（水声工程专业论文）基于多站址信息综合的水下探测定位技术研究.pdf

哈尔滨工程大学博+ 学位论文结论：距离信息对算法的定位性能影响较小，系统的定位性能主要受角度观测信息的影响较大。实际应用中，努力提高角度测量精度是提高双基地声纳系统定位精度的最有效的办法之一；与二维情况相比，系统实现三维空间目标定位的定位精度略有下降，这是由于引入了高度信息而使系统的误差增大所导致的。4 把双基地声纳系统的定位方法推广到多基地声纳系统的研究中，讨论了多基地声纳系统利用距离信息进行定位的定位原理，并对不同站址布局下，系统的误差分布特点进行了研究，得出最优的站址布局方案。同时，以某型声纳为实例，讨论了多基地声纳的配置方案。5 针对影响声纳性能的混响，对各种类型混响产生的机理进行了分析，研究了混响的相关特性和统计特性，并提出几种混响抑制方法。重点研究了双基地声纳的各种散射模型( 海底散射模型、海面散射模型、体积散射模型) ，通过对各种影响因素的分析，给出了各种模型的明确表达式，并对模型进行了仿真分析。模型仿真结果表明，影响双基地声纳混响的因素众多，每个因素在对双基地混响的贡献是不一样的，双基地角度的配置和界面性质变化对混响的影响很大，而声速的变化对混响的影响可以忽略不计。本文研究所得出的结论可为双基地声纳进一步的实验研究和双基地声纳的设计提供参考。关键词：多基地声纳；定位精度；混响；散射基于多站址信息综合的水下探测定位技术a b s t r a c tb e c a u s eo ft h es e p a r a b l er e s o u r c ea n dr e c e i v e r , m u l t i s t a t i cs o n a rh a sm a n ys p e c i a lc h a r a c t e r si nu n d e r w a t e rt a r g e td e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o n a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho f m u l t i s t a t i es o l l a rh a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o nb yp e o p l e i nt h i st h e s i s ，t h es t u d i e sa b o u tp o s i t i o n i n gm e t h o d si na p p l y i n gt h em u l t i s t a t i cs o n a ra r ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h i s “n do fs o n a r s b ys i m u l a t i o n , t h ep e r f o r m a n c e so fs e v e r a lm e t h o d sa r ec o m p a r e da n de v a l u a t e d t h em a i nc o n t e n t so f n l i st h e s i sa r es u m m a r i z e d 鹪f o l l o w s ：1 t h es o n a re q u a t i o n so fb i s t a t i cs o n a ra r ed e v e l o p e df r o ma ne n e r g yp o i n to fv i e w t h em e a n i n go ft h ep a r a m e t e ra n dt h ee f f e c t si ns o n a re q u a t i o n sa r es t u d i e d b a s e do na n a l y z i n gt h el o c a t i o np r i n c i p l e sa n de r r o r so f m u l t i s t a t i cs o n a r ,t h el o c a l i z a t i o ne r r o r sw i t hg e o m e t r i c a ld i l u t i o no fp r e c i s i o n ( g d o p ) a r ea l s od e s c r i b e di nt h i st h e s i s 2 a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fu n d e r w a t e ro b j e c tl o c a t i o ni nb i s t a t i cs o n a r , s i xb a s i cl o c a t i o nm e t h o d sa n da l lo p t i m i z e dm e t h o do ft w o - d i m e n s i o n a lt a r g e ta r