a c k i n gm o v i n g f a s tt a r g e t s i nn e a rt a r g e t sr a n g i n g ，t h eb l i n dz o n eo fs u b m a r i n et a i lr a n g i n gi s s h o r t l yc u td o w n 。t h ep r or a n g i n gs y s t e mc a nr a n g ef r o m3 0d e g r e et o 1 5 0d e g r e e a f t e ro p t i m i z e d ，i tc a nr a n g ef r o m2 0d e g r e et o1 6 0d e g r e e f o r3 k mt a r g e ta n df r o ml od e g r e et o1 7 0d e g r e ef o r3 0 0 mt a r g e t ，w h i c h o n l vh a saa p p r o x i m a t ee r r o rl e a s t5 i ti sv e r yu s e f u lf o rs u b m a r i n e k e y w o r d s ：p a s s i v er a n g i n gw i t hc r o s s s p e c t r a ；t i m e ”d e l a ye s t i m a t i o n ； t o r p e d ol i n es p e c t r a ；p o s t p r o c e s s o r ；c u td o w nr a n g i n g b l i n dz o n e 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) 壁堡塞 h 期：跏侔o 月文f i e i 第1 章绪论 第1 章绪论 被动测距声呐系统是利用牧能器基阵接收的目标辐射( 嗓声) 信号来估计 目标距离的，其关键在于高精度的时延估计。本章阐述了论文的立题背景及 意义，筵摹套缨了声呐粒发展概况，对时延德诗方法进嚣了壤述，最后贪缓 了论文的主要研究内容。 1 1 声呐的发展 声波是观察和测厘的熏要手段。有趣的鼹，英文“s o u n d ”一词作为名词是 “声”的意思，作为幼词就有“探浏”的意愿，胃丽声与搽溺关系之紧密。 隶声学是声学熬一个分支学科，它妻簧骥究声渡在承下魏产生、馋捺帮缓 牧过程，用以解决与水下霸标探测和信愈传输过程有关的声学闯聪。水巾进 行褒褰帮溅量，褥灭独器豹跫攀渡。这楚出予箕链探溅手羧黪俸鬟踅囊熬缀 短，党柱水中的穿遴能力缀有隈，即使在最清激的海水中，人 l 、 也只能瓣到 十死涞委g 几十米肉瓣秘俸；毫磁没在水中龟袭减太袄，露鼹波长憨隧，损失 越大，即使用大功察的低频电磁波，也只能传播很近距离。然而，声波谯水 中传攒的衰减就小褥多，程深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公星 乡 还爵骥蔽戮傣弩，羧爨鞭靛波还霹熬雾遴海痰兄予寒熬逮基，著羹褥囊 地层中的信息。在水中进行铡堂和蕊察，至今还没有发现魄声波更有效的手 浚。 承声学隧港海滞懿秀发释到蹋发展起来，舞褥到了广溅姻应塌。 1 8 2 7 年庄右，瑞士藕法藤髂辩学家蕾次裙当鹣确蟪测量了承串声速。1 9 1 2 年“泰 坦是毙”号客轮同冰山相撞嚣淡没，促使一些辩学家砑究慰冰山回声建馒。 1 9 1 3 年，美国辩学家r a 赞森登( r a f e s s e n d e n ) 申报了水下探测 静多袋专羁葬壤塞强设诗麴动黼或换麓嚣锈遂了第一螽鼷势深溅搜。t 9 1 4 年4 月他用这台设备成功地探测到2 海里( 3 7 公熙) 之外的冰山。紧接着，1 9 1 4 哈尔滨工程大学博士学位论文 年第一次世界大战爆发，战争极大地推动了水声定位定向兵器的发展。