（水声工程专业论文）水下运动目标同步测距理论与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，w es t u d i e dt h et h e o r ya b o u tt h ew a v e f o r md e s i g no fa c o u s t i c s i g n a lm a da c o u s t i cp o s i t i o n i n g e s p e c i a l l y , t h et h e o r ya n dr e a l i z a t i o no fc o o p e r a t i v e s i g n a la n ds y n c h r o n o u sd i s t a n c em e a s u r e m e n t i nt h em e a s u r i n gs y s t e mw e r et r e a t e d f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n da sw e l la st h es i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hw o r kw a s i n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h es t a t u so ft h i sr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a dw a s p r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h et h e o r yo fa m b i g u i t yf u n c t i o nw a sd e t a i l e d i n t h i s s e c t i o n ，d i s c u s s e ds o m ep a r a m e t e r ，w h i c hi n c l u d e dt h ed i s t i n g u i s h i n g ，t h e p r e c i s i o no fe s t i m a t i o n ，a n dt h ec a p a b i l i t yo fd e t e c t i o n a l s od i s c u s s e dh o w t os e l e c t t h es i g n a lw a v e f o r mi no r d e rt om a t c h i n gt h et m d e r w a t e rc h a n n e la n ds t u d i e dh o wt o s e l e c tt h ep a r a m e t e ro fs i g n a lw a v e f o r r n t h em e a s u r i n gs y s t e mi sa nu l t r a s h o r tb a s e l i n ea c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m t h ep r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o na r e a ，p o s i t i o n i n ge r r o rs o u r c ea n da s s o c i a t e dc o r r e c t i o no f a c o u s t i c p o s i t i o n i n gs y s t e mw e r e s t u d i e d a l s oa n a l y z e ds e v e r a lm e t h o d sa b o u t d i s t a n c em e a s u r e m e n ta n de m p h a s i z e dt h ed i s t a n c em e a s u r e m e n tu s i n gs y n c h r o n o u s c l o c k b a s e do nt h ew o r km e n t i o n e da b o v e ，t h ee n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o no fh a r d w a r e a n ds o f t w a r ew e r ec o m p l e t e d t h o s ei n c l u d e d ：t h es i g n a lg e n e r a t o lt h ec i r c u i to f d a t r a n s f o r m ，c p l dc i r c u i t ，t h e c i r c u i to fa m p l i f i e ra n dm a t c h i n g ，w