（水声工程专业论文）超短基线定位系统检测技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i g n a ld e t e c t i o ni sa ni m p o r t a n tt a s ki nu n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n g ， a n dh a sw i d ea p p l i c a t i o n si nt a r g e t a c q u i s i t i o n a n dr e c o g n i t i o n ，u n d e r w a t e r c o m m u n i c a t i o n , t e l e m e t r y , o c e a ne x p l o i t a t i o n ，a n ds oo n t h em a i nw o r ko ft h i s t h e s i sf o c u s e so nt h es i g n a ld e t e c t i o nt e c h n i q u ei nu s b l ( u l t r a - s h o r tb a s el i n e ) ， i n c l u d i n gn o i s ec o r r e l a t i v i t yb e t w e e nd i f f e r e n ta r r a yc e l l s o fu s b ls y s t e m ， r e s p o n d e rs i g n a l d e t e c t i o nt e c h n i q u eb a s e do np o l a r i t yc o i n c i d e n c ec o r r e l a t o r , m u l t i - t a r g e td e t e c t i o nt e c h n i q u eb a s e do nm u l t i - c h a n n e la d a p t i v en o t c hf i l t e r sa n d c f a r ( c o n s t a n tf a l s ea l a r mr a t e ) p r o c e s s i n g ，e t c t h ei n t e n s i t ya n ds t r u c t u r eo fn o i s ef i e l do fr e c e i v i n ga r r a yh a v ei m p o r t a n t i n f l u e n c ei na c o u s t i cs y s t e mp e r f o r m a n c e s oi ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o i s e u n d e r s t o o d ，c o m b i n e dr e c e i v i n ge q u i p m e n td e s i g n e d a n ds i g n a l p r o c e s s i n g m e t h o dc h o s e n ，t h ea c o u s t i cs y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e d t h en o i s e s p a t i o - t e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s t r i c t e db yt h er e c e i v i n gn o i s ef r e q u e n c yb a n d ， i sg i v e nu t i l i z i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt r i a ld a t a , w h i c hp l a yaa c t i v er o l ei n i n c r e a s i n gd e t e c t i o np e r f o r m a n c e t h es i g n a ld e t e c t i o nf o ru s b ls y s t e mi n c l u d e sr e s p o n d e rs i g n a ld e t e c t i o n a n da r r a yr e c e i v i n gs i g n a ld e t e c t i o n a n dt h er e c e i v i n gc i