（水声工程专业论文）水下运动目标航迹测试方法的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e 髂i n 9 1 yw i d e s p r c a d 璐eo f 鲥锄t a t i o ns y s t 锄s ，锄dt 1 1 en e e d so f m i l i t a r ya i l dc i v i l i a n 印p l i c a t i o i l s ，u n d e n a t e ra c o l l s t i cp o s i t i 砌n gs ) r s t 咖h 髂b e c o m e an e wd e v e l o p m 朗t a ld i r c c t i o n b 鹪e do nt h es t u d yo ft h e 啪d e r w a t c r o u s t i c p o s i t i o l l i n g ，也ep r c c e p to f 砸u n d 洲a t e rt a r g e t 。s 仃a c kd e t e c t i n gs y s t 锄i sp r e s e n t e d i l l t h i s p 印乱 f i r s t l y t 1 1 ed e v e l 叩m 印ta n ds t l l d ys 切t l l so ft h eu n d e n v a t e ra c o u s t i cp o s i t i o n i n g t 1 1 1 1 0 l o g ya 托d i u s s e d t h e n ，t h i sp 印e ri n t r o d u c e st 1 1 et h e o r ya b o u tt h e 珊d e n a t e r t a f g e r s 仃a c kd e t e c t i n gs y s t e i i i t h ek e yt e c l l l l o l o 肼m e t h o do f 捌l g em e 嬲嘣n 岛 s i 印a lw a v e f o 皿d e s i 印，l o c a l i z a t i o na l g o r i t mw i t hc m s s 埘a ya n dt i m ed e l a y e s t i m a t i o n ( t d e ) a l g o r i t l l l t l ，批p a n i c u l 盯l ys t i l d i e d b 鹤e d p r o j e c tn e c d s ， a p p r o 曲a t ef o 肋so fc o 叩e r a t i o ns i 朗a 1 卸dm e 国o do fm e a 鲫r i n gr 缸g ea r ec h o o s e d i nt l l ed i s s e r t a t i o n g o n s i d 面n gt 1 1 ec 胁c t c r i s t i co fs e v e m it i m ed e l a ye s t i m a t i o n a l g o r i m m s 粕dm ec o o p e 州s i 鲫a l ，锄i i i l p r 0 v e dt d ea l g 嘶t l l | ：i l 邯i n gp h 硒e s p e c 仇l i i li sp r c s 锄t e d s i 枷1 a t i o nr e s u n ss h o wm a tm ea l g o r i t l l l i lc 狃g c tl l i 曲e r i 髑o l u t i o n c h o o s i n gm c u ，d s ec p l d 勰t 1 1 ec o r co f n l es y 髓e m ，t h cs o m 婚r ea l l dt h c h a r d w a r eo f t h el l | l d e 刑a t 既t a r g e t st m c kd e t e c t 加gs y s t 锄i sd i s s c n a t c d 醐叩h a t i c a l l y t h ek e yt e c h n o l o g yt h a ti l l c l u d em es i 印a l 鲫删i n 岛s i 弘a l 锄p l i 丘c a t i o n 舭d m a t c 撕n 岛d e s i 弘o f dc o n v e r t i n g ，s y i l c h o r o i k 鹏r a n g cm e a s l l r i n g 锄d 彻一b o a r d d i 百t a ls i 乎l a lp f o c c s s i l l ga d i s c l i s s e d h lo r d e r t os a t i s 移t l l en e e do