a v e d e t e c t o r , m i c r o c o m p u t e rc h i p ，w i d t hd e t e c t o r a tl a s t ，t h es y s t e mh a su n d e r g o n et h et e s ti nr e s e r v o i r t h er e s u l t so fr e s e r v o i r t e s ts t a t e dt h a tt h es y s t e mt r a c k i n ga n t i s u b m a r i n eb o m bh a sg o o dc h a r a c t e r i s t i c sa s ： t h ef e a s i b i l i t yo fp r i n c i p l e ，t h e h i g hp r e c i s i o no fd i s t a n c em e a s u r e m e n te t c t h e p e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mh a sm a t c h e dt h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v e s y n c h r o n o u s s i g n a l w a v e f o r m d e s i g n a c o u s t i c p o s i t i o n i n g d i s t a n c em e a s u r e m e n t i i 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节研究目的、背景和意义 深水炸弹( 简称深弹) ，是一种入水后下潜到一定深度爆炸的水中兵器，主 要作为反潜武器用于攻击潜艇等水下目标。按其装备对象的不同，可分为舰用深 弹和航空深弹两大类。传统上，深弹是作为反潜武器来使用的，但是问世不久就 改变了其单纯的反潜使命。不仅用于反潜，而且成为开辟舰艇航道的优选装备， 不同的使命任务使深弹具备了双重功能。 深水炸弹，作为一种效费比较高的反潜武器，在海军反潜武器系统中占据 着重要的位置。如何改进和提高深弹的反潜效能，实现深弹的小型化、智能化， 是深弹的发展方向。为了提高火箭末制导深弹入水后的命中概率，出现了声制导 深弹”1 1 ，声制导技术是利用水下运动目标产生的辐射噪声，引导入水后的深弹， 在下沉过程中，自动接近目标。通过声制导技术可以有效地提高深弹入水后的命 中概率和有效杀伤力。因为在深弹中，通过增加测向功能，使其具有了被动声制 导和智能化的功能。深弹依据解算出的目标方向，操纵尾舵，自动接近目标。从 而，使深弹成为一种智能化的水声对抗器材。 在声制导深弹原理样机的研制中，为了有效的分析深弹的技术性能，需要 了解深弹入水后的运行轨迹，以判断深弹能否根据设计指标完成既定的战术性 能。本论文就是围绕这一中心任务而开展的预研工作，主要通过声学定位技术的 研究，完成深弹的水下目标定位，实现深弹目标的水下运动轨迹测量，并以可视 化的图形界面将其运行轨迹显示在计算机屏幕上。 本论文所研究的声学定位技术是国民经济建设和国防建设的基本技术，具有 广泛的用途。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 ) 的技术研究和应用， 在海洋探测、海洋工程、海洋矿产资源调查、水下考古、海洋国防建设等方面有 着广泛的用途。随着技术的发展，声学定位技术的发展和应用也越来越广泛。当 前大多数海洋工程，如海洋油气开发、海底光缆管线路由调查和维护等都用到了 声学定位技术。声学定位系统还可以完成水下拖体的导航定位，如水下遥控机器 人r o v ( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 、水下无人机器人u u v ( u n m a n n e du n d e r w a t e r 第一章绪论 v e h i c l e ) 、水下自动机器人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 ) 、声内设备的水 下拖鱼( t o w f i s h ) 等。 声学定位技术，在海洋军事应用中具有重要的应用价值，不仅可以完成水 下合作目标的跟踪和精确定位，了解水下合作目标能否完成既定的战、技术指标， 检验采用的各种技术是否合理；而且可以通过布设特定的大型水听器基阵，在大 面积范围内对来袭的敌方目标进行远距离报警，适合安装在重要的军事港口、舰 艇基地的周围，成为反潜系统的重要组成部分。 不同的水声定位系统有着不同的工作原理和定位精度。长基线的定位精度 高，但造价最高；短基线的精度次之，但要得到高的精度，基阵布设受到很大的 限制；超短基线的精度比短基线略低，但使用方便灵活，尤其适用于深海矿产资 源的调查和开发。 本论文通过对声学定位技术的研究，根据深弹水下运动轨迹测量的实际需 要，解决合作信号形式的选取和距离参数的精确测量，并完成工程实现。 