ed i s c u s s e d t h ep e r f o r m a n c e so ff o u ra l g o r i t h m sa r ee v a l u a t e dv i ac o m p u t e rs i m u l a t i o n s t h eg e o m e t r i c a ld i s t r i b u t i o no fe r r o r si sg i v e n m o r e o v e r , t h ea c c u r a c ya n a l y s i sf o rd i f f e r e n tm e a s u r e m e n t sa n dp a r a m e t e r s ( s u c ha st i m em e a s u r ee r r o r , a z i m u t hm e a s u r ee r r o r , b u o y se r r o r , b a s e l i n el e n g t ha n ds o u n dv e l o c i t yf l u c t u a t i o n ) a r eg i v e nr e s p e c t i v e l y t om a l c et h eb e s tu s eo ft h eo b s e r v a t i o nd a t a s ，t h ew e i g h t e dl e a s ts q u a r el o c a l i z a t i o na l g o r i t h mi su s e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yi nb i s t a t i cs o n a r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h i sa l g o r i t h mi sh i g h e rt h a nt h eo t h e rf o u ra l g o r i t h m s ，w i t hw h i c ht h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yi ns t a t i o n sa r e a sa n ds i d ea r e a sc a nb ei m p r o v e de f f e c t i v e l y 哈尔滨丁稃大学博士学位论文3 f o u ra l g o r i t h m su s e di np o s i t i o n i n gt h r e e d i m e n s i o nt a r g e ta r ed i s c u s s e dw h e nt h r e em e a s u r e m e n t sc a nb eo b t a i n e d r n l ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yc o n t o u r sa r ed r a w nt oe v a l u a t et h el o c a t i o np e r f o r m a n c ev i ac o m p u t e rs i m u l a t i o n 1 1 ka c c u r a c ya n a l y s i sf o r d i f f e r e n tm e a s u r e m e n t sa n dp a r a m e t e r sa l eg i v e nr e s p e c t i v e l y n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yi si n f l u e n c e db ya z i m u t he r r o rg r e a t l y i np r a c t i c e ，i tc a ng e tm u c hb e t t e rp o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c et oi m p r o v ea z i m u t ha c c u r a c y c o m p a r i n gt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yi nt h es i t u a t i o no ft w o d i m e n s i o nw i t l lt h a ti nt h r e e - d i m e n s i o n , t h el a t t e ri sl o w e r 1 1 1 er e a s o ni st h a tt h ee r r o ro f t h eh e i g h ti si n 仃o d u c e d 4 e x t e n d i n gt h ep o s i t i o n i n gm e t h o di nb i s t a