r c u i to fr e s p o n d e rn e e d s b o t ha d v a n t a g e o u sn a r r o w b a n df i l t e ra n dl o wp o w e rc o n s u m ep e r f o r m a n c e s ， w h i c hc a nb ei m p l e m e n t e du s i n gp o l a r i t yc o i n c i d e n c ec o r r e l a t o r i t sp r i n c i p l ea n d f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e d ，a n de v a l u a t e du s i n gs i m u l a t i o na n dt r i a l d a t ap r o c e s s i n g m u l t i - t a r g e td e t e c t i o na l w a y sg o e sa l o n g 谢t hm u l t i - t a r g e t p o s i t i o n i n g ，w h i c hm a y b eak e yt e c h n i q u ei nt h ef u t u r e t h ec h a r a c t e r i s t i ca b o u t p a r a l l e la d a p t i v en o t c hf i l t e rb a n ki ss t u d i e da n de x t r a c ts i n ew a v e sw i t hd i f f e r e n t f r e q u e n c ya tt h es a m et i m e i n s i g n a l d e t e c t i o n s y s t e m s ，c f a rp r o c e s s i n g i su s e dt op r o v i d et h e d e t e c t i o nt h r e s h o l da v o i d i n gt h ei n f l u e n c e so fn o i s ea n di n t e r f e r e n c ef l u c t u a t i o n ， a n dm a k et h ef a l s ep r o b a b i l i t yo ft a r g e td e t e c t i o nc o n s t a n t f i n a l l y ，f o u rk i n d so f 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 c f a rd e t e c t o r sa r ei n t r o d u c e da n ds t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h e c o n d i t i o no fg a u s sn o i s ea n dm u l t i - t a r g e te n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：s i g n a ld e t e c t i o n ；n o i s ec o r r e l a t i v i t y ；p o l a r i t y c o i n c i d e n c ec o r r e l a t o r ； a d a p t i v en o t c hf i l t e r ；c f a r 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口有关观点、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它个人或集 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) ：。 谜埝 日期：瑚年月f 7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 2 1 世纪是“海洋世纪”，是人类全面认识、开发利用和保护海洋的新世纪。 海洋研究开发不只是关系到一个国家的资源战略问题，而且与国家的安全息 息相关，这个安全涵盖一个国家的政治、经济权益。“实施大洋开发 ，是顺 应时代潮流的科学决策。海洋是人类社会可持续发展的宝贵财富和最后空间， 是能源、矿物、食物和淡水的战略资源基地。 我国海域辽阔，海岸线长达1 8 万公里，海域面积达3 0 0 万平方公里。 