（水声工程专业论文）双多基地声纳定位算法研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 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，详细讨论了多基地声纳的配置方案。 关键词: 多基地声纳; 定位精度; 三维定位; 精度分析; 定位误差的几何分布( g d o p ) ab s t r a c t abs tract b e c a u s e o f t h e s e p a r a b l e r e s o u r c e a n d r e c e iv e r , m u l t i s t a t i c s o n a r h a s m a n y s p e c i a l c h a r a c t e r i n u n d e r w a t e r t a r g e t d e t e c t i o n a n d l o c a l i z a t i o n . a t p r e s e n t , t h e r e s e a r c h o f m u l t i s t a t i c s o n a r h a s b e e n t a k e n a s a n i m p o rt a n t t h i n g . i n t h i s p a p e r , a n i n t e n s iv e s t u d y o f k e y t e c h n i q u e s o f t h e m u l t i s t a t i c s o n a r h a v e b e e n c a r r i e d o u t f r o m t h e p o i n t o f m u l t i s t a t i c g e o m e t r y . t h e b i s t a t i c s o n a r l o c a l i z a t i o n o f u n d e r w a t e r t a r g e t h a s b e e n t h o r o u g h l y s t u d i e d . t h e m a i n c o n t r i b u t i o n s o f t h i s p a p e r a r e s u m m a r i z e d a s f o l l o w s : l . t h e s o n a r e q u a t i o n s o f b i s t a t i c s o n a r a r e d e v e l o p e d f r o m a n e n e r g y p o i n t o f v i e w . t h e m e a n i n g o f t h e p a r a m e t r i c a n d t h e e ff e c t s o f t h e p a r a m e t r i c o n s o n a r e q u a t i o n s h a v e b e e n s t u d i e d . t h i s p a p e r a l s o d e s c r i b e s t h e l o c a l i z a t i o n e r r o r w i t h g e o m e t r i c a l d i l u t i o n o f p r e c i s i o n ( g d o p ) . 2 . a i m i n g a t t h e p r o b l e m o f u n d e r w a t e r o b j e c t l o c a t i o n i n b i s t a t i c s o n a r , t h e p a p e r d i s c u s s e d s i x b as i c l o c a t i o n m e t h o d s a n d a n o p t i m i z e d m e t h o d o f t w o - d i m e n s i o n a l . t h e p e r f o r m a n c e s o f f o u r a l g o r i t h m s a r e e v a l u a t e d v i a c o m p u t e r s i m u l a t i o n s . t h e g e o m e t r i c a l d i s t r i b u t i o n o f e r r o r s h a v e a l s o b e e n g i v e n . mo r e o v e r , t h e a c c u r a c y a n a l y s i s f o r d i ff e r e n t m e a s u r e m e n t s a n d p a r a m e t e r s ( s u c h as t i m e m e a s u r e e r r o r , a z i m u t h m e a s u r e e r r o r , b u o y s e r r o r , b as e l i n e l e n g t h a n d s o u n d v e l o c i t y fl u c t u a t e ) a r e g i v e n r e s p e c t i v e l y . t o m a k e t h e b e s t o f t h e o b s e r v a t i o n d a t a s , t h e w e i g h l e a s t s q u a r e l o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m i s u s e d b y i m p r o v e d t h e a c c u r a c y i n b i s t a t i c s o n a r . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e a c c u r a c y o f p o s i t i o n lo c a t i o n i s h i g h e r t h a n t h e o t h e r f o u r a l g o r i t h m s . t h i s a l g o r i t h m c a n i m p r o v e t h e a c c u r a c y o f p o s i t i o n l o c a t i o n i n s t a t i o n s a r e as a n d s i d e a r e a s e ff e c t i v e l y . 