第二节国内外研究现状 声学定位技术，由于其在海洋工程和海洋军事中的重要地位，国内外许多 研究机构都开展了相关的技术研究工作，并推出了多种型号的产品。本节主要论 述国内外声学定位技术的研究现状和技术发展趋势。 1 2 1 国外技术现状”h ”1 国外对声学定位系统研究较早的是挪威k o n g s b e r gs i m r a d 公司。该公司产 品涵盖了超短基线、短基线和长基线三种类型，其研究开发有近3 0 年的历史， 有一系列成熟的产品投入到军事及民用领域。 上世纪7 0 年代，澳大利亚h o n e y w e l l 公司推出了r s 9 0 0 系列声学定位产品。 这一系列产品包括r s 9 0 2 、r s 9 0 4 、r s 9 0 6 三种不同的型号，其中，r s 9 0 2 是超 短基线声学定位系统，只支持单个接收水听器工作方式，系统不含发射换能器； r s 9 0 4 是r s 9 0 2 的改进型号，系统内加装了一个发射换能器；r s 9 0 6 是短长基 线定位系统，既可以工作在短基线方式，也可以工作在长基线方式下。r s 9 0 0 系 列声学定位系统均采用分离元件和模拟信号处理技术。 2 西北工业大学硕士学位论文 上世纪9 0 年代，英国的t h o m s o n - m a r c o m - s o n a r 公司和法国 o c e a n ot e c h n o l o g i e s 公司( 原m o r se n v i r o n m e n t 公司) 联合开发了一种 新的深海定位系统p o s i d o n i a6 0 0 0t ”。p o s i d o n i a6 0 0 0 是一种长程超短基线 定位系统，可以工作在水下6 0 0 0 m 的深度，最大作用距离8 0 0 0 m ，具有较高的 定位精度和较短的校准时间( 1 的信号( t 为信号长度) ，n 1 就需要增加带宽w ，对于单频填充脉冲，其t w “1 ，是没有 脉冲压缩效应的。增加带宽的方法有两种：一是进行相位调制，如线性调频信号、 编码调相信号等；二是同时进行振幅调制，如伪随机信号。由于振幅调制将引起 发射效率损失，一般更倾向于选择前一种方法。 由上面的分析可知，一个矩形包络的l f m 长脉冲，经过匹配滤波处理，由 于产生了脉冲压缩现象，输出端得到了一个很窄的脉冲。从而可以获得比较精细 的距离分辨率。并且一个长度为t 的脉冲增加m 有可能获得任意精细的距离分 辨率。 由此可以看出，l f m 脉冲用匹配滤波处理的明显优点是：通过发射长脉冲 增加发射信号的能量，改善输出信噪比而又不损失距离测量精度。 实际上，由傅立叶变换的性质可以知道，t w 1 的信号通过匹配滤波器都 会产生脉冲压缩效应。 2 1 4 窄带模糊度函数及其性质 1 2 1 ”】【”】【2 0 1 信号检测要用匹配滤波器，匹配滤波器是用输入信号和输入信号的时间倒 置的复共轭做互相关得到，所以匹配滤波器有时也称为互相关器。 一般情况下，信号矿( f ) 和u ( r ) 的互相关函数定义为： r ( r ) = i v ( o u - o + f ) 斫( 2 1 6 ) 西北工业大学硕士学位论文 令v ( t ) = u ( t f ) 8 7 2 ”，即v ( t ) 是频移了妒而又延迟了f 的u ( t ) 。代入式 ( 2 1 6 ) 可得信号u ( t ) 的时频二维相关函数 z ( r ，妒) = i u q ) u ( t f ) e j 2 x 9 ( t - r ) d t = p ( r ) u + o + r ) e j 2 x 4 0 t d l ( 2 1 7 ) 在声呐技术中，定义： z ( r ，妒) = l ( r ，妒) | 2 = r ( f ，p ) f ( f ，妒) ( 2 1 8 ) 为u ( t ) 的模糊度函数。 窄带模糊度函数最早是由w o o d w a r d 在1 9 5 0 年研究雷达信号的分辨力时提 出来的，并从衡量两个不同距离和不同径向速度目标的分辨度出发提出了模糊函 数的定义。但是模糊函数不仅可以说明分辨力，还可以说明分辨精度、模糊度以 及抗干扰状况，声呐信号的模糊函数与声呐信息的提取与处理方法密切相关。根 据信号检测的理论，在噪声背景中检测有规信号的最佳接收机是匹配滤波器，而 模糊度函数正是反映了匹配滤波器输出在r ，妒平面上的能量分布。由于式( 2 1 8 ) 中假没信号经过多谱勒频移后，其复包络形式不变，只增加了e - j 2 x 。o 项。此时， 模糊度函数称为窄带模糊度函数。模糊度函数具有以下性质： ( 1 ) 原点对称性。 z ( r ，伊) = z ( 一2 - ，一妒) ( 2 1 9 ) ( 2 ) 原点最大。 z ( r ，妒) z ( o ，o ) = e 2 ( 2 2 0 ) l x ( r ，妒) 1 x ( o ，o ) = e ( 3 ) 时延频移后的不变性。 当矿( f ) = u ( t r o ) e x p j 2 7 r d p o ( t 一) 时， k ( f ，伊) = ( r ，妒) e x p ，2 丌( 妒一( o o r ) 】 ( 2 2 1 ) z v ( r ，妒) = 知0 ，f o ) ( 4 ) 时轴压缩定理。