第一 次世界大战期间，德国潜艇大肆活动，展开了“无限潜艇战”，一时横行无敌， 对协约国和其他国家的海上运输造成了很大的威胁，几乎中断了横跨大西洋 的运输。协约国和其他国家十分恼火，相继发展水声设备，对水下的潜艇进 行探测，当时不少著名的科学家都参加了这一工作。1 9 1 8 年，朗之万制成压 电式换能器，产生了超声波，并应用了当时刚出现的真空管放大技术，进行 水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由 此发明了声呐。 用于探测的声呐一般分为二类： 一类嘲做主动声呐。它由发射器发射具有特定波形的声信譬，声音在承 中进行传播，遇到目标产生反射回波，接收器接收阐波信号并进行处理，就 可以得到这个目标韵信息。 雯一类霹徽被动声虢。它本舅不发辩声波，r 懋接寝隶中毽拣簸辐慕缒 噪声信号，并通过处理来得到这个目标的信息。 第一次世界大战以厩的年代里，主动声呐和被动声q 内都得到避一步的发 震。荚美以发展主动式声呐为主，捷蠲了较高的颞率，使之与本簸粒噪声频 段相差较远，能不受本舰嗓声干扰，如朗之万的声响频率是3 8 k h z ，后继的声 呐频率也大多在l o k h z 3 0 k h z ，而且由于频率较高，可以形成很强的指向性。 丽此对德国建战败国，根据凡尔赛和约鲍翘定，不褥建造潜艇，并只能有吨 位小懿军裁，谴餐的注慧力舞集中在发震被动浚瞬系统。德国静浚禳王子号 巡洋舰上装有每侧6 0 个水听器的共彤降，设计精良，对以后的被渤声呐发展 影响很大。剿1 9 2 3 年时，在法国物理学会5 0 周年纪念展览会上展出了朗之万 彝蓉洛夫疑基共露疆到戆嚣声搽溺仪，在兰嚣惑共终蠢3 0 0 0 多条羧凝装有不 同型号的水声设备。1 9 3 7 年出现了温魔深度计，能徽快地测量和计算海水中 声速随深度的变化，从而掌握声音传播的条件，为声呐的进一步发展打下了 基础“。 第二次激赛大藏及战爱年代作尧承声兵器懿声噙褥到了较全嚣翡发震。 这时期，声呐作用的距离不断增加，对目标的分辨能力不断提高，出现了各 种类型的声呐，大到核潜艇上的巨型声呐，小到鱼鬣头上的制导声呐。二次 大装中为了饺弱声镄，荚辫集孛力量深入建琴 究了零遽分毒对声技撵戆影稳， 第1 章绪论 i i 美国帮苏联各鱼独立邋发现了瞧| 予求文分蠢鼹产生的“大滞声遒”，声波能 量的一部分在这受不会碰撞海瑟和海底，两w 以传播很远的距离。在二次大 战期间，交战各方拭损失一千多艘潜艇，其中大部分是被声呐发现的。二战 后，荚、苏两霸进行军备竞赛，水声兵器是爨耍内容之一。随着信息论和数 字楚溪窆芰术楚逐速发曩，孩灌艇器核导弹懿痰瑷，镬黎采近疆离整溺潜艇兹 战术性声探测，发展为在大洋中远距离监测核潜艇的战略性声探测。为了增 大探测距离，声呐降低了使用频率以减少海洋的吸收：丽为保持较强的方向 蛙，东瞬器熬数堂簸耍增加，势按一定的空阕分毒安装起采，戒为声瞬鏊薄： 为减小鲁身螺旋浆噪声的于挠，常把声噙安装在舰首的斌部，但这样舰慝方 向就成了声呐搜索不到的盲区，为此，又发腥成用拖缆将声呐拖在舰尾的海 水中，弗可调整其深度，叫可变深声呐，这样又能使声日内不受海面恶劣臆况 懿影骥；舅岁 ，换筑器阵熬长寝簧壤大，毽瓣的长度又鸯羧，予是在艇螽箍 一条长长的电缆，装上数百个换能器，构成几百米长的拖蹴线列阵，放在一 千米深的深水层里，可探测很邋的距离；为了迅速、大面积地搜索某海区的 漤越，还发震了震嶷舞飞撬投藏声呐浮标的方法。反港飞檄能携带，十多个 声确浮标，浮标稚敝海面后，由计算机控制，能同时蓝视三十多个声确浮标， 迅速对海区实行大丽积搜索。 瓣在的声呐鸯了飞跃的发展。现代声呐如怍用骶离增加了几露倍，定向 耩凄w 域达到死势之一度，琶捺电子计算税释缀复杂的大蕊模集成毫路。理 代拨潜艇声呐站豹换能器，直径达到几米，麓照达十吨，用电相当子一个小 城市的用电量。现在除了舰载声呐以外，在港丽、重要海峡和主要航邋处， 豁鬟是逡枣设鸯纛大浆声瀚揍黪器薹阵，辩潜艇亲说，邈燕盘声拣缓袋黪天 罗地网。 越努，爱深溯技零氇发麓缀浚。麴予挽弦穗工佟懿禳声堵塞鼓零，辫低 髓渡菠射的隐岛技术，以及干貔声呐员判断的锻尽括等等。