3 . f o u r a l g o r i t h m s o f p o s i t i o n l o c a t i o n i n t h r e e - d i m e n s i o n a l a r e d i s c u s s e d w h e n t h r e e m e a s u r e m e n t s c a n b e u s e d . t h e p o s i t i o n l o c a t i o n a c c u r a c y c o n t o u r s a r e d r a w n t o e v a l u a t e t h e l o c a t i o n p e r f o r m a n c e v i a c o m p u t e r s i m u l a t i o n . t h e a c c u r a c y a n a l y s i s f o r d i ff e r e n t m e a s u r e m e n t s a n d p a r a m e t e r s a r e g i v e n r e s p e c t i v e l y . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s m. s . t h e s i s , n o rt h w e s t e m p o l y t e c h n i c a l u n i v e r s i t y s h o w t h a t t h e a c c u r a c y o f p o s i t i o n l o c a t i o n i s i n fl u e n c e d b y a z i m u t h e r r o r g r e a t l y . i n p r a c t i c e , i t c a n g e t m u c h b e t t e r p o s i t i o n i n g p e r f o r m a n c e t o i m p r o v e a z i m u t h a c c u r a c y . c o m p a r i n g w i t h i t i n t w o - d i m e n s i o n a l , t h e p o s i t i o n l o c a t i o n a c c u r a c y i n t h r e e - d i m e n s i o n a l i s l o w e r . i t i s b e c a u s e t h a t t h e h e i g h t e r r o r i s u s e d . 4 . e x t e n d i n g t h e m e t h o d o f p o s i t i o n l o c a t io n i n b i s t a t i c s o n a r t o t h e s t u d y o f m u l t i s t a t i c s o n a r , t h e a l g o r i t h m w h i c h u s e d d i s t a n c e d a t a s h a s b e e n d i s c u s s e d . b e s i d e s , t h e p a p e r a n a l y s i s e d t h e g e o m e t r i c a l d i s t r i b u t i o n o f e r r o r w h i c h i n d i ff e r e n t s t a t i o n s l a y o u t a n d p r e s e n t e d t h e b e s t p r e c e p t o f s t a t i o n s p o s i t i o n . k e y w o r d s : m u l t i s t a t i c s o n a r ; p o s i t i o n l o c a t i o n a c c u r a c y ; t h r e e - d i m e n s i o n a l p o s i t i o n l o c a t i o n ; a c c u r a c y a n a l y s i s ; g e o m e t r i c a l d i l u t i o n o f p r e c i s i o n ( g d o p ) 第一章 绪论 第一章绪论 1 . 1前言 1 . 1 . 1研究目的 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， 谁就会在未来海战中取得最大的胜利。 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。 传统的水声设备， 基本上都是按单基地模式独立工作， 人们所关心的只是声 纳本身的单程或双程探测能力。 这种类型声纳，由于其收发合置， 声纳在探测目 标的同时， 也暴露了自己， 因而，隐蔽性能较差， 极易被敌方发现。 随着现代声 纳技术的发展及世界各海军大国对潜艇隐身技术的深入研究， 使潜艇和水面舰的 目 标强度大大降低， 现代潜艇和水面舰变得越来越安静， 这使得被动声纳的作用 距离变短， 用被动声纳来探测水下目 标变得越来越艰难。 但是，由于水下目 标结 构的复杂性， 对于潜艇等水下目 标艇体进行整体的回声隐身设计， 尚 处于起始阶 段， 不可能做到全频段、 全方位隐身。 这就为运用主动声纳探测水下目 标提供了 可能。 近几年所发展起来的 双基地声纳或多基地声纳就是解决这一问 题的有效手 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， 多个接收机在不同方位接收目 标回波， 探测范围是以声源和每个接收机为焦点的 多个椭圆。 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、优化设计易于实现、机动灵活、 作用距离远、定位精度高等优点。