（水声工程专业论文）声纳脉冲侦察与被动测距研究.pdf

哈尔浜工程大学硕士学位论文 系统采用了数字化的实现方式，以f p g a 实现系统的数据传输和控制， 而以t i 的d s pc 6 4 1 6 实现巨大的信号处理运算。该系统兼有实时部分与批 处理部分，设计时需兼顾软、硬件两个方面，确保系统工作的实时性、可靠 性。本文对相应的部分作了详细的介绍。 本文所研究的鱼雷声纳脉冲侦察系统通过了实验室模拟器验证。针对对 称阵和非对称阵两种阵型，设定多种试验条件，对系统的各个性能做全面的 考核。试验表明基于两种阵型的系统都具有较高的精度及良好的可靠性。与 同类传统声纳相比，系统各方面的性能都有较大的提升。 关键词：被动测距测向；频率估计；时延估计；自适应滤波；d s p 距离模糊 哈尔滨工程人学硕十学位论文 a b s t r a c t i ti s v e r yd a n g e r o u sf o rs u b m a r i n ew h e nr a n g i n gb ya c t i v es o n a r t r a n s m i t t i n gp u l s eb e c a u s ea c t i v es o n a rp r o v i d e ss i g n a lt oe n e m yw h i c hw i l l r e v e a li t s e l fa n di ti sat r e m e n d o u sd i s a d v a n t a g ef o rs u b m a r i n e t h e r e f o r e h o wt o u s ep a s s i v es o n a rt oc h e c ks i g n a la n de s t i m a t et h ep a r a m e t e r so fa i mb e c o m ea a c t i v et h e m ei n 廿1 eu n d e r w a t e ra c o u s t i cd o m a i n t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st o r e s e r c ha n dd e s i g nad i g i t a lf i s ht o r p e d os o n a r p u l s ed e t e c ts y s t e m ( d s p d s ) ，t o s o l v es o m ed e f e c tw h i c he x i s ti nt r a d i t i o n a ls o n a r ，t oa c c o m p l i s hr e a l t i m e d e t e c tt h ea i ma n dj u d g et h ea i m st y p ea n de s t i m a t et h ec e n t e rf r e q u e n c y , a n g l e ， d s i n t a n c e ，r e p e a tp e r i o do ft a r g e t ，t of o l l o wt h ef a s tm o v i n gt a r g e t ，a sw e l la st o a d a p tt h es y s t e mt od i f f e r e n tf l m a kt h r e es u b a r r a yt y p e sw i t h o u tt h el i m i t a t i o no f i n s t a l l a t i o np l a c e c o m m o n l y , i np a s s i v er a n g i n gs o n a r ，t a r g e tr a n g ef i n d i n gi sa c c o m p l i s h e d b ye s t i m a t i n gt h et i m ed e l a yb e t w e e ns i g n a l se m a n a t i n gf r o mar e m o t es o u r c ea n d r e c e i v e db yt h r e es p a t i a l l ys e p a r a t e da r r a ye l e m e n t s w i t ht h eh e l po fp a s s i v e r a n g i n ga n db e a r i n gf o r m u l a ，w h i c hi sd e r i v e df o ra r b i t r a r yl i n e a ra r r a yt y p e ， g e n e r a lc h a r a c t e r i s t i co ft h et i m ed e l a yi sa n a l y z e di n d e t a i l i nt h et h