这就题水声墩予 对抗。 魑着科技的餐灏发展和竞蛰，蚤国在大力发展“软杀伤”武器的同岢寸，也 在抓紧研制反鱼雷惫雷。殿鱼臀深弹，反鱼雷网，电磁加速照雷摧弹等“碾杀 伤2 镶备。这一系鬟精技末装备，主要霜获瓣惫雷莲行拦壤攘鼗。爨癸，声售 引爆技术、磁异常引爆技术等“软”、“硬”兼嬲的杀伤手段，各国也在翻掇研 哈尔滨工程大学博士学位论文 制当中。总之，2 】檄纪敕水下攻骁技术将实蛾瑗代信感探测，水下通售，隐 身、攥邂决策技术，系统对抗和浃速反应，多点于扰和诱骗、杀伤等多种方 案的优化选择和多种关键技术的突破。可以预见，未来的海底世界，必将成 为各国竟相争夺的黧爨军事领域。占地球表磷积极7 8 的蔚菔色海洋里，将 更燕交幻葵溅器不警羚1 1 2 论文的研究背景和意义 被动测距声呐怒从7 0 年代初开始研制的。被动声呐其有保密性好，定向 距离选铸优点，但落在测距时较困难。在理想祭件下，只螫声呐基阵的孔径 足够大，用三点阵测距是没有问题的。关键是炽三个基阵的声中心的相对延 辩精确浏萋密来洙1 。 可以证明，被动测距的相对误麓等于测时聪的相对误差( 详细推导请参看 本文第二章的第2 5 节) ，即： 竿：竺( 1 - 1 ) 置f 投搬这一公式我们就会明自波动测躐声呐掰题嫒的阉题。举例来说，孔 径为4 0 米的基阵要测量相躐为2 0 公里的目标，时延麓值大约为1 3 , u s 。搬 鬃黉求裙黠瀑豢强1 0 ，瓣黩簿翁诗赣囊不麓大予l 。3 勰。在海洋环境审簧 做到这一点非常困难。 舷翻三元予阵被韵声呐怒我谶8 0 年代研素装备静声确，与拖曳线舞阵不 同，其多个求瞬器激漤艇蘸测黠装，级扁撵列成长的线列跨，这样，既不破 坏潜艇瀚线型，基蹲晟寸又太，兼翁舰焘声编驰拖曳线弼静鹩优点黼。葵中 毂被戢测疆声呐主要测蠲基檬旗慰熬塞带连续啜声到达各个黪元的孵延臻感 进行方便及距离的测餐。1 ，利用互相关器作为时娥估计器“1 。巍前传缆声呐程 禳多方瑟存在不是： ( 1 ) 大量使用模拟电路进行信号处理，像波束形成器、滤波器等，模拟 信号簸疆的缺点不意丽喻，带宽、数据传输和襻储都难戳按铺，最熬要静怒 模羧遴遴润兹棚移缀难完全懑豫。 ( 2 ) 结构举一。传统声鳓豢予三元对称阵测距模翟，黪元阕磁之蹴为 4 l ：1 。囊予嶷际工作环辘的限制，蘩蔽系统暾逶感予a 对称终，嚣在总垮长不 交魏壤况下，瘁元勰躐之晓兔i ：2 。琢有戆荣号她遵系统黠酶麓裁藏簸瞧缓 大，蠢法逶应这种鬟灌交亿。 ( 3 ) 以远程跟踪为主，反映不嗽目标的快速变化状态。受海洋环境和测 量鬻瘦靛辩确，转绕声灞霆k a l m a n 滤波器孬为丞鬻静平灞、鼹踩器，裁蹋长 酌积势霹溺提高耱纛，警嚣器藤襄变化穰浚游产囊严霆渗爨瑷缀。运瓣亵测 距精发较掰，适于发展快速的尉潭躐踪滤波技术。 我餐歪步入一个数字亿懿时代，瑟d s p ( 数字信号处避器) 歪楚这场数字 讫蕈螽麓梭心。这落实辩处理蒸，煲疆英嚣与舱魄懿售爨鲶纛黪力，它翻已 经在傣罨掩瑾，邋傣，鬻达，声喃等许多颁城褥捌广泛的庶藤。d s p 怒一种 独特的徽娥理器，它不仅具有w 编瑕性，而熙其嶷时运行遮度远远超_ j 建通用 徽憝溅器。它豹强大鼗攘廷瑾辍办帮藤运牙瀵寝，燕蕞蕴籀豫1 羲粒嚣大黪色。 舞戮，d s p 芯片暴簿更宓适合予数字信号楚爨豹较俘嚣袋耱瓷滚，爵瓣予复 杂的数字惰号处理算法。 嚣憩簌数字繇戆今必，在察验熬遴过大爨豹臻粪，辩声喷披岽黪热患阕 题之一麓被葫溺疆麴务个方瑟逡嚣磷究逡嚣蜜现瑷钱匏熟d s p 楚理，遮裂受 准确、慰俊速测躐和对快速运动目标的实时嫌踩戆合理的搬建有意义静。 。3 被番测蓬熬物溪基磁 被动测躐声h 内依熬慝相关秣探溅目标并测量时燃差，闵丽了解声场的时 空稳荧注楚必要熬。 。3 。 空潜糖关避数及空溜攘美拳径汹3 一个嚣拣赣瓣曝声，棱著箨煮声源。蓠声滚涎羚鲞鬻个搂浚窳鹭爨，蕊 距鸷d t 疆个浓谚繁输滋z l 国霸渤( t ) 辩燕鞫燕爨数r 1 2 ft ) 麓； 最t 2 ( 岛d ) = z 1 ( ，x ) z 2 + 戤苫+ d )( 1 2 ) 豁为落邋孛惑滚零繇鹣辩察耱美懑数。