当v ( t ) = u ( a t ) ，口是常数时， 第二章信标电路的波形设计 肫加寿硝钎，力 ( 5 ) 投影性质。 z ( 0 ，妒) = r ( 妒) 1 2 z ( t o ) = l r ( f ) f ( 6 ) 体积不变定理：能量相同的波形， 不变。 f 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 不管形状如何，模糊度函数下的体积 f z ( f ，妒) d r d c p = z ( 0 ，o ) = e 2 ( 2 2 4 ) 此性质也称之为不确定性原理。体积不变性指出，模糊度函数在f 方向和p 方向同时变窄是不可能的。体积不变性是模糊度函数最重要的性质。 第二节波形选择与信道匹配 信号形式的选择应根据目标和信道散射函数以及信号的模糊度函数匹配的 原则，确定适用的信号类型，然后选择合适的信号形式和波形参数。从信号选择 对检测性能影响的分析中知道，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。 2 2 1 混响信道波形选择1 5 j f l 8 j 【1 9 】 这里主要对几种常用声呐信号的模糊度函数与混响信道的重叠情况进行分 析，从中选取最合适的信号形式。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( c w ) 、线 性调频( l f m ) 、伪随机( p r n ) 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： ( 1 ) l f m 信号和p r n 信号较长c w 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 w 信号几乎具有同样的 西北工业大学硕士学位论文 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 w 信号要优于l f m 、p r n 和长c w 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 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 信号的模糊度函数与混响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 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 2 2 信道弥散对不同波形信号检测性能的影响 1 2 1 ”脚 海洋中的声传输信道是一个多途的随机时变信道。实际海水介质空间都是有 损的非均匀介质空间，除了一般的吸收与扩展损失外，还存在着种类繁多的随机 不均匀性，导致混响和接收信号幅度的起伏变化。另外，声源和接收机的运动也 会造成声信号的起伏。根据文献f 2 。】。我们知道如下结论：从抗噪声干扰的观点 出发，要增大信号能量应采用长脉冲：从抗混响干扰和检测静止( 或低速) 目标 的要求来看，要获得好的距离分辨率以抑制混响应采用宽带信号。这就要求采用 t w 1 信号，如l f m 信号。信道和目标反射所引起的信号时频弥散，会导致增 大丁矿乘积，信号性能下降。在距离弥散较严重的条件下，多采用单频长脉冲。 单频长脉冲和调频长脉冲是现代声呐中最常采用的两种波形。 第三节声呐波形性能分析 前面已经指出，模糊度函数在信号设计中起着关键作用。本节讨论目标分 辨率、目标参数估计精度、改善混响背景下的信号检测性能和模糊度函数的关系。 2 3 1 目标分辨率与模糊度函数2 0 1 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。表2 1 给出了c w 、l f m 、p r i g 三种比较典型的波形的目标 分辨率 2 0 l ： 13 第二章信标电路的波形设计 表2 1典型波形的目标分辨率 信号波形 2 r r l2 i 竹l c w 信号 0 6 to 8 8 ，r l f m 信号 o 8 8 w0 8 8 ，r p r n 信号 o 8 8 w0 8 8 t 由表2 1 可以看出：距离分辨率主要决定于带宽的倒数，多谱勒径向速度分 辨率取决于脉冲持续时间的倒数。信号波形设计应当使模糊度函数的表面与目标 空间匹配，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1 。在模糊区之外，模糊表面要呈低基底状，防止自 身脉冲干扰。不同的调制方法有不同的模糊度函数。 2 3 2 参数估计精度与模糊度函数”】【1 5 2 0 】 对于慢起伏点目标的距离延时t 和多谱勒频移国。的估计问题，匹配滤波器 的输出是一个似然函数，假定它具有峰值。显然，当扫描参数r 和，等于目标 的真实参数t 和0 9 。时，匹配滤波器的输出最大。实际做法是用一组具有不同的f 和国。的扫描参数的匹配滤器组处理输入信号，其中输出最大的那组匹配滤波器 所对应的f 和吼就被认为是估计的目标参数。因此对准或对不准目标并不是根 据模糊度函数的峰值，而是根据一定门限决定的模糊度截面来做出判断的。