fr e a lt i l n e 锄d a c c u r a c yo f t h cs y s t 锄，w ei l s et m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 a sm ec o m p u t i n gc p ut or e a l i z ct h c p o s i t i o l l i n ga l g o r i t h m a tl a s t ，m es o f h v a r c 孤dh a r d w a r co fs y s t c i i la 糟d e b u g g c di i l1 d b o r a t o r y t h w em a k c 孤e x p 嘶m e n ta tw a t c rp 0 0 1 t h er e s u l 忸c x p c r i m e i l t a ld a 舾s h o wt h e d e s i 印i sf e a s i b l e 1 1 l es y s t 锄c 锄a c c u 翰t e l yd e t e c tt h e 们c ko ft h e 邶d e n v a t e rt a r g e t nc a l la l p l a ya c e n a i nm i ei nt l l ec i v i l i 柏f i e l dw i t hd i f 衔锄ts e n i n g s k e y ：咖d 洲a t e ra c o u s t i cp o s i t i 砌n g ，仃a c k ，c r o s sa r r a y ，d s p ，c p l d i l 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属丁j 两北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本卢明。 学位论文作者签名：王矗z 越 。7 年弓月够日 舯一名：拯咿 7 伊7 年了胁日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：j 毪篮 一1 年月汐日 f l t i 北f 。业人学硕十学何论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的、背景及意义 未来的反潜作战，绝大多数情况下将是在近海的浅水区中进行，反潜鱼雷和 反潜导弹在近海浅水区中使用时，其战术、技术性能都要受到作战环境极大的影 响与制约，有时甚至是无法使用。反潜鱼雷在水深小于1 0 0 米的浅水区使用时， 除了有触地的危险外，其攻击性能也较差。当代的火箭助飞深水炸弹( 简称深弹) ， 具有许多独特的优点。该深弹具有不可对抗性：它在空中的飞行速度很快，像炮 弹一样很难被拦截或干扰，是不可对抗的兵器之一，这是鱼雷等武器所不能相提 并论的。其次，该深弹有多种使用方法，具有较好的作战通用性。它能在反潜鱼 雷和反潜导弹使用效果不佳的近海浅水区使用：在潜艇被其它兵器命中而未沉毁 时，可用深弹迅速扩大战果；深弹还可用于攻击水面舰艇、水际滩头设施、水下 障碍、岛礁和陆岸军事目标，拦截水下来袭的反舰鱼雷或导弹等。第三，该深弹 价格低廉，具有很高的作战效费比。从国情分析，它是发展中国家海军买得起、 养得起、用得起的低档高效武器。 由于现代潜艇机动性能和防护水平的提高，深弹只使用传统的定时、触发引 信攻潜已显得力所不及了，不少海军国家正在竟相研制新的非触发引信以及使深 弹向短程自导方向发展。深弹引信的发展使深弹成为近海攻潜效费比最高的水中 兵器。由于深弹常采用齐射( 投) 攻潜，对于深弹非触发引信还有抗邻弹干扰的 特点。今后反潜深水炸弹的发展，将积极采用高薪技术，如采用水压、音响等非 触发引信，加装制导装置等，以提高射程和精度、增加攻击威力，特别是多功能、 多用途的深水炸弹的前景将会更好。展望未来，从高技术条件下海上局部战争的 作战样式上讲，制导式深弹将成为今后水下对抗中使用最为频繁的水中兵器之 一。 在火箭助飞制导式深弹的研制过程中，为了判断深弹是否能按设计完成相应 的战术指标，获得深弹的水下运动轨迹就显得尤为重要。通过在深弹内部加装发 射机，发射合作声信号，由位于水面测量船上的接收机接收合作信号，完成且标 的方位和距离信息解算，据此信息绘制目标的运动轨迹。本论文就是围绕这目 两北f 业人学硕十学俯论文 第一章绪论 的而展开的，通过对水下目标进行实时定位来完成深弹入水后的航迹测量，并以 动态图形的方式在计算机上显示，从而直观地了解深弹的工作性能以及存在的问 题，以便对制导式深弹的设计进行改进，最终达到作战要求。在生产过程中也能 作为验收设备对产品进行检验。 1 2 水声定位技术1 】 水声定位系统与一般舰用声呐对水下目标进行定位的方法不同，它是利用多 个阵元接收的信号，通过求解定位方程获得目标的位置信息的。随着科学技术的 发展，特别是随着陆地上资源的快速开发相对能源的需求，近年来人们已经将注 意力越来越多地转向海洋资源的开发和利用。