海洋资源丰富，约有3 6 0 亿吨石油资源量，而且大部分蕴藏在中深水海域； 另外还有大量的天然气水合物资源( 即最有希望在本世纪成为替代能源的“可 燃冰”) 。有关专家研究估计，我国南海海底有巨大“可燃冰”带，能源总量相 当于全国石油总量的一半u 一。 实施大洋开发战略，关键是技术。谁掌握了海洋高新技术，就等于拿到 了资源宝库的金钥匙，就能从海洋中获得更多的资源和更大的经济利益，就 拥有资源开发的优先权。目前，海洋高科技在海洋石油、天然气和其他矿产 开采、海水养殖、海水淡化、海洋交通运输、海水综合利用、海洋能利用、 海洋空间利用和海洋工程等领域迅速发展，已然成为不断发展和扩大的海洋 产业群和海洋经济支柱的推动力量。海洋高新技术的开发和运用，将使人类 2 1 世纪全面开发利用海洋的理想变成现实。 超短基线定位系统在海洋开发中有着广泛的应用。在海洋工程调查中， 特别是海洋油气开发、海底光缆管线铺设维护等工程需要清楚地了解海底的 地质、地形、地貌和管线的情况，以便为设计、施工、维护提供详实准确的 位置资料。例如在海底油气勘测中广泛应用的o b c ( o c e a nb o t t o mc a b l e ) 技 术，如图1 1 所示，需要对海底铺设的电缆定位，在电缆上每隔一段距离绑 定一个应答器，测量船走s 型轨迹并同时采集数据，一次航迹走完时即可得 到各个应答器的地理位置，从而解算出电缆在海底的铺设情况，这就是一个 典型的高精度多目标水声定位问题p 1 。 坠! ：篓：! 堡奎耋至圭茎堡竺圣 图i io b c 示意图 超短基线定位系统可以为海洋矿产资源调查和开发提供精确的大地定位 ”，如遥控机器人、无人潜器或自主潜器等进行海洋矿产资源探测和开发时， 需要获取勘测的精确位置资料。要达到这个目的，高精度的超短基线定位技 术至关重要。超短基线定位系统可以为海洋高新技术研究项目提供基础资料， 如海底光学探测设备、水下电视与照相、底拖网跟踪以及潜水艇与潜水员水 下作业等，结合差分g p s 技术，就可实现立体的水下高精度定位，从而可以 解决深拖以及要求准确位置信息的各种采样器、水下传感器和特殊水下工程 的高精度定位问题。 1 2 水声信号检测技术简介 水声信号检测处理是当前信号与信息处理领域最为活跃的方向之一，在 水下通信、遥测、遥控、水中兵器和海洋开发等军用民用领域中都有重要的 应用。声呐和声学定位系统对舰船目标的探测、定位和识别，对水中兵器的 远程遥控和遥测，以及水下航行器之间、水下航行器与水面舰艇之间的通信 联络和数据传输，都要在海洋环境噪声中检测到达的信号9 1 。 早期的水声处理系统主要是由放大、变频、滤波和检波等几个部分组成， 四十年代开始研究相关处理，五十年代出现了极性相关器的时间压缩技术， 六十年代开始出现谱分析、相关匹配滤波和多波束形成等技术。随着信号处 理算法和计算机技术的发展，数字信号处理承担了水声信号处理的全部任务。 图12 给出了与水声信号处理相关的技术”1 。 信号处理的根本任务是消除接收信号中的噪声和干扰而获得期望信号， 哈尔滨工程大学硕十学位论文 传统的改善信噪比的方法是噪声抑制法，它主要是利用信号相关而噪声不相 关的假设，采用时域平均或频域滤波( 卡尔曼滤波、维纳滤波) 来提高信噪比。 近年来，信息处理领域的研究十分活跃，不断涌现新的信号处理理论及技术， 如自适应滤波法、神经网络方法、子波变换方法、高阶谱分析方法、时频分 析法、混沌理论等在噪声抵消方面的应用。 图1 2 水声信号处理的相关技术 信号处理能够抑制干扰，增强检测信号的能力p 1 。不同的信号处理方法， 抑制干扰的效果不尽相同。在同等条件下，何种处理方法的抗干扰能力最强 是人们所关心的问题，这就是“最佳检测系统 问题。从理论上研究最佳检 测系统应包含两个步骤：一是选择衡量检测系统最佳化的准则；二是寻找在 这个准则下的最佳检测方式，即最佳函数形式，从而确定最佳检测系统的具 体结构。研究最佳检测系统的意义在于，通过对同一准则下的实际系统与最 哈尔滨工程大学硕士学何论文 佳系统质量指标的比较，可以评价实际系统的完善程度，以及探讨是否存在 进一步提高质量指标的潜力和途径。 检测问题可以分为三类：噪声背景中己知信号的检测，如同步数字通信； 噪声中具有未知参数信号的检测，如雷达或主动声纳的目标检测；噪声中随 机信号的检测，如被动声纳目标检测、地震检测系统等p 1 。 最大信噪比准则下，在噪声背景中检测确知信号的最佳线性检测系统称 为匹配滤波器，在白噪声干扰的情况下，输出端给出最大信噪比的匹配滤波 器的传递函数，应是输入信号频谱的复公轭。所谓最大信噪比准则，是指在 某一时刻，输出信号瞬时功率对噪声平均功率之比为最大p 1 。 在主动声纳工作时，回波信号的相位等参数是未知的，而只有回波信号 的形式是已知的，并与发射信号相同，这种情况被称为噪声中具有未知参数 信号的检测。