由于 噪声的存在，估计值f 和( - 0 。不可能完全等于真值f r 和0 ，于是产生了估计误差。 我们用均方误差表示估计精度。根据c r a m e r - l a o 下界 砌r k f e a 21np(rr)lar2j 一璃哥 在高信噪比条件下，式( 2 2 5 ) 中 1 4 ( 2 2 5 ) 西北工业大学硕士学位论文 m ，班等k 出) i “o 代入式( 2 2 5 ) 中，得到： v a r r , 一r 】 同理 ：陋。) | v a r a ) a f 一】 ：e 球叫 r 2 2 6 ) ( 2 2 8 ) 文献1 中给出了信号的等效带宽属和信号的等效持续时间t o 的计算公式 所=p i g c 捌万d ( o 一脚g c 训圳 e i g v ) 2 瓦d ( o e l h 砷r 刊2 即，卜 将式( 2 2 9 ) 和式( 2 3 0 ) 分别代入式( 2 2 7 ) 和式( 2 2 8 ) ，得到 ( 2 2 9 ) f 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 由式( 2 3 1 ) 和式( 2 3 2 ) ，有如下结论：目标参数估计精度与波形参数( e ，成， 一席 一培 。一丝一 ，一舾一 吲 m 惭 哳 第二章信标电路的波形设计 t o ) 及信噪比有密切的关系。为了提高距离延时估计精度，可以增大信号能量e 和加大信号的等效带宽：同样，为了提高多谱勒频移估计精度，可以增大信号能 量和加大信号持续时间。模糊度函数的二阶倒数越大，估计方差就越小，估计精 度就越高。 2 3 3 检测性能与模糊度函数f 2 0 1 针对主动声呐的使用环境，分别讨论噪声环境和混响环境中，检测性能与 模糊度函数的关系。 在噪声限制情况下，结果和匹配滤波器理论一致，即白噪声背景下最佳信 号处理器就是匹配滤波器。其输出信噪比与波形无关，只与信号能量成正比，增 加信号能量可以改善输出信噪比。 在混响限制情况下，采用匹配滤波器检测混响环境中的慢起伏目标时，匹 配滤波器并不是最佳处理器，而是次最佳处理器。增大信号发射的能量不会改善 输出信噪比。原因是在混响限制的环境中，随着发射信号能量的增加，尽管目标 反射的能量增加了，但是混响的能量也增大了。这种情况下，改善输出信噪比的 唯一措施是进行有效的信号设计，使信号的模糊度函数与信道散射函数重叠部分 越少越好。减少信号模糊度函数与信道散射函数重叠的方法，是对信号进行某种 调制。调制的本质是频谱能量搬移。把信号模糊度函数与散射函数能量重叠的部 分分开。例如调频信号在混响环境中工作是有利的。 但是l f m 信号并不总是有利的。当目标与混响之间存在多谱勒频移时，模 糊度函数与散射函数的重叠可能还会有一部分。这时，我们希望采用沿多谱勒轴 有比较窄的模糊度函数的信号，如长脉冲r e c 信号。对于非调频的c w 信号也 存在一个问题，即高多谱勒目标可能处在混响功率谱的高旁瓣区。这样，检测性 能也不能提高。要增强对高多谱勒目标的检测能力，就要采用钟形波，来抑制混 响功率谱的旁瓣。 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第四节波形参数选择 波形参数选择，就是设计声呐波形及其参数，使其适应给定的声呐信道， 从而最有效的检测、分辨和定位声呐目标。波形参数主要包括信号持续时间t 、 带宽w ( 与调制有关) 、信号能量e 、发射信号的中心频率。本节讨论上述几 个参数的选择准则，参数选择时，许多制约因素是相互矛盾的，因此，设计人员 需要综合考虑。 2 4 1 中心频率的选择2 0 1 中心频率的选择需要考虑以下几个因素： ( 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 h频率升高指向性指数增大。 ( 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 ) 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： = 国。( 1 + 堡c o s 口)( 2 3 3 ) c 式( 2 3 3 ) 中参数是发射脉冲的中心频率，0 是船的速度和波束指向之间的 夹角。如果要使接收到的混响频谱的中心频率脚= 功。，则发射脉冲的中心频率就 必须使： 国o = q ( 1 + 2 v e o s o c )( 2 3 4 ) 式( 2 3 4 ) 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。 ( 6 ) 水声信道的水文、气象条件：包括海区水深、海底类型、季节类型等 因素。 ( 7 ) 所要检测的目标距离和要求的目标分辨尺寸：对近距离高分辨率目标， 信号中心频率高些。远程目标，频率需要选低些。 1 7 第二章信标电路的波形设计 ( 8 ) 工程实现的约束条件：工作频率很低的基阵，空间体积很大，而且大 时宽t 和大功率发射机不易实现。 2 4 2 信号持续时间t 的选择”】i ”】【2 0 1 就匹配滤波器相干检测理论而言，声呐波形的长度t 越长越好。但对实际 的声呐系统和环境，t 的选择受以下几个方面的制约： ( 1 ) 盲区：声呐在发射信号期间( 即t 秒内) ，接收机不工作。