水下目标的定位技术不仅局限于军 事目的，在民用方面也越来越多地受到重视，例如在海洋石油开发中的井口重入、 水下油气管道的布设、水下电缆的铺设、水下救险、沉船打捞、潜水员定位以及 航道异物清除等都要用到水下定位技术。水声定位系统既然可以确定船位或目标 位置，因而也广泛用于局部水域的精确导航。正因为如此，水声定位系统常被人 们称为水声定位导航系统。 按照接收基阵的尺度或应答器基阵的基线长度来分类，水声定位技术可以 分为长基线( l 0 n gb 勰e “n e ) 、短基线( s h o nb 嬲el i i l e ) 和超短基线( u l 仃as h o r t b 弱el i n e ) 水声定位技术三种。长基线水声定位系统的基阵长度在几公罩到几十 公里的量级，利用测量水下目标声源到各个基元间的距离确定目标的位置。短基 线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米的量级，利用目标发出的信号到 达接收阵各个基元的时间差，解算目标的方位和距离。超短基线定位系统的基阵 长度一般在几个厘米到几十厘米的量级，它与前两种不同，利用各个基元接收信 号间的相位差来解算目标的方位和距离。以上三种定位系统都可以选择使用同步 信标工作方式或应答器工作方式。采用同步信标工作方式，要求在待测目标和测 量船上都安装商精度同步时钟系统，信标按规定的时刻定时发射信号，并据此确 定目标位置。 通常所说的水声定位系统所测得的目标位置坐标，都是相对于某一参照物的 位置而言。这个参照物有时就是基阵的载体，它并不真正给出目标的大地几何 坐标位置。然而水声定位系统和其他的导航系统( 如近年来获得广泛应用的卫 星导航定位系统) 结合起来进行坐标变换，就能得到水下目标在大地几何坐标 中的位置或轨迹。 2 西北t 业大学硕十学伊论文 第一章绪论 1 3 水声定位技术发展现状( 2 】 目前在国际市场上所见性能较好的长基线定位系统有美国s o i l a r d y n e 公司生 产的f u s i o n 系列的长基线定位系统，该系列产品可用于水下仪器设备的连续跟踪 定位，也可应用于复杂的深海工程建设项目、矿石开采、海难救援等等。中频段 7 8 0 7 型工作水深4 0 0 0 m ，定位精度o 15 1 o m ；高频段7 8 0 8 型工作水深2 5 0 0 m ，定 位精度0 0 2 卸1 5 m 。再有，挪威s i m r a d 公司的删? r 4 0 8 s 型长基线定位系统也是同 类产品中的佼佼者，具有自动校准功能的异频收发阵使得整个系统在超过3 0 0 0 m 的作用范围内可以达到几厘米的定位精度。h p r 4 0 8 s 型长基线定位系统因其高精 度、高可靠性、数据更新率高( 定位数据更新时间在2 s 左右) 的特点已经被广泛 的应用于水下机器人、深拖系统等水下设备的导航定位。 澳大利亚n a u t r o n i x 公司生产的n a s dr i l l r s 9 2 5 型短基线定位系统采用a d s 2 信号( a o u s t i cd i 醇a ls p r e a ds p e c t n 肋) ，此种信号的抗干扰能力特别强，在传输 距离和测量精度方面具有更优的性能，即便是在环境噪声较大且深水区作业的情 况下同样能够取得良好的定位效果，因为系统的这个特点，该产品已经与多套动 力定位系统组成联合系统用于深海调查和生产项目。n a s df i nr s 9 2 5 系统的水听 器是由多个换能器单元组成的组合阵，波束的指向性和信噪比更佳，系统定位数 据更新率高。n a s dm 1 r s 9 2 5 系统能够在全海深范围工作，在其工作范围3 5 0 0 i i l 以内可以达到优于2 5 m 的定位精度。 国外从事超短基线定位系统研制的主要有法国0 c e 觚ot e c l l i l 0 1 0 9 y 公司、挪威 的s i 删啊公司、澳大利亚n a u t r o n i x 公司、美国的f e n 锄t i 0 r e 公司等。法国0 c e 锄o l l n o l o g y 公司生产的p o s i d o n i a6 0 0 0 型超短基线定位系统最大作用距离8 0 0 0 m ， 定位精度为作用距离的o 5 红1 0 ，从1 9 9 7 年开始已经开始装备在法国m l u i m e r 的水下机器人和深拖系统以及德国的g e o m a r 深拖系统，其主要优点是对常规 的水听器阵的结构进行了改造，并采用调频声学信号( c h i r p ) ；而s i 砌r a d 公司研制 的h 口a r5 0 0 型系统的换能器为2 4 1 个换能器单元组成的球型阵，测量精度优于 作用距离的o 2 ，工作水深达到4 0 0 0 l i i i ，新近推出的h 口a r 7 0 0 型系统是在h 口a r 5 0 0 型的基础上开发的长程声学定位系统，换能器为5 0 个换能器单元组成的半球 型阵，多换能器组阵形成窄波束方式提高换能器的指向性和信噪比，理论推算最 大作用距离为8 0 0 0 m ，最大工作水深为6 0 0 0 i n ，定位精度为作用距离的o 5 ：另 外还有些产品，如s i i n r a dh p r 4 l o 、o r e i r a c k p o i n t 2 、n a u 仃o n i xr s 9 1 2 等工作 水深都在2 0 0 0 恤以内，定位精度为作用距离的o 5 一1 o 。 