e s i s t o h i g h e rt h er a n g i n ga c c u r a c y , ab i g g e ra r r a ya p e r t u r ei sr e q u i r e dt oe f f e c t i v e l y e s t i m a t et h er a n g eo ft a r g e tf a ra w a y i na d d i t i o n ，s i n g n a lp r o c e s s i n gm e a s u r e sa r e a l s oi n d i s p e n s a b l e ，w h i c h1 e a d st od i f f e r e n tt i m ed e l a ye s t i m a t i o n ( t d e ) m e t h o d s a c c e p t a b l ef o rf a ra n dn e a rt a r g e ts t a t u s f o rf a rt a r g e t s ，b a s e do na z i m u t hw o r d f r o mt r a c k i n gs y s t e m ，kp a r a m e t e rd i s t r i b u t i o nm e t h o d ( k - p d m ) i su s e dt o e s t i m a t et h et i m ed e l a yb e c a u s eo ft h el o w e rs i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) a n dt h e v a g u ec o r r e l a t i o ns u m m i t h o w e v e r , f o rn e a rt a r g e t s ，k c d mh a st h ep r o b l e mo f r a n g eb l u r r i n g ，t h e nd 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 di n s t e a dt h eh i g h e r s n ra n dt h ec l e a rs u m m i t t h ep r o b l e mo fw h o l ec o u r s er a n g i n gi sa c c o m p l i s h e d b ys w i t c h i n gt h e s et w om e t h o d sa p p r o p r i a t e l y t h o u g hs i m p l e t h e p a s s i v er a n g i n g m o d e li n t h e o r y , t h ep r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o nd e t a i li sv e r yc o m p l e xb e c a u s et h et i m ed e l a yn e e d e di so ft h e o r d e ro fm i c r o s e c o n d ，w h i c hi st h es a m eo rl e s st h a nt h ep r o p a g a t i o nt i m e 哈尔滨工程大学硕十学位论文 f l u c t u a t i o no fu n d e r w a t e rc h a n n e l c o n s e q u e n t l y , s o m es i g n a l p r o c e s s i n ga n d r e a l t i m ec o r r e c t i o na l g o r i t h mm u s tb ec o n c e i v e df o rp a s s i v er a n g i n g t h i st h e s i s d i s c u s s e st h eg e n e r a l d e s i g np r i n c i p l eo fs y s t e m ，a n di n t r o d u c es o m es i g n a l p r o c e s sm e t h o d si nd e t a i l ，i n c l u d i n ga d a p t i v el i n e a re i l l l a n c e r ( a l e ) ，c o r r e c t f r e q u e n c ye s t i m a t o r , a d a p t i v ef r e q u e n c ye s t i m a t o r ( n o t c hf i l t e r ) ，p o s t - f i l t e r b e