攒线装示鼯鬻平凌。装x 辘与枣 蕊撵方蠢蕤囊，羹| l l * 2 ) 斌稼为攘淘瓣空耱美灏数。 5 哈尔滨工程大学博士学位论文 ( 1 2 ) 式的归一化相关函数从峰值l ( d = 0 处) 降低一半所对应的d e ，称为 横向空间相关半径，简称空间相关半径。 被动声呐的全阵长应小于空间相关半径，至少对称阵的半阵长不得大于 空间相关半径。 实验证明空间相关半径约为3 0 0 “5 0 0 。 为波长。例如，f = 1 0 k h z 时，九约为0 1 5 m ，则空间相关半径为3 0 0 九时为4 5 m 。因此最高工作频率为 1 0 k h z 的被动测距声呐的全阵长应在4 5 m 左右。 c w 信号的空间相关半径较大，窄带信号的次之，宽带信号的较短。所以， 考虑把所选频段的宽带分为4 个窄带频段，以求利用尽可能大的三元基阵的 长度。被动声呐至少要保证三元阵的半径长不超过空间相关半径。 远距离处空间相关半径大，距离减小时空间相关半径减小。 海底地貌严重不平整及存在内波时，空间相关半径减小。这意味这在地 貌复杂的海区被动声呐的测距误差将增加，在夏天出现跃变层水文时，测距 误差将显著增加。 频带中心频率降低对空间趣关半径增大。 ( 1 2 ) 式中t = 0 时得到相关最大值，当t 增加时相关系数降低，降到常 墓一半辩对应熬薅延t 。穆兔瓣闯褪荚半臻： tm ( 1 3 ) b 蠹带宽。 例如，对于带宽b = i 2 k h z 的频段，求得t 。= o 8 3 m s 。用滑动窝测量相 关函数融，滑动密的滑动步髓应大子r 。这意睐着，采用用褶关函数的盾髓 乎均来掇蹇测爨精度对，二次测量的对闽闯隔应大予0 。8 3 m s 。即送如多个相 关系数的时间间隔小于0 8 3 m s 是没有意义的。 1 3 2 本艇转向对亘相关的影响 若目标和声呐平台不动时，互相关允许的最大积分时间长度称为信道的 褶干对简长度在海洋中，该值翁麓3 0 0 s , r 2 8 。 当强标和声呐乎螽运动畦，允许的互相关积分时间长度只有数秒钟。本 艇( 声纳平台) 转向时，将产生互相关损失，允许的相关积分时间长度将减 6 第 鬻绪论 小，甚至不足10 0m s 。 如果终长为l ，本艇筑囱变拢率为q 。s ，频带中心频率为五；，刘允诲 的互稽关糨干处理最大样本长度由下式决定滋1 2 9 3 t 州咿) = 筹 ( 1 _ 4 ) 上式( f ，d 鸯互稳关函数，( 1 0 ) 式中f = 0 ；t 为积分霹阗长度( 甏稳关 器样本长殿) ：疋，为多酱勒函数。兀为频带( 窄带) 中心频率。 蛾，= 2 兰s n 要 ( 1 5 ) 上式中搿为目标对蒸阵的视角；v 为目标与鏊阵的相对运动速度；c 为声 速。 公式( 1m 4 ) 中r i ( o ，f ) 降到0 7 0 7 矫对应的t 为： s i n2 ；v o s = , , r ：o 7 0 7 ( 1 - 6 ) 声呐平台转动产生的多普勒为： 毛；2 粤s i n 詈 i 国 q 为转向角速度。 羞q 一0 5 。盎，r = 2 k m ，c = 1 4 5 0 m s ，薄长为2 0 m ，烈8 - - - - - 2 0 2 0 0 0 = 0 + 0 1 鞭度。f o = 7 ，8 4 k h z 。 必哿雾p i 1 8 0 s i n ( 1 2 ) ( 1 8 ) ：t 2 0 3 7 x 1 0 4 代入( 2 * 5 ) 式得到：t 兰2 3 5 m s 。 即本艇转向速度为0 5 。s 时，允许的积分时间长度约为2 3 5 m s , 转向遮 瘦烫i 嚣季，窕 等1 1 7 m s 魏积分辩润长度。 若叠霉貔速舞2 5 m s ，其余条转阕上，懿 氏勰2 x 黑i ：1 7 2 4 1 1 0 x s i n ( 0 0 1 2 ) “ 如蚰”赢 司”“ 兔谗懿获努露嚣长度舞羹8 2 m s * 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 上述条件不变，当r = 5 0 0 m 时，允许的积分长度降低到约为5 0 m s 左右。 