t i es o n a rt ot h es t u d yo fm u l t i s t a t i cs o n a r , t h ea l g o r i t h mu s i n gd i s t a n c ed a t ai sd i s c u s s e d b e s i d e s ，t h eg e o m e t r i c a ld i s t r i b u t i o no fe r r o ri nd i f f e r e n ts t a t i o nl a y o u ta n dt h eb e s tp r e c e p to fs t a t i o np o s i t i o na r ea n a l y z e d 5 t h em e c h a n i s mt h a tp r o d u c e st h et h r e et y p e so fr e v e r b e r a t i o na n dt h ec o r r e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fr e v e r b e r a t i o na r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s s o m em e t h o d st or e s t r a i nr e v e r b e r a t i o na l ed e v e l o p e d t h r e es c a t t e r i n gm o d e l s ( b o t t o ms c a t t e r i n g ，s u r f a c es c a t t e r i n ga n dv o l u m es c a t t e r i n gm o d e l ) i nb i s t a t i cs o n a r sa r ed e v e l o p e da n ds i m u l a t e d 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r em a n yf a c t o r st oi n f l u e n c et h er e v e r b e r a t i o n , e a c ho ft h e mh a sd i f f e r e n tc o n t r i b u t i o nt ot h er e v e r b e r a t i o n ，a n dt h ea n g l e sc o n f i g u r a t i o n sa n dt h ec h a r a c t e r so fi n t e r f a c eh a v em a i nf u n c t i o n , a n dt h ee f f e c to f t h ec h a n g eo f s o u n dv e l o c i t yo nr e v e r b e r a t i o nc a nb ei g n o r e d 1 1 1 ec o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h er e s e a r c hc a np r o v i d et h er e f e r e n c et of u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v i s et h eb i s t a t i cs o n a rk e yw o r d s ：m u l t i s t a t i cs o n a r ；p o s i t i o nl o c a t i o na c c u r a c y ；r e v e r b e r a t i o n ；s c a t t e r i n g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) ：益盔日期：加缉7 月谚日第l 章绪论1 1 前言1 1 1 研究目的第1 章绪论海洋覆盖着地球的大部分区域，海洋的军事和经济意义十分重大，这是人们早已认识的事实。军事上，控制海洋是现代高科技战争成败的一个关键因素，对沿海国家尤其如此。对于海洋的控制，其中最重要的一点就是对于水下信息的控制，它是潜艇战和反潜战赖以运作和决胜的最重要条件。谁在水下信息控制方面具有优势，谁就可能在未来海战中取得胜利。水声技术是水下信息战的一项最基本和最重要的因素，潜艇战和反潜战都离不开水声技术。水声设备是进行水下探测、通信、导航的最有效手段。随着现代舰艇隐身降噪技术的长足发展，舰艇特别是潜艇变得越来越安静，近四十年来，世界先进海军国家潜艇的辐射噪声几乎每年降低了l d b ，这使得被动声纳对潜艇的探测距离越来越近，用被动声纳来探测安静的水下目标变得越来越艰难。反之，尽管水下目标的回声隐身技术也得到了很大的发展，但由于隐身材料的空间尺度和结构复杂性的限制，对潜艇等水下目标的回声隐身设计，理论上难以达到全频段、全方位的隐身效果，尤其低频回声隐身效果不好。