c a u s eo ft h e s es i g n a lp r o c e s sm e t h o d ，t h e r ei ss t r o n ga b i l i t yt of o l l o w i n gf a s t t a r g e t ，e s p e c i a l l yf o rt h et a r g e tu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fc o m p l e xc o u r s ea n df a s t a z i m u t hc h a n g i n gr a t i o d s p d si si m p l e m e n t e dd i g i t a l l y a sar e a l t i m es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，i t i sd e s i g n e dw i t la r te y eo ns o f t w a r em i dh a r d w a r ec o w o r k 1 e a l t i m ea n dr e l i a b l e r u n n i n g f p g a sf u n c t i o n i st o i m p l e m e n tt h ed a t at r a n s m i ta n dc o n t r o l t h e f l o w i n go ft h ed a t a ，w h i l ed s pc 6 0 0 0c o m p l e t et h ee n o r m o u ss i g n a lp r o c e s s o p e r a t i o n t h i st h e s i sa l s od i s c u s s e st h ep r o b l e mg i v i n g a r i s ei n t h i s i m p l e m e n t a t i o na c c o r d i n g l y d s p d sh a sp a s s e dt h ev a l i d a t i o nt a n n e db ys i m u l a t o ri nl a b o r a t o r y f o r s y m m e t r i ca n da s y m m e t r i ca r r a y s ，t e s t sa r ec a r r i e do u tt oa s s e s st h er a n g i n g c a p a b i l i t yo ft h es y s t e mw i t hv e r s a t i l et e s tc o n d i t i o n i th a sp r o v e dt h a td s p d s h a sh i g h e rr a n g i n ga c c u r a c ya n db e t t e rr e l i a b i l i t yi n d e p e n d e n to ft h ea r r a yt y p e s c o m p a r e dw i t hs i m i l a rc o n v e n t i o n a ls o n a r ，d s p d si m p r o v e st h ep a s s i v e s o n a r p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p a s s i v er a n g i n g ；p a s s i v eo r i e n t a t i o n ；f r e q u e n c ye s t i m a t i o n ； 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 ；r a n g i n gi l l e g i b i l i t y 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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) ： 给聋i 薹么 日 期：夕勺二年7月7日u v 哈尔滨上程大学硕士论文 1 1 引言 第1 章绪论 声呐( s o n a r ) 是”s o u n dn a v i g a t i o na n dr a n g i n g ”缩写的音译， 意思是声导航和测距。近些年以来，由于声呐采用了一些新理论、新技术和 新器件，声呐进入了新的发展阶段。其含义已经远远超出了原来所指的内容。 什么是声呐? 简而言之，声呐就是利用水下声波判断海洋中物体的存在、位 置及类型的方法和设备。更广义地说，凡是用声波对水下目标进行探测、定 位、跟踪以及利用水下声波进行通信、导航、制导、武器的射击指挥和对抗 等方面的水声设备皆属于声呐这一范畴。 