而且由于潜艇目标来自目 标散射体空间的3 6 0 第一章 绪论 第一章绪论 1 . 1前言 1 . 1 . 1研究目的 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， 谁就会在未来海战中取得最大的胜利。 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。 传统的水声设备， 基本上都是按单基地模式独立工作， 人们所关心的只是声 纳本身的单程或双程探测能力。 这种类型声纳，由于其收发合置， 声纳在探测目 标的同时， 也暴露了自己， 因而，隐蔽性能较差， 极易被敌方发现。 随着现代声 纳技术的发展及世界各海军大国对潜艇隐身技术的深入研究， 使潜艇和水面舰的 目 标强度大大降低， 现代潜艇和水面舰变得越来越安静， 这使得被动声纳的作用 距离变短， 用被动声纳来探测水下目 标变得越来越艰难。 但是，由于水下目 标结 构的复杂性， 对于潜艇等水下目 标艇体进行整体的回声隐身设计， 尚 处于起始阶 段， 不可能做到全频段、 全方位隐身。 这就为运用主动声纳探测水下目 标提供了 可能。 近几年所发展起来的 双基地声纳或多基地声纳就是解决这一问 题的有效手 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， 多个接收机在不同方位接收目 标回波， 探测范围是以声源和每个接收机为焦点的 多个椭圆。 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、优化设计易于实现、机动灵活、 作用距离远、定位精度高等优点。而且由于潜艇目标来自目 标散射体空间的3 6 0 西北工业大学硕 卜 学位论文 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。 本论文的研究工作正是基于这种背景， 结合总装“ 十五” 重点预研项目“ 多 基地主动声纳技术研究” 而进行的。 研究的主要内容是:根据双、多基地声纳的 工作特点，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， 为多基地声纳系统用于水下目 标定位理论依据。同时， 通过研究， 还可为我 国多基地声纳新体制的建立提供预研基础和可行性论据， 为航空声纳、 声纳浮标 等多种声纳装备与母舰声纳的联合反潜作战提供科学依据。 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1 - 6 。 五十年代6 j 美国国内的一些实验室， 开始为美国 海军研究部研究双基地声纳的有关问 题。 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和有效。 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川。 实验由舰壳声纳 s q s - 2 6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 舰试 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。 这些文献8 - 13 1 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 解禁的文献中， 报道了大量国外有关双基地声纳的实验研究工作。 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。 西北工业大学硕 卜 学位论文 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。 本论文的研究工作正是基于这种背景， 结合总装“ 十五” 重点预研项目“ 多 基地主动声纳技术研究” 而进行的。 研究的主要内容是:根据双、多基地声纳的 工作特点，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， 为多基地声纳系统用于水下目 标定位理论依据。同时， 通过研究， 还可为我 国多基地声纳新体制的建立提供预研基础和可行性论据， 为航空声纳、 声纳浮标 等多种声纳装备与母舰声纳的联合反潜作战提供科学依据。 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1 - 6 。 五十年代6 j 美国国内的一些实验室， 开始为美国 海军研究部研究双基地声纳的有关问 题。 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和有效。 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川。 实验由舰壳声纳 s q s - 2 6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 舰试 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。 这些文献8 - 13 1 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 解禁的文献中， 报道了大量国外有关双基地声纳的实验研究工作。 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。 第一章 绪论 1 9 8 2 年， h a r v e y ? 1 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。 1 9 8 6年，美国海军海洋系统中心完成的 “ 双基地主动声纳方程p 0 ”的研究 报告中， 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rn a 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 题1 5 - 2 3 ) 。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 工 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 1 5 为主要设备的浅海多基地声纳 实验， 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1 6 ,2 0 ,2 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。 