这时，不能直接用匹配滤波器作为信号处理器，而需使用新的 形式正交接收机口们。 对于噪声中随机信号的检测，基于随机系统理论和统计造型的信号处理 方法一直是水声信号检测与分析的重要工具。在方法上，时域和频域一直是 人们研究的主要领域，平均技术、相关技术、过零检测、线谱分析等技术长 期被用于微弱信号的检测。近年来，混沌理论被引入到了水声信号的检测中。 虽然匹配滤波器及其等价的相关器是最大似然比准则和最大输出信噪比 准则下的最佳接收机，然而由于水声环境的复杂，信道随机性受气候、天气 等自然因素影响很大，界面多途和介质非均匀性引起的多途衰落和畸变非常 严重，另外，动目标检测时的多普勒频偏也因相对较低的声速使得匹配滤波 性能大为下降。于是，与信道相匹配的信号处理方法成为水声工作者研究的 重点。其中，自适应滤波技术因其能在缓慢时空变换的环境中自适应地调整 滤波参数以适应环境的变化，而备受大家的关注，并得到了许多成功的工程 应用实例。 在实际的声纳系统中，干扰背景往往是非平稳的，如主动声纳中，混响 干扰背景强度就是随距离( 时间) 衰减的。非平稳背景将给检测带来很大的困 难。当干扰背景的概率分布形式已知( 或是可估计的) ，仅有参数变化时，先 对参数进行估计然后进行处理可达到恒虚警的目的。 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 3 超短基线定位系统简介 长程超短基线定位系统u ( l r u s b l ) 是利用水声定位技术实现对水下4 千米海深的5 个目标，如a u v 、u u v 等进行定位、跟踪和数据传输。最佳 定位精度达到千分之五斜距，数据传输率大于每秒五十比特，误码率小于万 分之一，系统工作于应答器工作方式。和长基线水声定位系统及短基线水声 定位系统相比较，由于其基阵尺寸很小，所以安装比较方便，而且其设备成 本相对较低，使用十分灵活。 超短基线定位系统n 2 1 是靠测量信号到达接收基阵阵元之间的相位差和测 量目标到基阵中心的斜距来实现定位的。其定位原理几何图如图1 3 所示， 取“北东地”直角坐标系( x ，y ，z ) 。 a锣 z x 图1 3 定位原理几何图 设目标位于s 处，其坐标为( x ，y ，z ) 。二个正交的直线阵，分别置于x 轴 和y 轴上，阵的中心为坐标原点。 目标径矢为一o s ，它的方向余弦为； c o s 口：三 月 c o s 口：y r r = x 2 + y 2 + z 2 式中： 口 一径矢o s 与x 轴夹角 一径矢o s 与y 轴夹角 5 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 _ 3 ) 哈尔滨工程大学硕十学位论文 数。 r一目标斜距 s 为s 在x o y 平面上的投影，它与x 轴的夹角秒为目标水平方位角。乡为： 0 ：t g l 兰：t g c o s 3 ( 1 4 ) 石c o s ( z r = 两 z = 4 r 2 一r 2( 1 - 5 ) 式中： ，一一 目标水平斜距 z一目标深度 ( 1 1 ) ( 1 5 ) 式为定位计算的基本公式。可按上述诸式计算目标的位置参 基阵的尺寸很小， 式中： 兄 一 在平面波近似下，有： 2 z c d c o s 口 妒2 i 一 。2 ，r d c o sb 沙= j o 旯 波长 ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) d 一阵元间距 矽一x 轴相邻阵元接收信号相位差 沙 一y 轴相邻阵元接收信号相位差 把式( 1 6 ) 和( 1 7 ) 式代入( 1 1 ) 和( 1 2 ) 式，得n - x ：丝 ( 1 8 )x = oll 。6j 2 x d 1 ，：丝 ( 1 9 ) 1 ，= o il yj 。 2 蒯 其中，r = c a t 2 ，c 为水中声速，& 为从发送信号到接收到信号的时间差。 因此，实际的测量值为矽、缈、c 和出。这些量给定后，目标相对接收 阵的位置及目标相对船艏向的方位秒( 水平方位角) 及斜距r 就唯一确定了。 超短基线定位系统通过测量信号到达时刻和相邻基元间相位来确定目标 的距离和方位，因此，性能优良的信号检测器是高精度定位的前提保证。 1 4 本文的主要研究内容 根据超短基线定位系统高精度定位对信号检测的需要，论文主要针对超 6 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 短基线接收基阵的噪声干扰、应答器及接收基阵的信号检测等问题进行了相 关研究。 本文的主要内容安排如下： 第一章、对论文工作的研究背景进行了简述，阐述了超短基线定位系统 的应用前景，介绍了水声信号的检测方法，从而指明了本文的研究动机和出 发点。 第二章、从海洋环境噪声的时空特性出发，主要对噪声的空间相关特性 进行阐述。