从某种意义上讲，是战争军事推动了科学技术的发展。这种观点放在声 呐领域也是恰当的。自1 4 9 0 年意大利的艺术家、科学家达芬奇发名声管， 到1 9 1 2 年英国“泰坦尼克”触礁沉没惨剧的发生，再到1 9 1 7 年法国科学家 郎之万首次使用超声换能器历时4 2 7 年，可以说一直处于孕育胚胎阶段。而 两次世界大战极大地促进了声呐的发展，无论是理论和实验研究方面都取得 了很大的成就。声呐在军事上的应用是广泛的，例如水下探测、定位和跟踪、 水f 武器指挥系统、水下通信、水雷探测、水下导航、目标识别、水声侦察 与干扰，以及水下防御系统。声呐的民用研究是始于二次世界大战之后的， 且使用范围也日益扩大，例如海底地貌测绘、海洋地质考察、船舶导航、鱼 群探测等。在海上石油勘探和开发过程中、在水下石油管道铺设与定位、井 口重入等各方面，声呐已经并将继续发挥其重要作用。 随着科学技术的发展和进步，声呐技术也取得了突飞猛进的发展。声呐 技术的发展主要得益于信号处理理论、现代电子技术、现代雷达技术、现代 通信技术，以及水声学理论研究、实验研究和仿真研究的发展。 现代声呐的主要特点及发展方向是采用低频、大功率、大尺度基阵，采 用各种信号处理技术。在信号处理方面，广泛采用相关处理、脉冲压缩以及 快速傅里n 十变换、各种谱分析技术和各种自适应技术。 哈尔滨工程大学硕士论文 应当晚，各种先进的信号处理理论及技术能够取得如此的成绩，正是得 益于现代电子技术的发展。现代电子技术的发展使得数字信号处理器件的速 度达到了纳秒( n s ) 级，封装体积更加小型化，功能更加强大。同时，也正 是现代电子技术的发展水平限制了一些信号处理理论及技术不能够在水声领 域实用化。例如人工神经元网络、高阶谱估计、时频分析技术以及小波分析 技术在其它领域已经取得了一定的成绩，并且得到了一定的应用，然而他们 需要大计算量，在水声领域还没有进入实用阶段。 声呐技术的发展在很大程度上受到了雷达技术的影响。声呐的有关技术 很大程度上来源于雷达技术。如匹配滤波器技术，众所周知，匹配滤波器是 白噪声背景下有规信号检测的最佳接收机，匹配滤波器在水声领域虽未取得 如雷达领域那么大的成功，但毕竟还是在很大程度上推动了声呐技术的发展。 又如合成孔径技术在雷达领域取得了神奇的效果，使得雷达的分辨力提高到 了米的量级。这就启发水声工作者进行合成孑l 径技术在水声领域应用的研究， 这就是合成孔径声呐。 通信声呐技术与现代通信技术。通信声呐是基于水声信道的通信技术和 设备。现代通信技术中的一些理论在遵循水声信道的特点的基础之上都可以 应用于水声通信。水声信道是一个缓慢时变、空变的多途信道，同时也是一 个梳状滤波器。这在很大程度上与移动通信的信道特点相符合。所以，各种 调制技术，同步技术、信源编码技术、信道编码技术、均衡技术、分集技术 以及各种最佳接收机设计技术、扩频通信技术，均在水声通信领域取得了不 同程度的成就。其中均衡技术取得了较为显著的成就，这也正是水声信道的 特点所决定的。 总之，现代声呐是集中了现代电子科学技术的高科技系统。现代电子科 学技术的发展推动了现代声呐技术的发展。同样现代声呐技术的发展也提出 了对现代电子科学技术的更高的要求。 声纳脉冲侦察正是现代声呐中的种，它具备了现代声呐所需要的基本 要素。 哈尔滨工程火学硕士论文 1 2 研究背景和意义 潜艇以其机动灵活、隐蔽性好、突击力强等优点，受到各国海军的高度 重视，作为一种重要的战略威胁力量，被认为是海军实力的象征。潜艇在水 下航行，目标检测、定位以及实施攻击是潜艇作战系统的三个重要环节，而 对目标定位尤为重要。为防备水中兵器尤其是鱼雷的攻击，潜艇必须具备鱼 雷报警和拦截的功能，反鱼雷武器对鱼雷的运动要素一距离、方位、航向、 航速的测量精度有很高的要求，很小的误差就可能导致命中概率降低。 对目标的检测、定位须借助声呐进行。按其工作的原理或方式可分为主 动式声呐和被动式声呐。主动声纳发射声脉冲信号，利用目标反射的回波进 行探测，这样容易暴露自身，遭到对方的攻击，影响到自身的安全。所以潜 艇水下航行长时问使用的是被动声呐，它利用目标本身辐射的信号或噪声来 探测。 被动测距声呐是从7 0 年代初开始研制的。被动声呐具有保密性好，定向 距离远等优点，但它在测距时较困难。 足够大，用三点阵测距是没有问题的。 时精确测量出来。 传统声纳在很多方面存在不足： 在理想条件下，只要声呐基阵的孔径 关键是把三个基阵的声中心的相对延 大量使用模拟电路进行信号处理，模拟信号处理的缺点不言而喻， 带宽、数据传输和存储都难以控制，最重要的是模拟通道间的相移很难完全 消除。影响整个系统得精度。 结构单一。传统声纳基于三元对称阵测距模型，阵元间距之比为1 ：1 。 由于实际工作环境的限制，要求系统也适用于非对称阵，即在总阵长不变的 情况下，阵元间距之比为l ：2 。原有的信号处理系统对阵型的依赖性很大， 无法适应这种灵活变化。 以远程跟踪为主，反映不出目标的快速变化状态。受海洋环境和测量精 度的影响，传统声纳用k a l m a n 滤波器作为后置的平滑、跟踪器，利用长的积 分时间提高精度，当目标距离变化很快时产生严重滞后现象。近距离测距精 度较高，适于发展快速的后置跟踪滤波技术。 