具体海上实验的隋 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1 2 1 研制了 一套基于航空声纳浮标的多基地主动 声纳系统。 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 西北工业大学硕士学位论文 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 8 。 该研究计划的目 的是为了研究多基地技术在b a l t i c 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19 ,2 1 ,2 2 1 ， 意大利s a c l a n t ( s u p r e m e a l l i e d c o m m a n d e r a t l a n t i c ) 水下研究中心，运用 “ 可用的水下监视系统”( d u s s : d e p l o y a b l e u n d e r w a t e r s u r v e i l l a n c e s y s t e m s ) 进行了 大量多 基地声纳的实验和理论i作。 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 s u n d e r w a t e r v e h i c l e ) 在多基地配置时的定位精度问 题。 1 9 9 9 年， 第五届工 e e e 关于信号处理及应用的国际会议中， 澳大利亚2 3 1 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， 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 c b a r r a s y s t e 耐，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 c e t e c h n o l o g y ) 国际会议上， 韩国的s c h o , j c h u n 等发表了 基于总体最小二乘方法的多基地声纳定位(2 4 1 的文章。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， 工 e e e 海洋工程杂志2 5 1 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， 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 2 6 1 发表，重点对 第一章 绪论 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 “ 8 . 5 期 间， 西北工业大学、中国船舶重工集团公司7 6 0 所、 7 1 5 所进行了有关双基地声 纳定位原理、定位方法、测向精度等方面2 7 - 3 0 / 的理论研究工作。 2 0 0 1 年， 凌国民3 1 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 等进行了 简单的 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， 现己列入“ 十五” 计划，己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。 许多国家己 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， 迫切 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 合海军武器装备 “ 十五”预研课题 “ 多基地主动声纳技术研究” ， 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 第一章 绪论 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 “ 8 . 5 期 间， 西北工业大学、中国船舶重工集团公司7 6 0 所、 7 1 5 所进行了有关双基地声 纳定位原理、定位方法、测向精度等方面2 7 - 3 0 / 的理论研究工作。 2 0 0 1 年， 凌国民3 1 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 等进行了 简单的 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， 现己列入“ 十五” 计划，己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。 许多国家己 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， 迫切 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 合海军武器装备 “ 十五”预研课题 “ 多基地主动声纳技术研究” ， 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 西北工业大学硕士学位论文 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， 为我国多基地声 纳新 体制的建立提供可行性论据。 6 .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。 1 . 3双基地声纳工作体制特点分析 1 .3 . 1声纳的工作方式 水下监视系统 3 1,3 3 ,3 4 的主要作用是通过接收水中目 标的辐射噪声或主 动声 纳信号的回波信号来进行目 标的检测、 分类、 跟踪以及参数估计。 现代作战系统 中， 用被动声纳来监听目 标的辐射噪声， 用严格的单基地主动声纳进行回声定位。 两类声纳都用于进攻和防御， 但主动声纳较多地应用于水面舰艇， 而被动声纳则 较多地用于潜艇上。 多 基地声纳(2 6 ,3 5 同时具有主动和被动声纳的工作特点。 在多基地条件下， 声 西北工业大学硕士学位论文 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， 为我国多基地声 纳新 体制的建立提供可行性论据。 6 .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。 