近十余年来，利用低频主动声纳探测水下安静目标已成为国际性的技术发展趋势。然而传统的主动声纳基本上都是以单基地模式工作，其发射声阵与接收声阵处于同一位置。这种类型的主动声纳，在探测目标的同时，也暴露了探测平台的自身位置，极易被敌方发现，隐蔽性较差。近几年所发展起来的多基地声纳就是解决这一问题的有效手段。另外，当多平台联合探测水下目标时，多基地声纳可能是提高整体探测能力的一种有效手段。多基地声纳，其收发装置是分开一定距离的，单个( 或多个) 声源发射声波，多个接收机在不同位置接收目标回波，在声源、目标和接收机之间，存在复杂的几何关系。因为接收站被动工作，所以敌方无法测得接收点的准确位置，难于实现有效地对抗和规避。因而这种声纳系统具有隐蔽性能好、抗干扰能力强、配置灵活等优点，适宜飞机载声纳的应用，也非常适宜于舰哈尔滨t 稗大学博士学位论文机联合探潜的应用。而且由于潜艇目标来自目标散射体空间的3 6 0 度全方位，可利用各个方向反射的能量探测目标，所以，多基地声纳是未来对付安静型潜艇的有效手段之一。本论文研究的主要内容是：根据多基地声纳的工作特点，以双基地声纳，这一多基地声纳的最基本形式为研究对象，对这一新型声纳系统在未来海战中应用的水下目标定位技术进行探讨；因为混响可能是影响双基地声纳工作性能的重要因素，本文对双基地声纳的混响特性展开了研究，为多基地声纳系统用于水下目标定位提出理论依据。在本论文的研究基础上，可为多基地声纳新体制的建立提供分析论据，为多平台的联合反潜作战研究提供分析依据。1 1 2 国内外发展状况对于双基地声纳的研究，起源并借鉴于双基地雷达的发展i l “。五十年代，美国一些实验室，开始为美国海军研究局研究双基地声纳的有关问题【6 】。当时的主要工作是，研究如何使舰载声纳或固定声纳增大检测范围，以后的实验则更多地使用了由舰载声纳与声纳浮标组成的双基地实验系统。与双基地雷达相似，双基地声纳在当时被认为不及单基地声纳通用性好和探测效率高。六十年代，对双基地声纳的研究几乎失去了兴趣。直到七十年代初，美国的雷锡公司曾在北大西洋和地中海进行过多次多基地声纳实验”。实验由s q s 2 6 舰壳声纳和遥控声纳浮标组成多站回声测距系统。实验结果表明：用双基地声纳定位是完全可行的。其目标发现概率在9 5 以上，效费比高于具有相同监测性能的单基地声纳系统，是具有同样检测性能的c a s s 声纳的4倍。但进一步研究受当时技术水平限制而被搁置。随着双基地雷达的成功应用，又恢复了对双基地声纳的研究。8 0 年代中期，美国的c o u s t e s y x o n t e c h 公司在两艘远洋船上进行了实船海上试验。以后，美国a d 报告相继发表了多篇有关双、多基地声纳的研究报告和理论文章p ”j 。这些文献主要包括以下三部分内容：( 1 ) 有关双基地表面混响的研究：( 2 ) 有关双基地声纳总体性能的研究；( 3 ) 有关双基地声纳目标强度的研究。在这些解密的文献中，报道了大量国外有关双基地声纳的实验2第1 章绪论研究工作。此外，在公开发表的刊物上，还有大量有关双基地声纳海洋表面混响研究的文献。1 9 8 2 年，h a r v e y 研究了在双基地条件下，几何关系对声纳方程中各参数的影响，主要就双基地混响和目标强度的变化规律进行了分析和研究【7 】。1 9 8 6 年，美国海军水下系统中心完成的“双基地主动声纳方程”的研究报剖1 0 】中，给出了双基地主动声纳方程，并就多次散射对双基地声纳定位性能的影响进行了研究。1 9 8 9 年，美国b b n 系统工程公司在“水下数据处理”文集【1 4 】中，发表了“双基地主动声纳基础”一文，给出了双基地声纳方程，重点阐述了双基地声纳的理论基础和可行性。此外，文中还对双基地配置时，系统的混响特性、多普勒以及直达波抑制等问题进行了简单叙述。该论文的工作为多基地声纳研究提供了理论基础。9 0 年代，对于双基地声纳的研究，进入了一个新的阶段，世界各国的海军研究组织基本上都开展了这方面的研究，双多基地声纳已成为国外有关声纳技术和海洋监视技术研究的一个热点问趔1 5 - 2 3 1 。北约各国进行了大量有关双基地声纳探测、海底散射、海面混响、双基地声纳浅海前向散射特性的理论和实验研究，同时还进行了有关多基地声纳实验系统的研制。这方面的报道散见于解禁的a d 报告和i e e e 国际会议论文中。1 9 9 2 年，美国海军进行了以航空吊放声纳为主要设备的浅海多基地声纳实验【1 5 】，首次将航空声纳应用于多基地声纳系统，该实验为多基地声纳系统配置提供了借鉴。1 9 9 3 年，法国的f o a 组织筹备含有多部声源和多部接收机，以舰壳声纳装配的多基地海洋监视系统的大型海上实验孤2 1 1 。对于海上实验系统，进行了大量多基地声纳相关硬件的研究工作。该实验应用全球定位系统来解决收发设备之间的同步问题，同时该系统还具备先进的数字信号处理功能。具体海上实验的情况，由于军事上保密的原因，来见有公开的报道。1 9 9 4 年，英国国防研究机构研制了一套基于航空声纳浮标的多基地主动声纳系统【1 - r 。该系统由一个声源、一个模拟的目标和至少6 个散置的声纳浮标组成，接收设备与发射设备之间通过无线电波进行通讯，多基地波束形成与显示技术提供实时处理和显示不同接收声纳浮标的数据。