近年来测时测相组合的高精度相位时延估计方法解算声基阵的相位差技术 3 曲北l 。业大学硕十学付论文第一章绪论 和声基阵精确校准技术等水声定位技术已经得到了较好的发展，因此声学系统本 身在测距及测向方面的精度已经得到了很大提高。 当前市场上可以见到众多的声学定位系统，用于水下人控的或非人控的机器 设备的跟踪定位、海底油气管线布设、海洋监测、海底科学研究、军事项目等等， 有些产品已经广泛应用于水下自主式机器人( a u v ) 、水下遥控式机器人( r o v ) 、 深拖系统以及载人潜水器等水下设备的导航定位。随着人类对海洋探测、研究、 开发工作的进一步深入，人们所采用的海底勘测手段越来越多，涉及的海底科研 和生产内容越来越丰富，对水下导航定位提出了更高的要求，这些都促使声学定 位技术不断的向前发展。 为了解决水下仪器导航定位的问题，国外一些研究人员已经研制出了一些联 合式的声学定位系统，主要是3 种声学定位系统的不同组合，如l u s b l ，u s b l ， s us b l ，l s b l ，us b l 等等。最近s o n a r d v n e 公司宣布在配备了该公司的双重l u s b l 定位系统后，深海发现者号已于2 0 0 3 年1 1 月在墨西哥湾创造了新的深潜记 录，下潜达到了3 0 5 1 m 。这种联合式的定位系统集合了长基线定位系统和超短基 线定位系统的优势，既保证了定位精度独立于工作水深，又兼有超短基线定位系 统操作简便的特点，组合系统能够实现载体连续的、高精度的导航定位，工作水 深可以达到6 0 0 0 m ，作用范围超过4 5 0 0 m ，若采用c a s i u s 校准程序并配备高分辨 率的v r u 和g y r o 传感器，系统的定位精度可以达到作用距离的o 2 【2 5 l 。 在人类对海洋进行探索和研究工作中，导航定位技术一直是一项重要的研究 内容。从目前来看，声学定位系统( a c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是水下导航定位 的主流。随着人类对海洋研究开发工作的深入开展，人们必将进一步的走向大洋 深处，所采用的研究手段会越来越多，载人深潜器、水下机器人、海底照相，摄 像系统、电视抓斗系统以及其它各种探测设备等等，水下高精度的导航定位是实 现深海高精度、高效率科研和生产活动的i j f 提。适应新的形式下所提出的更高的 要求，声学定位系统之间的联合、声学定位系统与其它传感器联合以获取载体在 深海工作时的更多信息，实现更广意义上的水下导航定位已经成为声学定位技术 发展的必然趋势。 1 4 论文的主要内容以及结构安排 全文共分七章，结构安排如下： 第一章，绪论。主要介绍本论文研究背景和意义，以及国内外发展现状。 第二章，水下目标测距及波形选取。这一章首先分析了目标测距中的常用方 4 两北r 业丈学硕十学侍论文第一章绪论 法，结合工程要求，选择了易于工程实现的测距方法作为水下目标定位系统的测 距方案。然后对波形设计中要注意的问题进行了讨论，并对几种常用的波形的性 能作了分析，结合工程需要，选择了合适的信号形式。 第三章，水下目标定向原理与算法分析。主要论述了四元十字阵的定向原理 以及常用的时延估计算法，然后结合系统发射信号的波形特点，在相位谱时延估 计算法的基础上，提出了一种工程上实现方便，且能提高定向精度的算法。 第四章，系统硬件设计。主要介绍水下目标航迹测试系统的硬件电路设计， 包括发射机电路，同步钟测距电路以及d s p 信号处理模块的硬件设计与实现。 通过硬件原理图以及框图的方式，详细介绍了系统的工作原理。 第五章，系统软件设计。主要按照发射系统、同步测距系统和测向系统的顺 序，结合软件设计框图介绍各个单元的软件设计。 第六章，系统调试及水池实验。介绍了系统的软硬件调试，以及对水池实验 数据的分析结果。 第七章，全文总结。 5 两北丁业大学硕十学付论文第二章水下目标测距及波形选取 第二章水下目标测距及波形选取 声定位系统的主要任务之一是完成对目标距离的测定。本章讨论了水下目标 测距的主要方式，并选取了满足设计要求且易于实现的测距方式。 声信号作为信息的载体，其信号形式对系统的性能有较大影响。即使在同一 信道条件下，不同的信号有不同的检测效果。为了有效的检测和分辨目标，波形 的选择就是很重要的一个环节。本章对常用的信号形式进行了分析，结合系统设 计要求，选择了合适的信号形式。 2 1 水下目标测距方法 在对水下目标实施定位、跟踪时，除了测向外，测距也是一种必不可少的基 本测试手段。