因此，对在 c t 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 ，0 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 d b 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t 并不利于混 晌中目标的检狈0 。 ( 3 ) 信道起伏的影响：信道的起伏必将产生回波的时间衰落( 频率扩展) ， 匹配滤波检测必然产生检测损失。当目标有加速度时，参数t 太大，会使信号回 波不满足窄带条件。匹配滤波器输出产生加速度失配损失( 匀速运动目标的回波 和发射信号都是简单信号，目标有加速度时，回波使简单的发射信号变成复杂信 号，相干性减小) 。一般情况下，t 应小于信道( 包括目标散射) 的相干时间， 并使目标的径向速度在t 时期内的变化满足a v , c l ( 2 f o t ) 。 ( 4 ) 设备的限制：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。 一般情况下，t 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 4 3 波形带宽w 的选择”j 【2 0 1 声呐波形带宽的制约因素主要有： ( 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f = i w 不小于目标回波的时间扩展l 。 1r 西北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 频散效应：由于w 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w 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，选定中心频率五后， w 不应大于五的2 5 。如果被检测目标最大可能速度是圪，那么，为了保证窄 带匹配应使胛c 2 圪。 ( 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。w 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k h z 。远程检测，带宽 在1 0 0 h z 左右。 典型信号波形的优点及其应用对象如表2 2 ： 表2 2 典型信号波形应用 信号波形应用 长c w 信号检测高多谱勒目标最佳 短c w 信号提供较好的距离分辨率 余弦平方包络c w 信号显著抑制混响检测高多谱勒目标 l f m 信号检测低多谱勒目标最佳 第五节合作信号的波形设计与仿真 本论文研究声制导深水炸弹入水后的运动轨迹，通过在深弹内部加装信标 电路，作为目标声源，发射参数已知的合作声信号。位于水面测量船上的信号接 收和处理系统接收合作信号，通过一定的算法和参数解算，完成目标深弹的测向 和距离信息解算；获取深弹的方位和距离参数，进而对深弹进彳亍水下定位；据此 信息绘制深弹的运动轨迹。信标电路所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，要求满足小尺寸、高精度水下运动目标测向 算法的要求。 2 5 1 合作信号的波形设计 声制导深水炸弹的水中运动轨迹测量，具有低速度、小尺寸以及距离较近 1 9 第二章信标电路的波形设计 ( 墨3 0 0 米) 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 r n 信号，在目标较近时，可以使用短c w 信号， 且短c w 信号要优于l f m 信号和p r n 信号。 合作信号同时作为测向系统的声源信号。在被动测向的实现上，主要是通 过时延估计来完成方位角和俯仰角的运算，因此时延估计精度直接影响着方位 角、俯仰角的估计精度，为了得到高精度的时延估计，采用基于相位谱估计的时 延方法”。由相位谱的估计方法可知，两路信号的互功率谱的相位谱为： 致l 。2 ( ，) = 2 x f r , 2 ( 2 3 5 ) 相位谱纯。：( 厂) 与频率，呈线性关系，即在线性调频信号的带宽内相位谱为 线性。通过求解带宽内相位谱败。( 厂) 的斜率，可得时延估计值_ ：。由于该时延 估值t ，受信号带宽和信噪比的影响，精度不是很高，故采用单频信号中包含的 相位信息所得到时延值，来进行修正，以获得精确的时延估值f ： f = 汝( 2 f o ) f o + i m ( 2 3 6 ) = 纸( 2 丌l ) ( 2 3 7 ) 式( 2 3 6 ) 中，f i x ( ) 表示零方向取整，即计算的是单频信号周期的整数倍。 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 信号的优点，易满足 深弹目标水下轨迹测量的工程需要。 2 5 2 仿真实验 仿真采用单频和调频混合信号，单频信号频率五为3 0 k ，线性调频信号厂的 频段为2 7 k h z 3 2 k h z ，信号脉宽为5 埘j ：其中单频信号为4 m s ，调频信号为 l m s 。