1 . 3双基地声纳工作体制特点分析 1 .3 . 1声纳的工作方式 水下监视系统 3 1,3 3 ,3 4 的主要作用是通过接收水中目 标的辐射噪声或主 动声 纳信号的回波信号来进行目 标的检测、 分类、 跟踪以及参数估计。 现代作战系统 中， 用被动声纳来监听目 标的辐射噪声， 用严格的单基地主动声纳进行回声定位。 两类声纳都用于进攻和防御， 但主动声纳较多地应用于水面舰艇， 而被动声纳则 较多地用于潜艇上。 多 基地声纳(2 6 ,3 5 同时具有主动和被动声纳的工作特点。 在多基地条件下， 声 西北工业大学硕士学位论文 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， 为我国多基地声 纳新 体制的建立提供可行性论据。 6 .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。 1 . 3双基地声纳工作体制特点分析 1 .3 . 1声纳的工作方式 水下监视系统 3 1,3 3 ,3 4 的主要作用是通过接收水中目 标的辐射噪声或主 动声 纳信号的回波信号来进行目 标的检测、 分类、 跟踪以及参数估计。 现代作战系统 中， 用被动声纳来监听目 标的辐射噪声， 用严格的单基地主动声纳进行回声定位。 两类声纳都用于进攻和防御， 但主动声纳较多地应用于水面舰艇， 而被动声纳则 较多地用于潜艇上。 多 基地声纳(2 6 ,3 5 同时具有主动和被动声纳的工作特点。 在多基地条件下， 声 第一章 绪论 源( 发射机) 与接收设备是远距离分开的。 声源向水中发射声脉冲， 如果目 标存在， 将与单基地工作方式一样，向空间辐射声能。 在这种情况下， 可以 把目 标看成是 被动工作方式的声源。 在双基地条件下， 传播损失是双程的. 但声波所经历的两个传播距离、 吸收 因子是不同的。 侧向可以通过测量回波的反射方向来进行。 而测距则是利用双基 地声纳收发设备之间存在的几何关系， 通过解算声纳定位方程， 解得目 标到接收 机的距离。 作为仅以被动方式工作的接收机， 其位置是不易被目 标发现的。 因而， 双、 多基地声纳可以同时完成主动声纳和被动声纳的各项功能。 正因为如此， 采 用多基地声纳的水下监视系统，其反潜作战能力将会获得大幅度地捉高。 1 .3 .2收发分置声纳的系统配置 典型收发分置主动声纳1 3 11 系统配置如图1 . 1 所示。图中: t 代表声源， r 代表接收机。 : - - - - a r e! a单基地 _r , 一卜 一 一7 日双签地 一 rr .e-= tt- r ， 代 c 多葵地 一 一 d前向散射 图1 . 1收发分置声纳的系统配置 图1 . i a 是传统的单基地声纳系统配置， 发射和接收机虽分开放置， 但它们 之间的 距离比声波作用距离小得多， 接收机所接收的声波主要来自目 标的背向散 射方向。这种配置是目 前大多数声纳所采用的系统配置。 图1 . 1 b 为典型的双基地声纳系统配置， 是多基地声纳系统配置中最简单和 最基本的一种。 在这种几何配置下， 一个声源发射声波， 接收机布设在不同的位 置接收目 标回波。 声源与接收机分开一定的距离， 接收机所接收的目 标回波主要 来自 声波的非入射方向。目前国外对双基地声纳系统的研究表明， 采用双基地声 第一章 绪论 源( 发射机) 与接收设备是远距离分开的。 声源向水中发射声脉冲， 如果目 标存在， 将与单基地工作方式一样，向空间辐射声能。 在这种情况下， 可以 把目 标看成是 被动工作方式的声源。 在双基地条件下， 传播损失是双程的. 但声波所经历的两个传播距离、 吸收 因子是不同的。 侧向可以通过测量回波的反射方向来进行。 而测距则是利用双基 地声纳收发设备之间存在的几何关系， 通过解算声纳定位方程， 解得目 标到接收 机的距离。 作为仅以被动方式工作的接收机， 其位置是不易被目 标发现的。 因而， 双、 多基地声纳可以同时完成主动声纳和被动声纳的各项功能。 正因为如此， 采 用多基地声纳的水下监视系统，其反潜作战能力将会获得大幅度地捉高。 1 .3 .2收发分置声纳的系统配置 典型收发分置主动声纳1 3 11 系统配置如图1 . 1 所示。图中: t 代表声源， r 代表接收机。 : - - - - a r e! a单基地 _r , 一卜 一 一7 日双签地 一 rr .e-= tt- r ， 代 c 多葵地 一 一 d前向散射 图1 . 1收发分置声纳的系统配置 图1 . i a 是传统的单基地声纳系统配置， 发射和接收机虽分开放置， 但它们 之间的 距离比声波作用距离小得多， 接收机所接收的声波主要来自目 标的背向散 射方向。这种配置是目 前大多数声纳所采用的系统配置。 图1 . 1 b 为典型的双基地声纳系统配置， 是多基地声纳系统配置中最简单和 最基本的一种。 在这种几何配置下， 一个声源发射声波， 接收机布设在不同的位 置接收目 标回波。 声源与接收机分开一定的距离， 接收机所接收的目 标回波主要 来自 声波的非入射方向。目前国外对双基地声纳系统的研究表明， 采用双基地声 两北工业大学fi 0卜 学位论文 纳进行水下监视， 可以显著提高系统的探测距离。 双基地声纳的定位精度明显高 于同等条件下的单基地声纳。 图1 . 1 c 是图1 _ 1 b 双基地声纳系统配置的近一步扩展， 采用多部声源同时 发射声波， 接收也是由许多接收机组成。 在这种配置下， 多部发射机和接收机组 成多基地网络系统， 协同工作。 这样的配置显著增加了作用面积， 使系统的检测 性能大幅度增强。 同时，由于使用了分置的多个发射和接收源， 使目 标潜艇的隐 藏、 规避、攻击的能力更加复杂，声纳的隐蔽性和抗干扰性都得到显著地改善。 此外， 当声源或者接收机是自 主工作， 并且是和人工操纵平台分开的， 这样的配 置也保证了人工操纵平台的安全。目 前， 这种配置己经相当普遍地应用于国外一 些海军装备，而且，还应用于石油和天然气的勘探中。 图1 . 1 d 代表了一种对于单基地、 双基地、 多基地声纳概念变更的检测方式， 这种配置主要是利用目 标的前向散射声能来检测目 标。 前向 散射的目 标位于声源 和接收机的连线上。 这种配置的突出优点是:由于目 标的前向散射强度较大， 因 而可以大大降低发射站的声波发射功率， 使目 标难以用降低目 标强度的方法来进 行规避， 从而可有效提高声纳系统的检测概率。 而且， 通过合理地配置双基地声纳发射和接收机的位置， 把发射站布设在比 较安全的地方， 接收站布设在离目 标比较近的位置， 不仅可以提高系统的工作能 力，同时，还可以大幅度增强声纳的隐蔽性能。 1 .3 .3多基地声纳的结构特点 多基地声纳与单基地声纳相比， 其结构