对水下目标测距的方法一般被分为被动噪声测距、主动回声测距、 应答式测距和同步钟式测距这四种方法吼 2 1 1 被动噪声测距 主动声呐在测距与测速的时候要发射声信号，这就给对方的声呐提供了信 号，所以很容易暴露自己。这一点，对潜艇来说是很不利的。被动测距方法主要 是利用目标声源发出的信号或噪声来进行目标距离的测量1 1 】。 被动测距方法主要有方位法和时差法，其共同点是利用间距相当长的多个 子阵。子阵本身具有一定的指向性，可获得好的空间处理增益。方位法测距误差 较大，常被时差法所取代。被动测距中最重要的问题是子阵之间信号的时延。被 动声呐中时延估计的方法主要有两种：广义互相关法和互谱法。互谱法也可用于 对目标的定向。 2 1 2 主动回声测距 主动测距利用目标的回波或应答信号来测定目标的距离。主动测距方法主 要有脉冲测距法、调频信号测距法和相位测距法三种【l j 。 脉冲测距法是利用接收回波与发射脉冲信号之间的时间差来进行测距的方 6 州北t 业人学硕十学付论文 第二章水下目标测距及波形选取 法。只要测得声脉冲往返时间，便可求得距离。脉冲法测距时，脉冲重复周期必 须大于最大目标距离所对应的信号往返时问，否则会出现所谓的距离模糊。在主 动声呐中，广泛使用脉冲法测距，因为该法简单易行，且可对多个目标进行测距。 此外它对固定的目标亦可以进行测量。 调频信号测距法的原理是发射调频信号，利用收发信号的频差来测量距离。 优点是测距精度较高。当直接采用测量收发频差时，由于对不同距离的目标，收 发频差不同，可利用回波音调的变化用听觉进行判断。当采用匹配滤波器接收时， 调频测距法因其信号处理增益，更显出其检测性能的优越性。一般来说，调频测 距法( 对于直接测频) 适用于近距离目标的检测，而且不能进行多目标检测。 相位测距法是利用收发信号间的相位差进行测距的方法。相位测距法可以 测量很小的目标距离，它取决于相位测量设备的的最小相位分辨力。此外，它的 测量精度高，与最大距离对应的相位差愈大，测量精度愈高。然而，相位测距法 不能同时测量多个目标。 2 1 3 应答式测距 应答式水下测距系统主要由询问机、单板机、应答器和换能器组成。其测距 原理为：询问机发射板发出频率为五，脉宽为的询问脉冲信号，同时向单板 机发送一个发射包络，单板机以该发射包络前沿开始计时。应答器接收电路接收 询问机的询问信号，经放大和频率脉宽判别后向应答器发射板送出一个启动信 号，发射板收到启动信号后延时一段时间( 延时的目的是克服近距离混响效应) 向询问机发出频率为石，脉宽为的回答信号。询问机收到应答器的回答信号后， 经接收电路放大、脉宽识别，向单板机送出一个收到信号，单板机以该信号的前 沿关闭计时器。根据两次计时，并扣除应答器发射延迟时间和电路固有延迟时间， 就可计算出信号在水中的往返时间f ，代入公式s = c f 2 ( c 为水中声速) 就可 计算出询问机和应答器之间的距离 4 】。 2 1 4 同步钟式测距 同步钟式测距的工作原理是令测量船和被测目标上在测量开始前进行同步 对时，被测目标在固定的时间基准下控制发射机发射测距信号，接收机在接收到 目标发射的测距信号时，关闭测距器，由发射与接收时间之差f ，可得目标与测 量船的距离s = c f 。 7 两北t 业大学硕十学仲论文第二章水f 目标测距及波形选取 按同步钟的同步方式分，可分为有线同步和无线同步；而无线同步又分为无 线电同步和水声同步。按同步钟测距原理分，可分为被动同步钟测距和主动同步 钟测距。 相对于其他测距方法，同步钟测距具有如下一些优点3 】： ( 1 ) 被测目标有固定参考点，为近距离、高精度测距提供了必要条件，并有 助于对水下运动目标通过特性的精细研究。 ( 2 ) 被测目标进入测量区时，测量船处的测量水听器处于接收状态，是无源 的，从而在其他技术措施的配合下，可以做到测距的同时不对辐射噪声测量产生 明显的影响。 ( 3 ) 为被测目标的自噪声、振动测试和测量船辐射噪声测试提供了统一的、 高质量的时基，从而为同步测试、信号处理、寻找被测目标主要噪声源等提供了 方便。 ( 4 ) 测距精度高，探测可靠。 2 1 5 航迹测试系统测距方式 航迹测试系统探测的水下目标体积小，运动速度低、作用距离近，且对其 运动轨迹的测量精度要求不是太高，此外要求电路简单、工作稳定。结合工程实 际需要，采用了主动式有线同步钟水下测距方法【3 1 。 主动式有线同步钟水下测距的工作示意图见图2 1 。 导 线 图2 1 主动有线同步钟水下测距的工作示意图 钟1 和钟2 是具有相同性能的晶体振荡器。钟1 控制发射同步机发射周期z 稳定的脉冲序列，并同步发射水声测距信号，在测量开始前通过导线与同步接收 机连接，使钟2 输出与钟l 发射信号相同周期且时基同步的脉冲序列，并送往测 距器。在开始测距时，断开发射机与接收机的导线，此时该接收机接收到的发射 信号其周期与钟2 产生的周期为正的脉冲序列有f 时刻的时延，则目标与测量船 8 两北r 业人学硕十半付论文第二章水f 目标测距及波形选取 的距离为s = c f 。 在航迹测试系统中，利用钟2 的脉冲信号启动测距器的计数，测距信号到来 的上升沿关闭计数。