图2 1 给出了信标波形的模糊度函数模糊图，为了便于比较，图2 2 给出 了工为3 0 k h z ，脉宽为5 m s 的单频信号模糊度函数图；图2 - 3 给出了线性调频 信号厂的频段为2 7 k h z 3 2 k h z ，脉宽为5 m 的模糊度函数图的仿真结果。 2 0 一 西北工业大学硕士学位论文 从图中可以看出，深弹目标轨迹外测系统的合作信号采用混合信号形式， 具有较佳的分辨性能，能满足实际的需要。 图2 1 混合信号模糊图图2 - 2 单频信号模糊图 图2 - 3 调频信号模糊图 第六节小结 本章围绕深弹目标轨迹外测系统中合作信号的波形设计这一中心，分析了 接收信号的模型、匹配滤波理论以及线性调频信号的脉冲压缩性质。本章的重点 是信号的模糊度函数理论。研究了不同的噪声环境下信号的模糊度函数，以及模 糊度函数对目标分辨力精度、参数估计精度、检测性能的影响。讨论了波形参数 选择中需要考虑的各种影响因素。最后，选取了深弹目标轨迹外测系统合作信号 的波形形式；给出了仿真结果。 2 1 第三章水声定位与删步测距理论 第三章水声定位与同步测距理论 本章讨论水声定位系统的定位原理及性能分析。确定适用于声制导深水炸弹 水下运动轨迹测量的定位理论和测距方法。 第一节水声定位理论 水声定位技术的发展速度很快，应用也越来越广泛。本节主要分析讨论水 声定位系统( u n d e r w a t e r a c o u s t i cp o s i t i o ns y s t e m ) 的原理、分类、特点。 3 1 1 水声定位系统的类型”】【2 1 【1 1 】【”1 按照接收基阵的尺度或应答器基阵的基线长度来分类，水声定位系统可以 分为长基线、短基线和超短基线水声定位系统三种，表3 1 为目前应用的主要三 类水声定位系统。 表3 1 ：水声定位系统 分类 声基线长度 超短基线s s b l u s b l 1 0 c m ( s u p e r u l t r as h o r tb a s e l i n e ) 短基线s b l ( s h o r tb a s e l i n e )2 0 5 0 m 长基线- l b l ( 1 0 n gb a s e l i n e )1 0 0 6 0 0 0 m 长基线水声定位系统利用测量目标声源到各个基元间的距离，来确定目标 的位置。短基线水声定位系统利用目标发出的参考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。超短基线水声定位系统利用各个基元接收信号的 相位差来解算目标的方位和距离。 按照工作方式来分，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。同步信标工作方式，要求在待测目标和测量船上都安装高精 度的同步时钟系统，信标按规定的时刻定时发射合作信号，并据此确定目标位置。 应答器工作方式要求在应答器和测量船上都安装询问( 应答) 发射机和接收机。 3 1 1 1 超短基线定位系统 如图3 - 1 所示，超短基线的所有声单元( 3 ) 集中安装在一个收发器中， 组成声基阵，声单元之间的相互位置精确测定，组成声基阵坐标系。声基阵坐标 系与船的坐标系之间的关系要在安装时精确测定，包括位置( x 、y 、z 偏差) 西北工业大学硕士学位论文 和姿态( 声基阵的安装偏差角度：横摇、纵摇和水平旋转) 。系统通过测定声单 元的相位差，来确定换能器到目标的距离，通过测定声波传播的时间，再用声速 剖面修正波束线，确定距离。以上参数的测定中，垂直角和距离的测定受声速的 影响较大，其中垂直角的测量尤为重要，直接影响定位精度。所以多数超短基线 定位系统建议在应答器中安装深度传感器，以提高垂直角的测量精度。超短基线 定位系统要测量目标的绝对位置( 地理坐标) ，必须知道声基阵的位置、姿态以 及船艏向，这些信息可以由g p s 、运动传感器和电罗经提供。系统的工作方式是 距离和角度测量( r a n g e a n g l e ) 。 超短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易：只需一个换能器，安装 方便；高精度的测距精度。 超短基线的缺点：系统安装校准需要非常准确，而这往往难以达到；测量目 标的绝对位置精度依赖于外围设备( 电罗经、姿态传感器和深度传感器) 精度。 3 1 1 2 短基线定位系统 如图3 - 2 所示，短基线定位系统由3 个以上的换能器组成，换能器的阵形为 三角形或四边形，组成声基阵。换能器之间的距离一般超过l o m ，换能器之间的 相互关系精确测定，组成声基阵坐标系。基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常 规方法确定。短基线系统的测量方式是由一个换能器发射，所有换能器均参与接 收，得到一个基准斜距观测值和不同于基准观测值的多个斜距值；系统根据基阵 相对船坐标系的固定关系，配以外部传感器观测值，如g p s 、m r u 提供的船的 位置、姿态、船艏向值，计算得到目标的大地坐标，系统的工作方式是距离测量 ( r a n g e r a n g e ) 。 