对相关系数的后置平均时间长度也是受限制的，允许的最大后置积分长 度为 2 8 1 ： 丁。_ 兰生 ( 1 9 ) d b d q 为本艇转向角速度，d 为阵间距，c 为声速，b 为带宽。 若c = 1 4 5 0 m s ，b = 2 8 k h z ，d = 2 0 m ，q = o 5 0 s ，则 r = ! 兰! 兰! ! = 5 1 8 s 0 0 1 2 0 2 8 0 0 若鱼雷航速为2 5 m s ，距离为5 0 0 m ，鱼雷航向与阵平行时，则相当于q = 0 弧度。此时，允许的最大后置积分时间长度约为1 1 s 。 1 3 3 内波涌浪及海底不平的影响 多途传播题海洋声信道中一种常见的现象，它使得单个水听器同时接收 羚间一辐射信譬的多个衰减和延迟敝本。若己知传播模整，不阂路径离的辩 延就携带有目标的位鬻信息。若声源和接收点的位置已知，这个时延也可用 于估计倍道传播结构。”嘲”h ”】【”“。 当只存在嚣条传攒路径一直达声和一次反射声射，题个水瞬爨接收售号 的互相关波形图上出现3 个相关峰，中间个反映直达声间的时延，两侧的 失多途弓| 起靛。峦予菠薅声静传播路径长，一般毙壹达声舂燹大静衰减，爨 以中间的相关峰最高。若反射声与或达声的时延较大( 这通常符合实际情况) ， 这3 个相关峰就很容翳分辨，可以准确信计时延。 随规不平整海面农对入射声波产生镜反射的月时，还会掇入射声散射到 其他方向上；海水中任何一点的的声速不仅是深度的函数，而且也怒随机变 纯熬，当声波在海拳奔震孛蔹援露，在声波发生辑麓熬阉怼，疼季数地教象， 造成声能在空间各方向上的褥分配。再加上海中许多其它随机因素，形成随 税介质中信号静散射和超茯。由予散射帮起茯，将经绩号菰耩帮裙穗产生穗 变，直接影响水声设餐对信号的检测和识别，增加测向和测躐误差哺”。 当两种密度不同的液体相叠合时，在其相叠合的界面上所产生的波动称 第1 章绪论 为蠹波。因此，蠹波是指发生焱海洋内部的波动。也就是谈海洋内波魑在海 洋奔艨内部传播的霾力波。内波中，具有潮汐周麓牲震静内渡称为内溺。低 频内波波长可达几十公里到几百袋里，波高从l o m 到l o o m 。频率稍高的内 波其波高较小，波长也短。也就是说内波对予低频、远距离的声传播信号起 蔌带来燕犬影响。 综上述，海底地貌严重不平整及存在内波时，空间相关半径减小。这意 味这猩地貌复杂的海区的测距误藤将增加；海面有涌浪，闳而海面反射声将 影喃波疼垂豹形状。从恧导致嘲延差产生超挟，起伏周期为溪的周期，约羹 3 s - l o s 。适当豹籍鼹滤波能减少涌的影响。掰以在远程帮近程滤渡常数应有 不同。 内波日 起的时延起伏可达1 0 嘴- 的量级，起伏阁期为3 0 s 一3 0 0 s 。此炎时 延怒魏弓隐l 戆浏瑟误差楚锤露竞爨懿。夏天，豢蠢跃变鬣承文渤臻，藏碍缝产 生癌渡，溺蓬变蓑。在爱天基璐获变鬃承支簿，溅距误差将曼薯增鸯羹。猃鞠 农海底显著不平的海区，海底反射声将畸变波阵面的影状，造成盛滔的 漠l 距浚差，在受搽凄承文条转下，涎豢误差憝霪潞躬，嚣麓浅没有有效戆方 疆炱l 器戴炎误差。在炎好拳文条毒孛下，海疯爱菇声秘影黎铰，j 、。在数公墨翡 近程范围内( 在一个声线跨度范围内) ，测距精赓灏环境的影响较小，测鞭德 能较好w ”。 嚣魏，在实嚣溺爨孵，蘩巍分考戆多霆豢对溺难误薹熬影嗡。 1 。4 时延估计的方法及发展概况 谯蕊代甏达、疹霸锋诲多镶壤，缝常嚣器禧确逑溺蘩弱标懿蓬离鼗方位 的参数“1 ，其关键技术之就是时延估计。而对予被动声呐暴统而言，熊获 褥嚣撂鼯藤窝方经瓣途径藏是利瘸鼹感器薄裂，瀵造检潮瓣拣羧出弱声蠢， 诗冀番黄感器瑟溪蘩号豹薅延麓，掇据冗嚣激霞辍蓬获褥鞭璃菠。馨孝延穗诗 是被渤声怒位的基础，其精度直接燕系到定佼精艘是否能满足蜜际要求，也 是多途分裹、晷标特镊提取、分类谈别等信息摅联技术鲶基础。 声豌系统戆圭簧任务乏一怒在测陶熬嚣辩完簸黠霾豁萎羹鬻豹溺定。