声学定位系统应3哈尔滨t 蒋! 大学博十学位论文用波束形成器的输出来确定目标的距离和方位，实现目标声定位。1 9 9 5 年，瑞典在研究报告“用于浅海监视的多基地声纳”中介绍了“多基地声纳的研究计划”1 1 8 。该研究计划的目的是为了研究多基地技术在波罗的海的应用。在开始阶段，该研究主要是发展用于实验的研究设备，这些设备后来被用于研究多基地声纳的各种主要特性参数，如目标强度、混响检测、目标定位等。在进行这些特性测试的过程中，这些实验设备的性能、实验中所采用的实验方法等受到检测，这些工作为以后实验设备的完善和研究方法的更新提供了科学的依据。该计划还对声纳波形对多基地系统性能的影响进行了研究。1 9 9 5 1 9 9 9 年期间，意大利s a c l a n t ( s u p r e m e a l l i e dc o m m a n d e r a t l a n t i c )水下研究中心，运用“可展开的水下监视系统”( d u s s ：d e p l o y a b l eu n d e r w a t e rs u r v e i l l a n c es y s t e m s ) j 挂行了大量多基地声纳的实验和理论工作2 “2 2 1 。在研究中，对多基地系统的定位和跟踪性能进行了系统地研究，并对多基地网络的数据融合进行了初步的研究。同时，这项研究工作还包括对水下自主航行器( a u v ：a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ) 在多基地配置时的定位精度问题的研究。1 9 9 9 年，第五届i e e e 关于信号处理及应用的国际会议中，澳大利亚国防科技组织发表了“澳大利亚多基地主动声纳计划的概述”一文【2 3 】，重点介绍了该国在多基地声纳方面的研究和目前澳大利亚正在使用的一种双基地声纳( b i s t a t i cb a r r as y s t e m ) ，并对该系统的性能进行了简单的介绍。2 0 0 2 年u d t ( u n d e r s e a d e f e n s e t e c h n o l o g y ) 际会议上，韩国的sc h o ，j c h u n 等发表了基于总体最b - 乘方法的多基地声纳定位的文章口4 l 。这说明在过去的几年中，韩国在多基地声纳方面所进行的研究工作。2 0 0 2 年，i e e e 海洋工程杂志关于声纳浮标位置误差对航空声纳装备的多基地声纳系统定位精度影响的文章【2 5 1 ，表明目前国外在这一领域所进行的研究工作的进程。我国关于双多基地声纳的研究起步较晚，主要的研究工作是从九十年代初期开始的。1 9 9 1 年国内第一篇有关双基地声纳研究的综述性文章发表 2 6 1 ，重点对双基地声纳的特点和实现上所存在的关键问题进行了论述。此后，在“八五”期间，西北工业大学、中国船舶工业总公司7 1 5 所、7 6 0 所进行了有4第1 章绪论关双基地声纳定位原理、定位方法、测向精度等方面 2 7 - 3 0 1 的理论研究工作。2 0 0 1 年，凌国民1 3 lj 综述了目前国外声纳技术的发展概况，并对国外多基地声纳发展和研究趋势进行了论述。2 0 0 2 年，7 1 5 所的霍国正【3 2 1 等进行t d , 规模的海上试验，证明了多基地声纳定位的可行性。有关多基地声纳的研究，已成为现阶段我国声纳技术研究的一个重要方面。总之，有关多基地声纳的研究，已经成为现阶段声纳技术领域研究的热点。许多国家已经开始了这方面的研究工作并取得了一些成果，而我国关于多基地声纳的研究工作仍停留在起步阶段，对于双、多基地声纳系统各种参数及系统关键技术的研究仍为空白。随着现代潜艇隐身技术和水声对抗技术的飞速发展，追切需要开展这方面的研究工作。同时，伴随现代水声定位技术、声纳系统的设备条件和技术储备及主动和被动声纳技术的发展，声信息处理水平的提高，我国也具备了开展双、多基地声纳定位技术研究的条件和可能。1 2 本论文研究的主要内容根据目前国内外多基地声纳技术研究的状况和我国声纳技术的发展水平，结合研究课题，进行了本文的工作。主要就多基地声纳水下目标定位技术进行了比较深入地研究，主要研究内容包括：1 对目前声纳技术的发展和国内外有关多基地声纳研究的现状进行了综述。在对多基地声纳的研究现状和我国声纳技术发展水平进行分析的基础上，确立了论文的研究方向。2 给出了双基地声纳的系统配置和双基地条件下各参量的定义及符号表示方法。从能量的观点给出双基地声纳方程，对声纳方程中各参数的物理意义及影响因素进行了研究。对双基地声纳的作用距离进行了讨论。根据双基地声纳的工作特点，给出了双基地声纳定位精度的表示方法。3 从双基地声纳系统对水下目标进行二维定位入手，研究了四种基本定位方法以及一种优化方法，给出了各种算法的定位原理和误差分析。通过数5哈尔滨t 稃大学博士学位论文l值仿真，研究了系统各测量参数( 如时间测量误差、角度测量误差、基线长度、声速波动、站址测量误差等) 对各算法定位误差的影响，给出了不同参数条件下误差的几何分布图。4 考虑到双基地声纳系统对目标进行二维定位存在一定局限性，若实际应用中对需要对目标进行空间定位，则必须采用三维定位方法。本论文主要讨论了利用现有两坐标声纳设备对水下目标进行三维定位的四种算法，给出了定位原理，并进行计算机仿真。