开启与关闭测距器的时问差，即为信号在水下传播的时间f ， 由传播时间可求得目标距离。测距器的工作示意图见图2 2 。 发射信号r 接收信号乃 r ：r r ir 几几 一 f 卜 图2 - 2 测距工作示意图 由同步测距的工作方式可知，测距的误差来源是声速c 与时间f 。从实际工 作环境上来说，影响测距结果的主要因素为时间f 。其误差产生原因有： 1 钟1 与钟2 的性能不一致产生的时间误差。在工程实现时尽量选择同型 号、高品质的时钟发生器。 2 发射机与接收机固有的硬件延迟，可以通过结合测量结果，在软件编程 中解决。 2 2 波形性能分析 水下运动目标航迹测试系统中，由加装在目标上的信标主动发射信号，由接 收机系统来完成对目标的定向及测距。发射信号的波形是系统设计过程中必须要 考虑的问题之一。不同的信号波形具有不同的信号参数( 如振幅、相位、频谱等) ， 会有不同的处理结果，直接影响探测性能。在波形设计的方法中，r m z e k 提出 的“简便的波形选择途径”是较为有用的方法 5 1 【2 6 1 。它兼顾了技术实现的难易程 度和造价成本，选择合适的信号形式及参数，使系统的性能指标满足要求。 进行信号选择的最终目的是为了对信号进行有效检测，我们从检测性能的分 析入手。考虑检测指数d ，对混响背景可表示为嘲： d 2 = 1 万_ 土? 广一 ( 2 - 1 ) 巨li ( ，f 弦( 一国，f 一f ) 亡d m d r 二二 ” 其中巨表示接收信号的能量；历表示发射信号的能量；纯( ，f ) 是混响信道 的散射函数；c ( 劬f ) 是信号的归一化模糊度函数。 从式( 2 1 ) 看出，在混响信道中，如果增大发射信号的能量，尽管回波信号能 9 西北l 。业大学硕十学付论文 第一二章水下目标测距及波形选取 量增加，但混响背景也增强了，目标检测性能并未提高。这时，改善信号混响比 的唯一措施是进行有效的信号设计，使得信号的模糊度函数与混响信道的散射函 数重叠部分越少，对目标的检测性能越高。 2 2 1 模糊度函数 为了设计好的发射波形，必须考虑其在时频空间内的分辨能力，必须考虑波 形模糊度函数的体积分布特性，这就是波形的模糊度问题。 设发射信号为“( f ) ，将其延迟r 并且频移妒，可得到接收信号m ) ，其形式为： v ( f ) = “( f f ) 一2 酬。 ( 2 2 ) 对“( f ) 和v ( f ) 求相关可得： _ 名( f ，伊) = p + ( f h ( f f ) 2 酬”) 西= 卜( f m ( r + f ) 一2 叫出 ( 2 3 ) 在声呐中常将i 厄( f ，妒) l 定义为“( f ) 的不确定函数，而定义： 甲( f ，妒) = l 厄( r ，妒) r = 屁( r ，妒) 厄+ ( f ，们 ( 2 - 4 ) 为“( f ) 的模糊度函数7 1 。 模糊度函数有一个重要的性质，那就是模糊度体积不变原理，即能量相同的 波形，不管形状如何，模糊度函数下的体积不变，也就是： f p ( f ，妒) d f d 伊= y ( o ，o ) = 2 ( 2 - 5 ) 由体积不变性质，定义时间一频率联合分辨函数： 4 竺訾_ 1 ( 2 6 ) 这就是说，对任何能量归一的波形，其时间一频率联合分辨函数是1 ，与波 形形状或参数无关。它指出，只要波形的能量相同，改变波形参量只能改变模糊 度函数在f p 平面上的形状，而不改变该函数曲面下的体积。 2 2 2 分辨率与模糊度函数 所谓目标分辨率是指能够确切的把两个距离和速度相近的目标区分开来的 能力。目标分辨率与模糊度函数的形状有关。对应一定的判决域，模糊度函数有 一个固有的模糊截面。两个距离和速度靠的很近的目标，如果都落于模糊截面之 内，就无法把它们分开。信号波形设计应当使模糊度函数的表面与目标空间匹配， 1 0 两北i 。业人学硕十宁何论文第一二章水f 目标测距及波形选取 即使由模糊度函数决定的分辨率满足对目标分辨率提出的要求，同时使相应的模 糊度函数的全部体积主要集中于中心尖峰内，而且这个尖峰必须十分陡峭，使目 标的覆盖概率等于l ；在模糊区之外，模糊表面要呈低基底状，以防止自身脉冲 干扰【6 l o 2 2 3 常用信号波形7 】 a 方波包络单频( c w p ) 信号 这是最简单的一种信号，或称余弦波脉冲信号，信号的复数形式为： u ( f ) = 击删( 争一2 矾 ( 2 - 7 ) r 是方波包络宽度，工是载频频率。其模糊度函数为： 矿( f ，妒) = 其时间分辨率和频率分辨率分别是： z 三置，r 陋9 ， z - y - k = o 4 4 r 。 可见，c w p 信号不可能在时间和频率两方面都是高分辨的性能。当使用长脉 冲工作时，频率分辨率提高，但时间分辨率就变差了；采用短脉冲时，时间分辨 率提高而频率分辨率又下降了。 b 矩形包络线性调频信号 矩形包络线性调频信号( l 研田也称c h i r p 信号，其复数形式是： 啦，= 击删审唧 伽c 缸+ 三胁2 ， 。， 式中肘是线性调频指数。