哈尔滨工程大学硕士论文 工作频率相对较窄，对于高频目标没有检测能力。只能识别c w 脉冲信号， 对线形调频信号和双曲调频信号没有辨别能力。 本论文从物理结构、电路系统、信号处理技术等几方面寻求提高测距精 度的方法，在最大程度上利用已有的系统资源，以最小的成本改进传统声纳。 改进后，系统能适用于不同的阵型一对称阵和非对称阵，由于对信号处理算 法的改进，非对称阵的测距精度也优于传统声纳。关键一点，改进后的系统 具备了跟踪近程高速目标的能力，这是其它类似被动测距声纳( 如匹配场) 所无法比拟的，对提高潜艇的近程防卫能力具有重要的意义。 1 3 被动测距中的时延估计 1 3 1 被动测距技术发展概述 七十年代以来，随着声呐信号处理在声场最佳处理理论方面建立了较完 整的系统理论，时延估计技术在水声领域中也得到了迅速的发展。时延估计 方法虽有多种形式，但大致可以分为三类：广义互相关法、自适应参数估计 法和相位谱法。 广义互相关法是在标准互相关法基础上发展起来的。广义互相关与标准 互相关的区别在于，求相关之前两个信号各自通过一个前置滤波器。亦即先 进行预滤波后，再进行相关运算。互相关函数的峰值所对应的时延即为真实 时延的一个估值。广义互相关法是目前水下被动测距中广泛应用的一种测量 两个水听器接收信号的相对时延的方法。法国d u u x5 和d u u x 一2 7 被动测距站 就是采用这种方法。选取不同的权函数，可得到不同的时延估计处理器。常 用的广义互相关函数有：罗思( r o t h ) 处理器、平滑相干变换( s c o t ) 处理 器、相位变换( p h a t ) 处理器、埃卡特( e c k a r t ) 滤波处理器、最大似然( m l ) 估计器和汉南汤姆森( h t ) 处理器。其中，极大似然( m l ) 加权的时延估计 法是一种最优方法，其时延估计的方羞可达到克拉美一罗界( c r l b ) 。包括这 种最优方法在内的广义相关时延估计法均建立在已知有关输入信号和噪声的 统计先验知识基础之上，这些先验知识在实际应用时往往难以得到。虽然广 哈尔滨工程大学硕士论文 义互相关法可以有效地抑制随机噪声的影响，但对周期性或相关干扰环境下 的时延估计，却不尽如人意，而且对于非平稳及时变时延条件下的时延估计 显得无能为力。 自适应时延估计法可以克服广义互相关器的上述缺点，即它不依赖于输 入信号和噪声的统计先验知识而可以跟踪动态或时变的环境和参数，算法亦 比较简单。基于w i d r o w 的l m s 算法的自适应时延估计方法( l m s t d e ) 就是一 种性能优良的时延估计方法。这种方法在均方误差最小的准则下，通过自适 应调整自身的参数而收敛到维纳滤波器，并由其权矢量峰值位置给出时延估 值。对于多途和信号源或接收机运动的情况，史密斯和弗里达德给出了两种 连续跟踪自适应算法。然而，自适应算法在具体实现时，由于离散化，还要 引入误差，并当目标方位偏离角增大时，为了保证定的精度，要求横向滤 波器的阶数增高，计算量也随之显著增加。特别在采样频率较高的情况下， 实现往往有一定的难度。y o u n 等人提出了自适应广义相关加权的时延估计方 法，改善了时延估计的精度和收敛性能。关于减小计算量问题，c h i n g 、e t t e r 和h o 等人分别从不同的角度出发提出了改进方法。 相位谱法是在数字信号处理基础上发展起来的，也称互谱法，本质上是 相位法，有很高的精度。美国p u f f s 被动测距站已采用这种技术。由维纳一 辛钦定理可知，信号的相关函数与其功率谱密度函数是互为傅里叶变换的， 因此，由相关函数在时间域所表示的延迟信息，完全可以由信号的功率谱在 频率域由相移而得到。正是基于这种原理，j s 贝恩达特( b e n d a t ) 与a g 索尔( p i e r s o ) 提出了一种相位谱时间延迟估计方法。这种方法利用两接收 信号的互功率谱，直接在频率域由相位函数得到时域估值。我国学者赵真、 侯自强提出了一种广义相位谱时延估计方法，利用相位加权函数对相位谱估 计进行加权处理，可以得到更为精确的时延估计。由于两个阵元接收信号的 时延与目标的方位有关，因而利用互谱法也可以对目标进行精确定向。这种 方法也有一定的局限性，既要求目标处于两个基元的正横方向附近才能有效 测向。 另外，在超短基线定位中，两基元间距小于半波长，两信号之间的时延 差与相位差具有一一对应的关系，因此，可以通过精确测量相位差来实现精 确定位。自适应相位估计是近年来超短基线定位中普遍采用的一种相位差测 哈尔滨工程大学硕士论文 量方法。自适应相位估计器是由两个采用l m s 算法的白适应n o t c h 滤波器组 成的，适用于窄带信号的分裂阵高精度定位，算法简单，易于实时实现。 1 3 2 本文采用的时廷估计方法 时延差是目标方位和距离测量的基本观测量，高精度的时延测量是测向 和测距的关键。当被动声呐接收的信号是目标辐射的连续噪声时，可以用相 关法估计时延，而当接收的信号是目标主动声呐发射的c w 脉冲信号时，该方 法不再适用，原因如下： ( 1 ) 与宽带高斯噪声信号相比，c w 脉冲的相关峰不够尖锐，用相关检 测不能满足高精度时延测量的要求。 ( 2 ) 相关运算需要的积分时间与脉冲信号的宽度、目标方位有关，在 实际应用中很难确定其长度，或者只能按最大可能积分时间运算而增加不必 要的运算量。 因此，这里采用先检测脉冲前沿( 称为时延粗测) ，再通过测相位差( 称 为时延精测) 进行时延估计的方法。 被动测距需要高精度的时延信息，对于一个中心频率为5 k h z ，距离为 5 0 0 0 m 左右的目标，要达到小于8 的测距精度，要求的时延信息的精度是胛 级的。因此如何达到这个时延精度就成为了被动测距中的核心的问题。 1 3 3 时延估计误差 被动声呐的目标方位和距离估计是以时延估计为基础的，时延估计的精 度是影响方位和距离估计精度的关键因素。通常用时延估计方差来反应时延 估计精度。 关于时延估计方差许多学者已作了大量研究，纳普和卡特根据相干函数 证明了相对真实时延的时延估计方差，给出了时延估计误差最小方差的cr 下限。哈恩、舒尔泰斯、汤姆林森和索罗科斯基根据信号和噪声功率谱给出 无偏的平均时延估计方差。上述讨论的最大似然估计器、自适应时延估计法 6 和相位谱法，在理论上，它们的估计误差都可达到c - i t 下限。但在观察时间 不足够长，先验知识不足时，特别在低信噪比情况下，时延估计方差达不到 c - r 下限。对于窄带信号，其相关函数及时延分布具有伪周期性，时域截断 所带来的模糊问题将更加严重。 k a n p p 和c a r t e r 利用相干函数证明了相对真实时延的时延估计方差的下 限为 夯群鼢矽 1 ， 其中几厂) 为相干函数，五为观测时间，且有 2 而器 z ， 式中，g 。，( ，) 是信号的自功率谱，g 。( 厂) 是噪声的自功率谱。 令瓯( 厂) = s c 厂) ，g 。杪) = v 杪) ，当信噪比较小时，有 啦z 甜湍矽一 s ， 假定目标和噪声白功率谱在频率_ 到五的整个带内是常数，信噪比 s n r = s o i n o ，则 啦l 矗j ，南，南 a ， 因此，对于小信噪比，时延估计的标准差下限是 叫去j 志志 旬 类似地，假设目标和噪声的自功率谱在工和 的带宽内是常数，可以得 到大信噪比时延估计的标准差下限为 和小信噪比情况相比，式( 卜6 ) 反比于s r 的均方根值。 f l 一6 ) 哈尔滨工程大学硕士论文 1 4 本论文的研究内容 在原有的系统声呐中，采用三元对称阵探测潜艇或水面舰艇目标， 每个阵元由一个子阵构成，阵元间距之比为1 ：1 。由于装艇条件的限制，要 求a 声呐使用三元非对称阵，在总阵长不变的情况下，阵元间距之比为l ：2 。 由于工作频段为2 k h z 3 5 k h z ，在采用三元对称阵检测时，要实现5 0 m 一1 5 0 0 0 m 的全程测距，就要求合理的分配k 系数算法与直接算法，原声纳只对远程目 标有测距能力，而在近程为系统盲区，无法测距，改进可以实现全程范围的 测距。非对称阵处理k 系数分配也具有类似的特点，只是粗测时延分配原则 为1 ：2 。但是在总阵长相等的情况下，由于阵型的差异，测距时延量测量误 差即相位差测量误差对非对称阵的影响要比对称阵大一些。因此，非对称阵 对时延测量精度的要求更高。另外，在原声呐应用中，采用的是中、小规 模集成电路，接收信号采用单比特量化，这种专用硬件及技术只能用于计算 对称阵，对于非对称阵不再适用。因此，除了软件上要求改进之外，要求硬 件系统也要进行改进，才能达到时延测量精度要求。 1 4 1 研究内容 本文主要做的工作使系统能够实现以下功能： 能够侦察水面舰艇及潜艇上发射的主动声呐脉冲及鱼雷寻的信号， 进行检测，对其进行测频、测向、测距，重复周期，给出置信度，工 作频段为2 k 3 5 k h z ； 近程及远程均能测距，测距范围为0 0 5 k m 1 5 k m 。在近程用直接算法 解算目标距离，而对于远程目标用k 系数分配算法解算目标距离，这 两种算法由软件自动切换； 高跟踪能力的口一滤波后置信号处理使该系统可以跟踪快速的运动 目标，合理的选择参数不会产生大的时间滞后； 哈尔滨工程大学硕士论文 对对称阵和非对称阵均能完成所有功能，只是非对称阵的各个参数的 估计精度要略低于对称阵； 对c w 脉冲及l f m ，h f m 均能完成所有功能。并能判断信号种类，估计 信号中心频率。 本文主要做的工作主要有以下几点： 鱼雷脉冲侦察方案研究； 精确测向及测距公式推导并与近似公式比较： 测向及测距误差分析； 自适应线谱增强器； 白适应相位估计； c w 脉冲及调频脉冲测频、测向和测距软件没计； 高跟踪能力的后置处理软件没计。 1 4 2 论文结构 本论文在分析总结国内外三元对称阵被动测距技术的基础上，给出了三 元非对称阵的测距原理，分析了两种阵型产生距离模糊的原因，对两种阵型 的测向、测距误差进行了系统的分析和比较，提出了适用于三元非对称阵的 测量方法，并在改进的硬件系统的基础上，开发了一套性能良好的系统软件。 全文的内容安排如下： 第一章即本章，为绪论。阐述了本论文的立题背景及意义，简单介绍了 被动声呐测距技术的发展概况，对己有的时延估计方法进行了概述，并对时 延估计的均方误差进行了分析，简单的介绍了本文采用的时延估计的方法及 采用这种方法的原因，最后介绍了本论文的主要研究工作及内容安排。 