在主 9 嗡尔滨工程大学薄士学莅论文 动声呐中，测定目标的躐离要利用目标的回波或应簪信号，而在被动声呐中， 嚣标距离匏测定只能裂惩秘标发出楚傣号或噪声。瓣类声呐对嚣标距离豹测 量方法有本质的不同，戮褥测距的精度也大不褶阕。然雨，不论何穆测距方 法都是利用距离不同引起信号的各种变化来进行间接测量。 主动测躐方法主要分为脉冲测距法、调频信号测距法和相位测距法。“删。 辣渖溺鞭法是羁磊接毂回滚与笈魏躲诤蔼号阕瓣嚣重闻差t 来溺薤豹方法。 假设目标与抉能器的距离为r ，在己知声速c 的情况下，可求得目标的距离与 时间t 的关系为： 袁：璺( 1 一l o ) 2 调频信母测距法是利用调频信号来发现目标并测量目标的躐离，是现代 声呐中常用的方法。其熬本原理是发射调频信号，刺用收发信号的频差来测 量距鸯。聚攫调菝蓑号锱难瓣声礁往往采薅连续发射锩号匏方式。宅主要氮 括线性调频信号溺距、三角波调频铡鞭法、除跃调频溺鼯法、磁嘲绕谡频测 距法等。 耜整测距法是剥用收发藩号闽妁相证差进行测蹉方法。 被囊声礁是鬟惹接敬霆檬趣艇发怒戆噪声亵霸搽艇艇上装熬主凑式声穗 发射的信母求检测目标，并测定其方位和距离。只测方位的称为噪声测向声 呐，能测躐离的，称为噪声测距声呐。由于被动声呐本身不发射信号，所以 莲蠢薅不会察茧旁穗魏存在帮意莲，其鹰夔薮洼好豹饶点。鎏熟声穗与主动 声呐的最报本的区剐在予它在本舰嗓窝背景下接收远场昏标标歉出的噪声。 此时，目标噪声作为信碍，且经远距离传播后变 ! 非常微弱，所以被动声呐 往往工雩# 袭低焦躁毙螬狨下，霞嚣需要深耀比主动声憾更多教撂q - 处理播戆。 被葫声穗至簧鑫潋下冗帮分组蔽：基阵、波束蓐藏、信号楚理、蘑嚣处理窝显 示终端。如下图所示； 鼹l 。l 被动声呐静基本组成部分 f i g u r e l 。tt h eb a s i ce l e m e n t s o f p a s s i v es o n a r 1 0 传统的被动目标距离估计有纯方位估计、匹配场处理。时延估计方法有 广义互相关法( g c c ) 、相位谱法、参量模型法和自适应时延估计等“”“”。”“。 纯方位估计它只测方位，根据方位和本艇航迹解算距离，一般采用最大 似然比的方法解非线性方程组。缺点是本艇必须机动转向，且航迹不能一直 直行，运算时间长( 一般1 5 2 0 分钟算出距离) ，测距误差大( 2 0 左右) 。 匹配场处理( m f p ：m a t c h e df i e l dp r o c e s s i n g ) o “”1 技术近年来在水下目 标检测、被动定位、海洋环境声学参数反演等方面的应用受到广泛的关注。 在水声学研究中，声源、海洋信道与水听器阵是研究的三个要素。声源在水 中辐射声信号，是形成声场的源头：海洋信道则规定了声波在海洋中的传播形 式：水听器阵用以接收声信号，对水中的声场分布进行采样。这三者之间相互 密切联系，构成不可分割的统一整体。已知其中两者，就可以推断第三者， 这就是水声匹配场处理的基本依据。如果已知水听器阵接收信号和海洋信道 信息，待求解的是包括声源位置在内的声源信息，这就是匹配场被动处理a 此方法能达到3 0 公里的远距离被动测距，精度能在1 0 1 2 ，且受波阵面 影响小。但是对环境变化敏感，受海洋影响大，一般假设海底平坦。 参擞模型法。”酣0 3 把2 路信号之一看作某一系统输入，而把另外路信号 羲 乍站系统静羧窭，求褥系统豹蔟率确黢。蘧系统是一跨延滤渡器，可越雳 f i r 线性数字滤波器来逼近它，通过估计滤波器参数来估计时延。参艟模型涉 及矩阵遥算，遥算量阮较大。要求数字滤波器躲渖响陡序两的包络满足偶对 称条件。 自滔应时延估计融钉蚰用一个l m s 横向滤波器代替参量模挺的f i r 滤波器， 按菠k 玲一x ：) | ( x 1 和善2 固表承2 路黪元售号) 最小媳琢则来调节塞适或 滤波器的权系数阵w ，然后由w 来估计时延，自适应时延估计可以看作是 参量模繁法静遨代实嚣，趸宅静快速算法。要求粳系数翡选择涪当，环境变 化平稳，对硬件要求较高。 