瞬时频率是： z ( f ) = 工+ 撇 ( 2 一1 1 ) 是时日j 的线性函数，频率调制宽度： 占= 阻l r ( 2 - 1 2 ) 五是载频，也是信号的中心频率。 、， 名 g r r =-叫 1j 、 h r 一 ，、 r耵 l ，n龇 中， h 一， 一 ，、o l f m 信号的模糊度函数为： y 。，妒，：j ( 一拳 2s i n c 2 石c 妒一 ，r ，c ，一h ， h s 丁 。：一。， 【oh 丁 其时间分辨率和频率分辨率分别是： 艇篇； 仁 结合式( 2 一1 2 ) ，可得： t = 纪m ( 2 - 1 5 ) 和长度为r 的c w p 信号相比，l f m 的纯相同，而t 减小了m 倍。只要丁 和m 足够大，线性调频信号的时间分辨率和频率分辨率可以足够高。但l f m 信 号并不能同时准确的确定处于不确定图中任意两点所对应的回波时间和频率的 差异。 c 伪随机信号 伪随机( p 鼢d 信号的形式为： u ( f ) = 孑，甜( ；如( f ) ( 2 1 6 ) 月( f ) 是通过矩形带通滤波器( 中心频率为五，带宽为口) 截取的一段白噪声，其 功率谱为： w ) = 去m r 譬) ( 2 1 7 ) 由于，l ( f ) 是随机信号，为不确定的波形，其信号频谱也是随机不确定的。但 可以借助于其伪随机特性，并假定它是零均值矩形白色带通噪声信号。可求得其 模糊度函数为： y 。l 掣s i n 忡m 阿喇) 1 2 i f | ” 【oh r 信号分辨率为： z 三篇：； 任 慨= o 4 4 r 、7 1 2 两北t 。业大学硕十学何论文 第一章 水下目标测距及波形选取 2 2 4 波形选择与信道匹配 信号选择与信道匹配的原则是，适当选择发射信号波形使其模糊度函数尽量 与混响信道散射函数不重合，而与声传输信道散射函数尽量重合，从而改善匹配 滤波器的检测性能。 浅海中面临的主要是海面、海底混响，存在着一定的频谱扩展，且有一些 不对称性。所以，混响散射函数在时频平面的分布占用了一个比发射信号频带稍 宽的频带。如果将几种常用信号，如单频、线性调频、伪随机信号的模糊度函数 与混响的散射函数作比较，可以得出以下两点结论【5 】： ( 1 ) l f m 信号和p r n 信号较长c w p 信号有较好的混响抑制能力，是混响背 景中检测静止或低速目标回波较适宜的信号形式，短c 、p 信号几乎具有同样的 抑制能力，只是在目标较远时不具有足够的能量。当目标距离较近时，可以使用 短脉冲，这时短c 、7 l ，p 信号要优于l f m 、p i 矾和长c w p 信号。 ( 2 ) 当目标与声呐平台之间的相对运动速度较大时，回波中存在的多谱勒频 移量较大，因此其模糊度函数在频率方向上存在一个频移分量。在这种情况下， 长c w p 信号的模糊度函数与混响信道散射函数的重叠较小，而l f m 信号和短 c w p 信号的模糊度函数与混晌信道散射函数的重叠还会保持一部分。目标回波 的多谱勒频移越高，或c w p 信号的脉宽越长( 带宽越小) ，信号模糊度函数与 混响散射函数的重叠就越小。 2 3 波形设计 波形设计就是设计声呐波形及其参数，使其适应给定的声呐信道，以达到 有效的检测、分辨和定位声呐目标。 有效地识别目标检测信息增益的途径主要有三种，第一是增加系统输入信 噪比，第二是增加信号检测时间，第三是扩展信息带宽。第一种方法除增大信号 功率之外，更主要的是选择最佳频率，以使声波传输衰减最小。第二和第三种方 法实际上就是增加波形长度r 和带宽曰的问题。由于实际条件的限制，只能根据 需要进行折衷选择1 8 】。 2 3 1 中心频率的选择 决定频率的主要因素是所要检测的目标距离和要求的目标分辨尺寸。对近程 1 3 西北t 业大学硕十学付论文第一二章水下目标测距及波形选取 小尺寸分辨要求的声呐系统，工作频率可取的高一些，这样信号信息带也可以宽 些，能保证信号是窄带信号；对远程，由于衰减和传输条件的复杂性，工作频率 不能取得太高【8 l 。 中心频率的选择需要考虑以下几个因素【6 】： ( 1 ) 传播损失：传播损失随频率增高而增大。 ( 2 ) 波束形成器的指向性指数d i ：d i 随频率增高而增大。 ( 3 ) 有利于接收机在频域分离多个发射信号。 ( 4 ) 选择中心频率使混响散射函数的延续范围尽可能小。 ( 5 ) 自多谱勒抵消( o d n ) ：o d n 的目的是，不管船只怎样运动，通过从混 响谱中提取的多谱勒频移，应使混响谱的中心频率固定不变。为此，通常需要改 变发射脉冲的中心频率。接收的混响频谱的中心频率由下式决定： ， = 6 ( 1 + 专c o s 口)( 2 - 2 0 ) l 式中参数是发射脉冲的中心频率，口是船的速度和波束指向之间的夹角。 反过来，如果要使接收到的混响频谱的中心频率= ，则发射脉冲的中心频率 就必须使： = q ( 1 + 2 v c o s 口c ) ( 2 - 2 1 ) 式( 2 - 2 1 ) 表明，为了使混响谱的中心频率固定不变，发射波的中心频率必须 根据自身的船速和方位角随时做出修正。 2 3 2 波形长度r 的选择 就经典检测理论或匹配滤波器相干检测理论而言，声呐波形的长度r 越长越 好。