根据仿真结果，分析研究各算法的定位性能，并给出个参数影响下的定位误差几何分布图。5 对双基地声纳系统进行扩展，得到多基地声纳系统，给出了多基地声纳的配置方案。以三基地声纳系统为例，利用系统的距离测量信息对目标进行定位，给出了定位原理以及仿真结果分析，并对各种不同站址布局下，系统地定位特点进行了分析，给出最优的站址布局方案。将多基地声纳定位性能与单、双基地声纳定位性能相比较，分析各系统的定位特点以及性能优劣，为多基地声纳新体制的建立提供可行性论据。6 对混响理论进行研究。研究了体积混响、海面混响和海底混响的产生机理，给出各种混响表达式；还分析了混响的统计特性；针对混响对声纳系统的严重影响，提出一些混响抑制的方法。研究了双基地各种散射模型。在进行理论分析和公式推导后，分别给出双基地海底、海面和体积散射模型，给出各种散射模型的表达式，对有关模型进行了仿真研究，得出了一些重要结论。7 对全文的研究工作进行了总结，并提出了今后需要进一步研究的课题和方向。：6第2 章双基地声纳定位理论2 1 引言第2 章双基地声纳定位理论双基地声纳系统，由于其收发设备分置，同时具有主动和被动声纳的工作特点，能够利用现有的技术和设备，在水下目标定位方面，具有明显的优势。但是，也正是由于这种配置特点，导致系统在结构和性能上，存在着许多不同于现有单基地声纳的特点，所以根据双基地声纳的系统配置和工作特点，对其特有的变化关系进行研究，建立适应于双基地声纳研究的理论体系是十分必要的。本章以双基地声纳的几何关系为基础，对双基地声纳系统几何特性和各种参量及符号进行了统一的约定，对双基地声纳方程中个参量的取值进行了合理的约定，对双基地声纳作用距离进行了预报，并对双基地声纳定位原理和定位误差的表示方法进行了研究。2 2 双基地声纳的几何关系ir图2 1 双基地声纳几何关系f i g u r e 2 1g e o m e t r i cr e l a t i o n s h i po f b i s t a t i cs o n a r在双基地条件下，声源、目标和接收机之间构成复杂的三角关系，其基本的几何关系如图2 1 所示。图中：r 表示声源，它可以只工作在发射状态，向水中发射声脉冲，照7哈尔滨丁稃大学博七学位论文射目标。也可以以单基地模式工作，同时具有发射声波和接收目标回波的功能。月为接收机，它与发射机分开一定的距离，仅以收听的方式工作，其位置一般不易被敌方发现。在双基地声纳系统中，它一般由声纳浮标，或航空吊放声纳构成。s 为水下目标：，个为发射机到目标的距离；喙为目标至接收机的距离，通常，在接收端所测量的是距离和，即：七2 + 飞；d 为基线长度，在双基地条件下，定义基线长度为发射站与接收站之间的距离：研为在声波发射端所测量的波束指向角；靠为接收波束指向角；为分置角，定义为以目标为顶点，发射基地、接收基地与目标连线之问的夹角。在双基地条件下，通常使用两种坐标系，一种是平面直角坐标系，它是以基线中点为坐标原点，x 轴与基线同线，y 轴垂直于基线。在本文后面的讨论中，都是采用直角坐标系进行研究。第二种是平面极坐标系，它是以基线中点为坐标原点，方位角是以基线为起点，逆时针旋转为正。在研究不同问题时，可根据需要，采用适当的坐标系。2 3 双基地声纳方程水声中的现象与效应对声纳设计和应用会产生多种影响，这些影响体现在一些参数之中，声纳方程 3 6 3 8 是将介质、目标和设备的各项参数相互作用联结在一起的关系式。声纳方程的功能之一是对已有的或正在设计的声纳设备进行性能预报。此时，声纳设备的设计性能是己知的或是已假设好的，要求对某些有意义的参数，如检测概率或搜索概率等做出性能估计。声纳方程的另一用途是进行声纳设计。在这种情况下，所要设计的声纳作用距离是预第2 章双基地声纳定位理论先规定好的，这时要对声纳方程中特定的参数进行求解，而这些参数在实际中往往是不易确定的，必须通过反复验算以求得折中的最佳结果。主动声纳发射信号，声信号经功率放大由发射换能器向水中辐射声能，声能通过介质传递到被检测目标，经目标反射后再返回接收水听器。由接收水听器所接收的声信号，除目标回波外，还有其他非目标( 例如介质中杂散的散射体) 的散射波和干扰噪声，只有当目标回波级超过所有其他与目标无关的干扰级一定数值时，观察者才能确认有目标存在，即目标可以被检测。对于主动声纳，声纳方程分为以噪声为主和以混响为主的声纳方程。其表达式分别为：以噪声为主的声纳方程：s l 一2 t l + t s 一( n l d o = d tr 2 1 、1以混响为主的声纳方程：观一2 t l + 硒一r l = d t( 2 2 )其中各符号的物理意义如下：脱为声源级：指距发射换能器声轴中心1 米处，换能器所产生的声压级或声强级；兕为传输损失：距声源1 米处的声强级对传递到目标所在位置的声强级之差；岱为目标强度：在距目标声中心l 米处的声源方向上，目标所产生的回声强度和入射声强度的差级，n l 为噪声级：指接收水听器输入的噪声声强级；d i 为接收指向性指数：定义为实际水听器和无指向性水听器对各向同性噪声的声功率响应级之差；r l 为混响级：它等于在参考距离l 米处被单位面积或体积所散射的声强度与入射平面波强度的比值；d t 为检测阈：指在水听器输出端完成特定职能所需要的最小信号和干扰功率级差。