第二章为被动测向、测距原理分析。这一章的内容主要是为后续章节提 供一个理论基础。本章分别论述了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，详细讨论了测距过程中存在的 距离模糊问题，对测向、测距误差进行了系统的分析，并针对时延估计误差 对两种阵型的测向、测距误差的影响进行了比较。 9 哈尔滨上程大学硕士论文 第三章是声呐脉冲侦察模块的软件实现部分。主要论述了声呐脉冲侦察 模块系统软件的工作流程，并按流程给出了各部分的工作原理。详细介绍了 采用这些信号处理方法的原因以及原理。并介绍了声呐脉冲侦察模块的硬件 平台。主要是对使用的信号处理芯片c 6 4 1 6 和数据传输控制芯片f p g a 做了详 细的介绍。同时说明了d s p 程序占用一些资源，数据的e d m a 传输和中断介绍 等。 第四章为声呐脉冲侦察模块的仿真与实验结果。分别给出了m a t l a b 的仿 真结果和模拟器的仿真结果。在m a t l a b 环境下，按照声呐脉冲侦察的基本工 作流程，对测频、测向、测距过程进行了仿真，总结了大量的实验数据，并 作了详细的误差分析和比较。同时通过了模拟器的验收，作了大量的实验， 验证了系统的各项技术指标，保证了系统的稳定性和可靠性。 哈尔滨工程人学硕士论文 第2 章被动测向和测距原理 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，详细讨论了测距过程中存在的距离模糊问题， 提出了一套可抗距离模糊的时延差测量方法，最后对两种阵型测向、测距误 差进行了系统的分析和比较。 2 1 引言 目前，舰艇上用的被动测距声呐主要有两种类型。种是潜艇上用的共 形阵，即在壳体上配置三对( 左、右舷侧各三个) 子阵。子阵本身具有一定 的指向性，可获得良好的空间处理增益。另一种类型为拖曳式线列阵，它的 优点是可以使基阵尺寸有较大的伸缩性，以及本舰辐射噪声的干扰大大降低。 声呐采用的是共形阵，这种测距系统及其基阵的尺寸受潜艇本身长度 的限制，所以测距精度受限制。另外，三路信号是由子阵提供的，它们都是 直线阵。由于每个线阵等效于一个接收元，在测向、测距原理上与单个水听 器的点元阵是相同的，因此，以下统称为阵元。 对称阵是在直线上布放三个等间距的阵元，而非对称阵三个阵元的间距 之比是一比二。例如，在总阵长均为4 5 m 的情况下，对称阵的首中、中尾阵 元间距均为2 2 5 m ，而非对称阵首中阵元间距为1 5 m ，中尾阵元间距为3 0 m 。 对于三元阵来说，无论对称阵还是非对称阵，其测向、测距的本质都是相同 的。但是由于阵型的差异，非对称阵和对称阵在测距计算e 是有区别的，距 离模糊的范围也存在差异，另外，在总阵长相等的情况下，时延测量误差对 测距误差的影响也是不同的。 哈尔滨工程大学硕士论文 2 2 被动测向和测距的几何原理 2 2 1 对称阵原理 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。 s ( r ，0 ) 图2 1 三元对称阵测距模型 图中，s 为声源，l 、2 、3 分别表示被动声呐的三个阵元。设三元等州 距阵间距为d ，目标方位为0 ，目标到各阵元的距离分别为、n 、 ，其中， 一即为要测定的目标距离，。 设在极坐标系中，点源目标的坐标为s ( r ，0 ) ，3 个阵元的坐标分别为 1 ：( d ，乃) ，2 ：( 0 , 0 ) ，3 ：( d ，0 ) ，则目标到三个阵元的距离为 n ：万万i 而 r 2 = ， ( 2 - 1 ) 圪= r 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 喻尔滨工程大学硕士论文 1 f 】2 = f l f 2 = 二( _ 一r 2 ) o 1 f 2 3 = r 2 一3 = 二( 一r 3 ) ( 2 - 2 ) f 1 32 q 2 + z - 2 3 其中，q ：表示阵元1 、2 接收信号的时间差，t 2 3 表示阵元2 、3 接收信 号的时间差，阵元l 、3 接收信号的时间差瓦，为两者之和。将式( 2 - 1 ) 代入式 ( 2 - 2 ) 得到 。1 2 = 4 r2 + d 2 + 2 r d c o s 0 7 f 2 3 ) c z 2 3 2 r 一r2 + d2 2 r d c o s 0 ( 2 4 ) 将式( 23 ) 、式( 2 4 ) 移项后两边平方，整理可得到 2 r c f 。，一d c o s 目】- d2 一c2 f 乏( 2 - 5 ) 2 ，p c o s 0 - - c l 2 3 _ d 2 一c 2 f 刍 f 2 6 ) 将式( 25 ) 和式( 2 - 6 ) 相除后，整理可得目标方位的精确估计 o s - 1 糍 协， 将式( 2 5 ) 和式( 2 - 6 ) 相加，整理后可以得到目标距离的精确估计 ( 2 - 8 ) 实际应用中，在测定目标方位时，一般假定目标在远场，且接收的声波 近似为平面波，如图2 2 所示，则目标方位的近似估计为 0 c o s 一1 三巫 2 d ( 2 - 9 ) 删南 忙 哈尔滨工程大学硕士论文 图2 2 三元对称阵测向模型 对式( 2 - 3 ) 及式( 24 ) 右侧进行泰勒展开，取二阶近似，即保留平方 小量，则有 啊：十等+ 半h 等+ 竽m ，一，阳譬一半h 譬一半 2 1 在远场条件下，有d r 。