这是因为在白噪声中检测点目标回波，匹配滤波器输出信噪比主要和信号能 量有关，在发射功率限制的条件下，主要决定于信号长度r 。但对实际的声呐系 统和环境，丁的选择受以下几个方面的制约【7 】【8 】： ( 1 ) 盲区：声呐在发射信号期间( 即，秒内) ，接收机不工作。因此，对在c r 2 距离内的目标，将不能检测到。对主动声呐，这一不可检测的距离称为盲区。若 要求最小检测距离是，则信号不应大于2 c 。 ( 2 ) 混响限制：对于功率受限制的发射信号，混响作为声呐干扰，通常与信 号长度有近似于3 分贝的倍增关系。因此，在混响干扰条件下，增加信号长度并 不能增加输出信噪比，特别是在回波衰减比混响快的时候。增加，并不利于混响 中目标的检测。 1 4 两北i 。业大学硕十学位论文第一= 章水卜目标测距及波形选取 ( 3 ) 信道起伏的影响：信道的起伏必将产生回波的时i 日j 衰落( 频率扩展) ， 匹配滤波检测必然产生检测损失。当目标拐弯或有加速度时，丁太大，会使信号 回波不满足小时间带宽条件。匹配滤波器输出产生加速度失配损失。一般情况下， 丁应小于信道( 包括目标散射) 的相干耐间，并使目标的径向速度在r 时期内的 变化满足咋c ( 2 五r ) 。 ( 4 ) 设备限制：如果要求过高的速度分辨力，匹配滤波的频移匹配数就会很 多，增加了设备的复杂性。 一般丁的选择主要考虑目标的远近和回波起伏的大小，以保证满足相干检 测条件。 2 3 3 波形带宽的选择 声呐波形带宽有两个要求和三个限制【7 】f 羽。两个要求是混响中检测低速目标 的能力和目标距离分辨率。理论上，在均匀混响中检测点目标回波的匹配滤波检 铡增益与信号带宽成3 分贝倍增关系( 而且带宽越大，混响越均匀) ，而距离分 辨率与信号带宽成反比。三个限制是： ( 1 ) 多途或目标距离延伸的限制：目标回波的时间扩展必然会引起回波的频 率衰落，使匹配滤波检测带来的损失一落在距离分辨单元内的回波能量减少。因 此，一般情况下波形距离分辨率l = 1 口不小于目标回波的时间扩展三。 ( 2 ) 频散效应：由于曰太宽，信道不满足窄带条件，必须考虑由于传输信道 的频率不均匀性所产生的回波畸变。对于运动目标，由于b 太大，回波不能看成 只有频移效应的回波，应考虑宽带多谱勒效应。因此，选定中心频率厶后，曰不 应大于的2 5 。如果被检测目标最大可能速度是v 卅，那么，为了保证窄带匹 配应使口r s c 2 叱。 ( 3 ) 设备限制：除了要求基阵的均匀频响外，还要考虑处理机的速度。口增 大，相应的数字信号处理中抽样频率要增加，处理的数据容量和速度也相应增加， 从而增加实时处理设备的复杂性。 实际声呐设计中，波形带宽选择主要决定于被检测目标的容许分辨尺寸和 介质传输信道所容许的信息带宽( 满足窄带条件) 。近距离、检测小目标，频率 可高些，带宽可大于数千赫兹。远程检测，带宽只能取数百赫兹。 两北t 业大学硕十学何论文第二章水f 目标测距及波形选取 2 3 4 水下运动目标的发射信号波形设计 水下运动目标内部加装的信标电路产生的合作信号波形，不仅要作为测距信 号，还要作为被动定向的声源信号。该水下目标具有低速度、小尺寸以及距离较 近( 3 0 0 m ) 的特点，由前面的分析知道，混响背景下检测静止或低速目标，比较 适宜的信号为l f m 信号和p i t n 信号，在目标较近时，可以使用短c w p 信号， 且短c w p 信号要优于l f m 信号和p r n 信号。 基于上述因素考虑，在信标电路合作声信号波形的设计上，采用单频和调频 信号的混合形式，可以综合线性调频l f m 信号和短c w p 信号的优点，易满足 航迹测量的工程需要。信号的周期为2 0 0 m s ，脉宽为5 m s ，其中前4 m s 为单频信 号，频率3 0 乜；后1 m s 为线性调频信号，频带范围2 7 5 k h z 3 2 5 七。中心 频率设置为3 0 k h z 、调频带宽设为5 k h z 是为了满足定向的需要，在第三章中将 详细解释。 2 4 本章小结 本章首先介绍了水下目标测距时常用的几种方法，结合水下目标的运动特 点及设计要求，采用了基于主动式有线同步钟水下测距方法的测距方式。然后研 究了模糊度函数及其与分辨率的关系。最后围绕如何设计波形这一问题进行了讨 论，同时考虑测距和测向的要求，选择了单频信号与线性调频信号混合的发射波 形形式。 1 6 曲北r 业大学硕十学伊论文第二章水f 目标定向原理与算法分析 第三章水下目标定向原理与算法分析 水下目标航迹测试系统通过接收安装在目标上的信标发出的合作信号来完 成定向。被动声定位的基本原理，是将传声器在空间布成一定形状的阵列，接收 目标声场信息并采用一定的算法进行处理，从而估计出某个时刻目标的空间位 置、运动速度等信息【9 】。 被动声定位方法可分为两大类。第一类是利用声强梯度场测定目标的方向。 第二类是利用时延( 信号到达不同声阵列传感器的时间差) 来定位。第一类方法 比较简单，定距过程平稳、速度快，但需要较多的先验知识，易受干扰，且