互相关时延估计法“”“硝留8 主要和用了两信号时延差与其褶关函数峰 德位置的对应关系：即时延麓等于它们胡关函数蜂擅对应的时闼量进行对延 储计的。在实际应用中常用三点或者四点内插法来改祷时延估计精度。为目 l 誊装凌测踅声稍中露瓣匏筹法之一。要求功率港随辩润交位乎稳，信臻毙逶 中，具有较高的时延估计精度和硬件要求低的优点。其不足之处为权函数选 哈尔滨工程大学博士学位论文 择恰当与否对于时延估计精度具有较大影响。对于功率谱随频率变化很大的 信号引起的时延估计误差大。 互谱相位法估计”“”2 列是根据维纳辛钦定理：平稳随机信号的功率 谱密度及其自相关函数互为f o u r i e r 变换。把求时间上的时延差转为求互谱函 数的相位差。本文采用加权最小二乘方法估计互谱相频函数的斜率求得时延 差。在估计互谱的相位时，通常会存在相位卷绕问题，这可以采用差分方法 处理。通过共扼运算实现相位的差分处理，可将线性增量变为一常量，对新 序列的相位累加求和，从而恢复出线性变化的相位曲线。该方法要求相位和 时延有近似的直线关系，信噪比适中，具有较高的时延估计精度和硬件要求 低的优点。其不足之处为只有提高时延估计的采样频率和延长观测时间才能 提高时延估计的精度。但此缺点采用较高的d s p 处理器就很容易克服。 时延倍计发展到瓣前，除了对糖高精度和减少运算嚣静磷究之矫，还懑 现了随着信号处理理论发展丽提出的新方法。如基于高阶累积量的时延估计 和基于小波变换的方法，但它们本质上还是对于广义互相关方法的改进。基 于嵩除累积量敫孵延馈诗乜印只是舄惠除累积量代蛰了互糖关激数，以消除爨 斯分布干扰和噪声的影响。假不能抑制非商斯噪声的情况。纂于小波变换的 辩延 骞诗强”是翔枣波产生毂溺数，代替广义互稳关方法瓣该滤波蟊数，因l 毽 不需要信号和噪声的先验知识。它们在解决某些特定问题时有定的优越性， 僵楚不髓从根本上克腋广义鬣相关方法静简限毪。 从原理上说，互棚关对娥估计与互谱相位法估计，在理想条件下是等价 的，都是簸佳时延估计器。均能在1 5 公里以内实现被动测距( 测距最多2 0 公里， 深海会聚嚣遣憝在5 0 公墨处发现嚣拣) ，冀馕熹是攫l 距露阉握慰短( 5 2 0 分铮) 测距误熬小，能达到8 1 2 。缺点是受信道影晌大，尤其悬有内波和涌浪 存在辩，需要长时阕积分。键由于承声环境偏离疆怒条释，虽考虑到工程实 现方面的差别，二者器有千秋。对于线谱声辐射，互谱相位法估计将较互相 关时延估计性能优良。常用暾雷声辐射在2 0 0 h z 4 k h z 频段内膏线谱，这对谦 测鱼雷鄹对鱼霉羁摭被动测距有重要意义。 篇1 章绪论 1 ，5 时延估计的亮拉美罗界( c r b ) 对于时延估计，设目标信号的s ( f ) 的复包络用f ( f ) 表示，f ( f ) 的频谱为 g ( w ) ，那么c r b 可表示为1 如： c r b ( r ) ( 秒) - | 熊中等表示倍噪也 肚壶塑竺! ：匮塑坐3m 均 去口g ( w ) 1 2 咖 筘是信号均方穰蒂宽翦一秘鬣度，称为镑效带宽。可见，鲡果信臻阮越 。6 论文研究内褰 零论文骚究内容来源予蔹凌灞瘫声镌竣避繇究，癸袋餐被动声秀甄麓远 程测鞭又能遥程测鼹。逶痰不嗣黩套阵方式。焚戆，必殒炎鞭近程测躐模耧 闷题，并得到适会远和近舱定位计算公式。同时提商时惩估计精度，遮到 5 s 静测距稽魔，提高对嵩迷誉标的g 琵踩魏力。本论文对被动溯鼷中静 驻谣衽位法豹耀关技拳进行了蜡炎，具体包含以下见方嚣斑容： ( 1 ) 被动测距系统的总体设计研究。该系缆采用现代d s p 处理技术炭现 被动溯距功能，采耀f p g a 迸行波束形成。使声穗系统，j 、麓纯，餐能健，降 低袋零，提嘉工终效率 ( 2 ) 被动测向和测距原邂静研辩。报等了邋合近程籁避程溅题瀚避僦公 式，努援了被动溅超黩测躐豹携理基础及影旗孵延 鑫诗熬嚣静因素。对3 元 对称阵和非对称降的时延 蠢计精度和误簇进行了详细的分析； 稿) 萎谱法被韵测距麓睹真瓣定。对飘谱法被动潮鼯嚣各个环节避嚣了绥 哈尔滨工稷大学博士学位论文 致的傍凑疆究。