略去1 r2 以上的高次项，将式( 2 - 1 0 ) 和式 ( 2 - 1 1 ) 相加，可得 c ( f 1 2 + f 2 3 ) = 2 d c o s o ( 2 1 2 ) 因此，由式( 2 - 1 2 ) 也可以得到式( 2 - 9 ) 的方位估计。 略去1 r2 以上的高次项后，将式( 2 一l o ) 和式( 2 - 11 ) 相减，整理后可得到 目标距离的近似估计为 没5 = q ：一f ：，则式( 2 1 3 ) 也可以表示为 ( 21 3 ) ，。垡尘璺!，214)k 1 r 一 c 占 在极限的情况下，如果入射信号是平面波，那么_ ：= f ：，于是，= 。 这是可以理解的。 另外，由式( 2 8 ) 整理得 揣 r 哈尔滨工程大学硕士论文 忙j t 一盟2 d 掣| c ( f 】2 一r 2 3 ) l 2 j “ 在远场条件下，有c z - 1 2 。c z ；d c o s 8 ，此时由式( 2 1 5 ) 可得到与式 ( 2 - 1 3 ) 相同的结果。 2 2 2 非对称阵原理 设三元非等间距阵首中阵元间距为d ，目标方位为0 ，目标到各阵元的 距离分别为1 、t 、_ ，其中，r 2 为要测定的目标距离，如图2 3 所示。 图2 3 三元非对称阵测距模型 设在极坐标系中，目标与阵元的坐标为s ( ，0 ) ，3 个阵元的坐标分别为 l ：( d ，7 z ) ，2 ：( 0 , 0 ) ，3 ：( 2 d ，0 ) ，则目标到三个阵元的距离为 n = 以2 + d2 + 2 r d c o s o k = r _ = 4 ，2 + 4 d 2 4 r d c o s o ( 2 1 6 ) 设声速为c ，目标信号到达各个阵元的时延差的表达形式同式( 2 2 ) ，将 式( 2 1 6 ) 代入式( 22 ) 得到 c z l2 = 4 r 2 + d 2 + 2 r d c o s o r ( 2 - 1 7 ) c r ：= ，一r2 + 4 d 2 4 r d c o s o( 2 - 1 8 ) 将式( 2 一l7 ) 、式( 21 8 ) 移项后两边平方，整理可得到 1s 哈尔滨工程大学硕士论文 2 r c f l2 一a c o s o = d 2 一c2 r 己 2 r 2 d c o s 0 一c f 2 3 = 4 d 2 一c2 f 刍 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 将式( 2 - 1 9 ) 和式( 2 - 2 0 ) 相除后，整理可得目标方位的精确估计 临o s - 1 高誊斧 z - ， 将式( 2 - 1 9 ) 左右乘2 后和式( 2 - 2 0 ) 相加，整理后可得到目标距离的精确 估计 3 d 2 ”币两 一! 垒杰叠! ( 2 - 2 2 ) 2 ( 2 r 1 2 一r ：3 ) 假定目标在远场，且发射的声波为平面波，如图2 4 所示，则得到方位0 的近似估计为 臼。c o s 一1 三堕( 22 3 ) 3 d 图2 4 = 兀非对杯降删l 司俣型 对式( 2 1 7 ) 及式( 21 8 ) 右侧进行泰勒展开，取二阶近似，即保留平方小 量，则有 一 啊：十妊+ 半h 鲁+ 半卅。a ， ，一，等一半h 等一半 2 l z s ， 略去i rz 以 的高次项后，将式( 2 - 2 4 ) 和式( 2 - 2 5 ) 相加，可得 1 6 哈尔滨工程大学硕士论文 。( ，。：+ ，：，) ：3 d 。s 目一呈掣( 2 - 2 6 ) 2 r 在远场条件下，有d ，则由式( 22 6 ) 也可得到式( 2 2 3 ) 的方位估计。 略去1 r2 以上的高次项后，将式( 2 2 4 ) 乘2 和式( 2 2 5 ) 相减，则可得到 目标距离的近似估计为 ，。丝墅翌：( 2 - 2 7 k z - z ) ，1j c ( 2 r l2 一r 2 3j 设g = 2 r 1 2 一f 2 3 ，则式( 22 7 ) 也可以表示为 r 。堑塑旦( 2 2 8 ) 另外，由式( 2 2 2 ) 整理得 3 d 2 一鼍 z 。， 在远场平面波条件下，有c i t - 2 3 “2 c r l 2z2 d c o s o ，此时由式( 2 2 9 ) 可得 到与式( 22 7 ) 相同的结果。 2 3 误差分析 被动测向、测距误差可由随机误差、系统误差等原因引起，本节从测向 和测距的近似公式出发，对对称阵和非对称阵两种阵型的误差进行分析比较。 2 3 1 对称阵误差分析 首先，考虑由公式近似带来的误差。在实际应用中，通常是用近似公式 估计方位和距离的。表2 1 和表2 2 给出了当阵元间距为2 2 5 m ，声速为 1 5 0 0 m s 时，不同方位、不同距离情况下，由公式近似引起的测向绝对误差 和测距千分比相对误差。可以看