l 1 答器 声基阵 图3 一l 超短基线定位示意图图3 - - 2 短基线定位示意图 短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易；基于时间测量的高精度距 - 2 3 第三章水声定位与同步测距理论 离测量；固定的空间多余测量；换能器体积小，安装简单。 短基线的缺点：深水测量要达到高的精度，基线长度一般需要大于4 0 m ；系 统安装时，换能器需在船坞严格校准。 3 1 1 3 长基线定位系统 如图3 3 所示，长基线定位系统包含两部分，一部分是安装在船只上的收发 器( t r a n s d u c e r ) 或水下机器人，另一部分是一系列已知位置的固定在海底的应答 器( 至少三个以上) 。应答器之间的距离构成基线，长度在几百米到几千米之间。 长基线系统是通过测量收发器和应答器之间的距离，采用测量中的前方或后方交 会对目标定位，所以系统与深度无关，也不必安装姿态、电罗经设备；所以长基 线定位是基于距离测量。从原理上讲，系统导航定位只需要2 个海底应答器就可 以，但这会产生目标的距离模糊问题，另外不能测量目标的水深，所以至少需要 3 个海底应答器才能得到目标的三维坐标。实际应用中，需要接收4 个以上的海 底应答器的信号，产生多余观测，提高测量的精度。系统的工作方式是距离测量 ( r a n g e r a n g e ) 。 长基线定位系统的优点：独立于水深值，具有较高的定位精度；多余观测值 增加；对于大面积的调查区域，可以得到非常高的相对定位精度；换能器非常小， 易于安装。 长基线定位系统的缺点：系统复杂， 贵：需要长时间布设和回收海底声基阵； 操作繁琐；数量巨大的声基阵，费用昂 需要详细对海底声基阵校准测量。 t 2 t ：换能器；r x ：测量距离；t x ：声波应答器；b l x x ：基线 图3 3 长基线定位示意图 一2 4 西北工业大学顾士学位论文 3 1 1 4 组合定位系统 如图3 4 所示，组合系统有多种形式，组合系统的最大优点是综合了不同定 位系统的优势，提高定位精度，扩大应用范围。但是组合定位系统的设备组成和 操作也变得更为复杂，组合定位系统一般是应用户的特殊需要定制，目前应用较 多的是超短基线长基线组合系统和超短基线短基线组合系统。系统的工作方式 是距离测量( r a n g e r a n g e ) 或距离角度测量( r a n g e a n g l e ) 。 图3 - 4 组台系统定位示意图 3 1 2 水声定位系统使用的频率 通常声学定位系统的频率选择是根据使用的范围和要求的精度来确定，但 是声学界就精度与频率的关系问题还在研究。一般情况下，频率越高精度越高。 表3 2 给出了水声定位系统的频率和作用距离的关系。 表3 2频率波段与作用距离2 频率分类频率范围最大作用距离 低频- l f ( 1 0 wf r e q u e n c y )8 1 6 必舷1 0 k m 中频一m f ( m e d i u mf r e q u e n c y ) 1 8 3 6 ( 王拓2 3 k m 高频一h f ( h i g hf r e q u e n c y ) 3 0 6 0 腽1 5 k m 超高频一e h f ( e x t r ah i g hf r e q u e n c y )5 0 1 l o 天弛 1 k i n 甚高频- v h f ( v e r yh i g hf r e q u e n c y ) 2 0 0 3 0 0 k h z兰1 0 0 m 3 1 3定位精度与误差分析 描述水声定位系统的定位精度参数有多种，如绝对测量精度、复测量精度、 相对测量精度、分辨率等。影响定位精度的误差因素很多，如水面定位系统、船 姿态测量设备、船艏向测量设备的测量误差、环境噪声的影响、系统测角和测距 第三章水声定位与同步测距理论 误差等各种因素。 3 1 3 1 超短基线和短基线的定位精度 两种系统的定位精度受外围设备，如船只定位、姿态测量、电罗经等设备 的精度影响很大，并且随着作用距离的增加，定位误差增大。这其中不同姿态的 测量精度随着作用作用距离的增加变化影响非常明显，如图3 5 所示。另外，接 收波束的指向性( 接收波束角) 也会影响测角精度，图3 - 6 给出了三种不同的波 束角对测角精度的影响。可以看出在低信噪比时，影响尤为明显。 超短基线的定位精度可由以下公式评估【l 0 】： 蟊。= r 司+ r 疙。d + r 西+ r 唬。+ 一+ 露m ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中，参数q 。为超短基线的总误差：为水平角测量误差；。为电罗 经测量误差：吼为超短基线仰角测量误差；d k 。，为姿态传感器测角误差；盯。为 超短基线测距误差；d 硫为水面船只g p s 测量误差；r 为测量斜距。 1 4 官1 2 。1 0 型s 趔6 似4 2 0 测角精度一02 5 测角精度一00 5 一一一一一一一一 ! 二一一一一一一一 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 0 水深( m ) 图3 - 5 不同测量精度的姿态传感器产生的定位误差 碧2 j 5 删1 5 瓤 0