以上各物理参数都以分贝为单位，即对强度或功率取l o 为底的对数，参考级按国际标准取均方根声压为l 肛p a c m 2 的平面波强度。被动声纳的信息流程比主动声纳简单，主要表现为接收的信号只承受单程传输损失。此外，被动声纳不发射信号，因而没有混响，接收机噪声主要是自身噪声和环境噪声。显然，被动声纳方程中不存在目标强度，根据被动声纳工作时的信息流程，可以得到被动声纳方程为：s z t l 一( n l d 1 ) = d tr 2 3 、9哈尔滨工程大学博士学位论文其中：s l 是噪声源辐射噪声的声源级，其余各参数的定义同主动声纳方程。双基地声纳同时具有主动声纳和被动声纳的工作特点，发射站发射声脉冲，照射目标，声波经目标散射产生目标回波，接收站在不同的位置接收目标回波。发射站以主动方式工作，而接收站由于只接收目标回波，工作在被动状态因而，依据双基地声纳的工作特点，其声纳方程也存在着两种形式。对于噪声限制的情况，双基地声纳方程为：观一儿l 一死2 + 硌一脱+ d 1 2 d t ( 2 - 4 )对于混响限制的情况，声纳方程为：脱一玛一瓯+ 稻一皿+ 研= d r( 2 5 1其中：咒，砚，分别为声源至目标和目标至接收机的传播损失。2 4 双基地声纳的作用距离声纳的作用距离，往往被认为是声纳战术指标中最重要的一项指标。作用距离是指声纳在一定条件下，能有效地发现目标并测量其数据的最大距离。这些条件包括：声纳的发射声源级、海况、传播衰减、环境噪声和目标强度等。不同的声纳对其作用距离的要求也不一样，例如警戒声纳比探雷声纳要求的作用距离远，舰用声纳比岸用声纳的作用距离近得多。关于双基地声纳的作用距离，目前还缺乏明确的定义。如果研究的双基地声纳系统是以母舰声纳作为发射机，航空声纳作为接收机配置而成的，则以母舰声纳( 即以发射机) 为中心，考察双基地声纳的作用距离较为合理。在仅考虑噪声限制的条件下，双基地声纳方程为：死i + z k = s l 一z + d i d t + t sr 2 6 、在式( 2 1 2 ) 中，当声纳的系统参数和海况给定时，声源级和噪声遮蔽级为确定的值。而窬，z 厶和死，是随着目标位置和双基地声纳几何关系的变化而变化的。为了进行双基地声纳作用距离估计，对其作如下的约定：1 t s 的取值1 0第2 苹双基地声纳定位理论在双基地条件下，目标强度取决于声波入射角和收发分置角两个量。在实际测量中，这两个量是随机的，不易人为控制。随着这两个量的变化组合，双基地目标强度可能小于，也可能大于单基地目标强度。在进行作用距离估计时，希望用某个统计平均的量来代表双基地目标强度。为此，我们把双基地条件下各个入射角和分置角的目标强度进行统计平均，得到z s 以稻取代具有随机性的穷来进行作用距离估计。2 传播损失与作用距离在双基地条件下，传播损失为t s = 碣+ t l 2( 2 7 1其中：玛代表声源到目标的传播损失，与发射机到目标的距离有关，记为玛“) 。死：代表目标到接收机的传播损失，与目标到接收机的距离白有关，记为死，( r d 。在s l 、n l 、t s 、d i 、d t 均已确定的条件下，双基地声纳的作用距离一满足：t l i ( ) + z 岛( ) = s l + t s n l + d ，一d t = 常数( 2 8 )此时，声纳的作用距离仅依赖于珞的取值。显然，在式( 2 - 1 4 ) 中，珞越小，越大。但是在实际情况中，一方面是未知量，另一方面也不能太小，否则直达波与目标回波在时问域上将难以分开。现假设通过信号处理的方法，可以在空间域上将直达波与回波分离开。那么，我们就可以在设定了某一珞值后，估计双基地声纳的作用距离。已有研究表明：在相同的声纳优质因素( 脱一n l + d i d t ) 情况下，如果配置得当，双基地声纳的作用距离比单基地声纳的作用距离可增大数倍，甚至一个数量级：工作频率越低，传播损失越小，双基地声纳的效果越好；声纳优质因素越高，效果越明显。2 5 双基地声纳配置双基地声纳的系统配置非常灵活。本文讨论的系统组成方案是：利用现有的单基地声纳，增设分置的接收系统，使它与原单基地声纳协同工作，从哈尔滨t 程大学博士学位论文而构成t r r 型双基地声纳。在实际应用中，采用多个分置的接收站，这种系统就可扩充成多基地声纳。在此型声纳系统中，接收站与原声纳站保持时间、频率、相位和空间同步。此外，还存在发射机只起照射作用的双基地声纳系统。采用一台发射机与一部或多部分置的接收机同步工作，共同组成r r 型双基地系统及丁一r ”型多基地系统。2 6 双基地声纳定位2 6 1 双基地声纳定位原理由于收发分置，双基地声纳的定位方法与单基地声纳相比，有很大的差别。双基地声纳的距离测量，不仅与回波的延迟时间有关，而且还与目标相对于发射站和接收站的几何位置有关。一般情况下，发射机、接收机和目标在几何上构成一个三角形。声源、目标和接收机分别位于三角形的三个顶点。声源发射声脉冲，声波经目标反射后，到达接收机，回波的传播时间为：q + 吒= ( + ) k( 2 9 )声脉冲不经目标反射，直接到达接收机的直达波传播时间为：f 3 = d i v 。( 2 一l o )回波与直达波之间的时间差为：f = f 1 + 吒一吒= 以+ r r d ) v c ( 2 - 1 1 )当声源与接收机的距离d ( 即基线长度) 确定时，产生相同时延的可能目标位置的轨迹为一椭圆，称为等时到达椭圆，如图2 2 所示。