采瘸摆关窘的方法提矗时延传访糖度，对第二章所讨论的部 分问题送行仿真验证；讨论了热投最小二乘倍计在对延估计中豹应用；擒出 并实现了鱼雷线谱在甄谱法时延估计中的作用； ( 4 ) 仿真软件的d s p 化。在t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 硬件平台上实现了该仿真算法， 戆涤逡实露熬透行噤声嚣标溺爨凌怒：提整莠爽骥了对鞠关爨鼗爰爰一玲线 性递归滤波的方法，一定程度上了提高了时延估计精度：采用测向引导的改 进互谱法测距，实现了对1 5 0 米1 5 公里目标的测距和跟踪，且测距相对误 差小于8 ，近程溅距达到千分眈误差；近程实现了潜艇尾部测距缩小窘区。 采异j 瑟于自适应滤波的参数债计器进行后置滤波，实现了对快速磊标豹滤波 和跟踪功能。 1 4 第2 章被动测距和测向原理 第2 章被动测距和测向原理 本章分别论述三元对称阵和非对称阵被动测向、测距的原理，对两种阵 型的时延差估计进行了分析，详细讨论了测躐过程中存在的距离模糊问题， 提出了一套霹抗蹑察模凝斡时愆装溅量方法，最鑫对两秘终型测淘、测鞭误 差进行了系统的分析和比较。同时也简单介缁了一种西点测距算法。 2 。 溉述 舅裁，舰艇上嬲豹被动测距声呐主要有鼹种类型“”。一秘是潜艇上用的 献形降，即在壳体上配置三对( 左、右舷侧番三个) 线列障，每个线列阵等 效于个接浚元。这穗基黪稼为宽孑l 径予藩。警然熬铡缝刭阵逛可以搿予溪 向和测距。这种子陴本身其有一定的指向性，可获得良好的空间处理增虢。 但基阵尺寸受潜艇零隽长度翡鞭镧。男一种类鍪为箍曳式线翻阵，它懿铙点 是可以使基簿尺寸增大，曼出予声学模坟远褰零艇噪声，骈戳本黢辐射噪声 的干拭大大降低。 声呐采罔的是必形躲，这融测距系统及其基阵麴尺寸受潜艇本身长度 的限制，所以测距精度受限制。弱外，三路倍曙是由子阵撼供的，它们都是 受线簿。交予每个线藩等效予个接效元，在浏离、瓣聪爨灌主与萃个求褥 器的点冗阵是相同的，因此，以下统称为阵元。 辩称阵是在鸯绫上布敖三个镣间距瀚阵元，而j 对称簿三个簿元静蔺距 之毖楚一魄二。爨麴，在惑薄长熄必4 5 m 熟媾猿下，瓣繇黪灼善中、中惩薛 元闻躐均为2 2 5 m ，蔼非对称阵蓊中阵元闻鞭为1 5 m ，中愿滞元间距为3 0 m 。 对予三元终寒滋，嚣论对熬薄逐蹩j 对称箨，箕测囊、测距躲本痰都燕蟪网 的。键楚由于阵型的差异，非对称阵和对称阵穗测距计算上是有躐别的，测 距模糊懿范嚣篷存褒差弄，舅舞，在基簿长鞠餐魏馕援下，时廷测薰谟麓封 哈尔滨工程大学博士学位论文 测距谟麓匏影响也怒不同的。 2 2 被动测向和测距的几何原理 声波从声源发蹬后，通常楚以球嚣波( 藏毯蕊波) 形式囱夕 扩震的。鼷离 越大，波阵面的形状在有限的尺胰内越接近于平面。尽管如此，从水平面上 看，波阵面仍然是以距离为半径的圆。被动测距正是利用了波阵面的这种弯 夔褒象。因魏，哭簧壤摇轰本爨器搂狡售号懿燕际豹耪互孵惩推算基波辫瑟 的的弯曲半径，便w 得到目标的躐离3 7 3 3 8 3 3 射。 2 。2 。l 三点对称陈原理 假定目标怒点源，声波按球蕊泼方式传播，三元等间距阵被动测距模型 如图2 1 所示。 y ll s 声源 夕万 | 卢。屹 j f i g u r e2 ，1r a a g i n gm o d e lb a s e d 鞣t h r e e e l e m e n t ss y r m n e t r i ca r r a y 豳中，s 为声淫，强、戤、甄分别表示被动声呐麴三个蓐元。设三元 等间距降间距为甄琏= h ，羁= d ，目标与y 轴的夹角为秽，目标到各眸元 的距离势爨尧跚= 孙s h 2 = 毪圳r 、麟，= 蕞，其孛，琏瑟为要溅宠麓瓣椿 距离，。一般来说，r 远大于d ，所以实际计算的的结聚、屹、，3 只有微小 1 6 第2 章被动测距和测向原理 的差舅，但这秘微小的差异就怒我织测量的对象强“。 如采求出了信号至t 达h ，、拱。的延时差f 。以及到达材：、玛豹延时差 f ：，那么也就求出了，一及吩一，。从纯几何的角度看，知道了d ，r 一_ 及 r r