此椭圆的长半轴a 和短半轴b 分别为：a = 在2b = 1 1 2 4 r i - d 2( 2 1 2 )1 2第2 章双基地声纳定位理论夕r- 。jli 、71rm阴图2 2 等时到达椭圆f i g u r e 2 2e l l i p s ee x p r e s s i o nf o ra r r i v a lt i m e其中，* = r r + r r 。声源和接收机分别位于椭圆的两个焦点上。在单基地情况下，d = 0 ，声源和接收机合置，位于圆心，椭圆转变为以r r = r r 为半径的圆。因为双基地声纳构成了一个三角形的几何关系，所以对空间目标位置的定位，需要同时考虑目标与发射和接收基站之间的几何关系。根据定位参数的处理方法不同，可以有两种确定目标位置的方法p 1 ，即几何定位法和统计定位法。1 几何定位法几何定位法是一种根据位置线与定位参数的关系，通过计算位置线交点来得到目标位置的方法。在双基地条件下，常用的几何定位法主要有圆位置线相交法和直线位置线相交法。圆位置线相交法是通过测量发射和各接收站与需要定位的目标之间的直线距离，并在无误差的条件下，利用“目标一定位于以各基站为圆心、各基站与目标之间距离为半径的圆上”这一几何特性，即利用几条圆位置线相交来得到目标位置。假设发射站的坐标为( 而，蜥) ，接收站的坐标为( ，j ，局) ，i - l ，2 ，n ，n 为接收站的数目。目标到各接收站的距离为，目标的坐标为( x ，y ) ，则有如下关系：( x x r ) 2 + 一所) 2 = 毋( x h ) 2 + 0 ，一盹) 2 = ，f = 1 , 2 ，n ( 2 - 1 3 )哈尔滨二广程大学博士学位论文为了实现对目标的无模糊定位，至少需要三个基站或两个基站加上目标的其它先验信息( 如方位角) 在后面所研究的利用距离信息的定位算法，就属于这种定位方法。直线位置线定位法通过测量目标到达各基站的方位角，并在无误差的条件下，利用“目标一定位于以基站为起点，由目标方位角确定的射线上”这一几何特性，采用直线相交来得到目标位置。假设各基站所测量的方位角分别为谚，i2r ，r i ，r 2 ，- ，r ，则有如下的关系式：只= t a n 一1 二生) ，工一x t在利用直线位置线定位时，方位角测量数据。f = r ，r l ，r 2 ，r ( 2 - 1 4 )为了确定目标的位置，至少需要两个基站的2 统计定位方法统计定位方法是一种利用估计参数误差的统计特性来实现目标定位的方法。在双基地条件下，当发射和接收站分别测量距离和方位角，可得下列非线性方程：r r = z ( x ) = 瓜丽瓦孑了岛= 左( x ) = 们喀丛丛一曲龟= 五何) = 厄i 再而+ 厄i 再而( 2 1 5 )靠= 一) = 嘴垃而一其中，x = k 月7 。令测量矢量z = h ，口，鼍，日。】r ，函数矢量f = 【，i ，厶， ， 】7则得下列非线性方程组矢量表达式为：f ( x ) = z1 4( 2 1 6 )第2 章双基地声纳定位理论求解式( 2 2 2 ) ，可得目标位置矢量x 。在一般情况下，测量矢量存在一定的测量误差。假设定位参数的估计误差为零均值的高斯分布，根据定位参数与目标位置坐标的非线性关系，将双基地定位问题转化成一个非线性最优化问题，可用一般的无约束最优化方法来求解。这种方法还可以进一步扩展到多基地声纳的研究中。2 6 2 双基地声纳定位误差的表示方法受测量设备和环境因素的影响，测量参数总会存在一定的误差，定位误差是衡量定位系统准确性的主要指标。常用的定位误差的表示方法主要有：均方误差与均方根误差、平均定位误差、定位精度的几何解释和等概率误差椭圆等。1 均方误差与均方根误差均方误差( m s e ) 与均方根误差( r m s e ) 是随机误差的一种常用的表示方法。假设目标的真实位置为( 五j ，) ，目标的估计位置为( 膏，夕) ，则均方误差与均方根误差的定义为：m s e = e ( x 一章) 2 + ( y 一刃2 】( 2 - 1 7 )r 1 。：r m s e = e ( x i ) 2 + ( y 一刃2 】( 2 - 1 8 )2 平均定位误差平均定位误差定义为n 决定位误差的算术平均值，它也是衡量定位精度的一种常用方法。其优点是比较简单。但一次很大的定位误差可能会导致平均定位误差的上升。3 定位精度的几何解释任何一种定位系统对不同空间位置的目标，其定位精度是不同的。这就意味着目标位置的定位误差与目标相对于定位站的几何关系是密切相关的。不同几何布局的定位站对同一个空间位置上的目标，其定位误差是不同的，因此需要研究定位误差与定位站几何布局之间的关系。同样的，在定位站几何布局己定的条件下，了解这种定位系统对不同空间位置上目标的定位误差1 5哈尔滨1 二稃大学博七学位论文分布，对于有效地使用这种定位系统，精确地对目标进行定位和跟踪也是十分必要的。为了描述定误差与几何的关系，衡量几何位置对定位性能影响程度，定义一个名词叫做“定位精度的几何解释”，即g d o p ( g e o m e t r i c a ld i l u t i o no fp r e c i s i o n ) ，它可以表示