结合超短基线基阵阵形与其接收噪声，进行针对超短基线定位系 统的噪声空间相关特性分析，讨论阵元间距与其接收噪声相关性的关系。利 用试验数据对分析结果进行验证。 第三章、首先，针对超短基线定位系统应答器功耗低、性能稳定的要求， 研究极性重合相关器在信号接收和检测中的应用问题，通过对其原理、频率 特性及输入信号相位等问题的研究，进行性能分析。然后，在多目标定位的 问题上，对并联自适应n o t c h 滤波器组进行研究，通过对自适应n o t c h 滤波 器的并联，达到多个单频脉冲信号分别提取的目的。 第四章、研究信号检测中的恒虚警处理技术，在高斯噪声背景下，对均 值类c f a r 检测器和有序统计量类c f a r 检测器进行性能分析及对比。 最后在结论部分对本文进行总结。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章噪声空间相关特性研究 2 1 概述 对于超短基线定位系统，通常可能接收到下述信号或干扰：( 1 ) 超短基线 定位系统应答器信号；( 2 ) 海洋环境噪声；( 3 ) 舰船自噪声；( 4 ) 其它舰船的辐射 噪声。其中，( 1 ) 是要检测的信号，其余三项则构成了掩盖信号的背景干扰， 统称为噪声。它们干扰系统的正常工作，限制装备性能的发挥。 海洋环境噪声是水声信道中的一种背景干扰场。无论是对被动声纳还是 主动声纳，海洋环境噪声都是其不可避免的干扰。其中，作用于接收基阵的 噪声场的强度与结构是影响水声系统性能的主要因素之一，因此，对噪声的 特性与噪声场结构的认识，结合接收装置的设计与布设以及信号处理方法的 选择，将会极大改善水声系统的性能。为了提高系统的性能，在背景噪声中 区分出有用的信号，需要充分利用二者在时间和空间上的差异，掌握这些过 程的时空统计规律。 噪声场时空相关函数的研究方法有实验和理论两种。实验方法是指现场 的测量和分析。从目前已积累的大量实测数据可知，噪声场性质具有很大的 变异性。海洋自然噪声随海区、季节、海况等因素变化；舰船辐射噪声随航 速、深度、推进方式等因素变化。而且在近似相同的实验条件下，数据的离 散性也相当大。从大量数据可以总结出一些普遍规律，但实验数据本身总是 不适于进行一般理论分析的。为了发展理论，还必须参照实验数据和噪声场 的物理机理，建立合适的数学模型3 1 。 2 2 海洋环境噪声的基本特性 2 2 1 海洋环境噪声场的时空特性 海洋噪声是一种随机过程，总的来说是非平稳过程。研究和描述普遍形 式的非平稳过程是非常复杂的任务，而且并非总是可以解决的。研究像海洋 噪声这类非平稳过程时，通常是在一定时间内，在一定的近似下，把所研究 的过程看作是平稳的。然后根据准平稳分段对过程进行研究，找出与非平稳 性质的物理联系，便能够描述所研究的对象。同时，把噪声过程看作是各态 8 哈尔滨t 程大学硕七学何论文 t 历经的，这样，在求解噪声的各阶统计量时，可用时问平均代替系统平均。 在海洋声信道中，噪声场在任意空间位置( x ，y ，z ) 和时间f 处的取值是一 随机变量，记为n ( x ，y ，z ，f ) = n ( p ，f ) 。这些过程在尽可能多的时空样本点上所 得随机变量的多维概率密度函数，能够完整地描述时空统计规律。因为这些 过程是大量独立噪声源作用的叠加结果，根据中心极限定理，有理由认为它 们是服从高斯分布的。此外，这些过程还是零均值的。 对于零均值高斯过程，只要知道其二阶矩函数，就能写出任何维数的概 率密度函数，在既存在时间参数，又存在空间参数n ( x ，y ，z ，f ) = n ( p ，r ) 的情 况下，感兴趣的二阶矩函数是时空相关函数，定义为过程在任意两个空间点 阢和仇以及任意两个时刻砰口r f 上所得两随机变量的相关函数。 假设过程在时间上具有广义平稳性质，即相关函数只与时间差f 有关， 而与f 无关。因而，噪声的时空相关函数可表为 也( f ) = e 刀( 易，t ) n 卡( p k ，f f ) 】 ( 2 。1 ) 这里过程允许是复的钔。 作为特例，当i = k 时，冠， ) 称为噪声场的时间相关函数。当f = 0 时， r 陆( o ) 称为噪声场的空间相关函数。通常根据函数的第一个过零点来决定空 间相关半径。 2 2 2 噪声的空间相关性 噪声的空间相关性是反映噪声特性的重要统计量，它对声纳站接收基阵 的设计具有重要的意义。为了提高基阵输出端的信噪比，降低接收到的自然 噪声，我们应考虑基阵阵元之间的噪声空间相关性，使之尽量的小。 噪声的空间相关是海中相隔开的水听器接收到的噪声的乘积对时间的平 均。两个相距为d 的各向同性单频噪声的相关系数u 卅为 p ( d ) = s i n k d k d ( 2 2 ) 式中的k = 2 万2 ，是波数。 图2 1 为各向同性单频噪声的相关系数。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o 5 3o q - 0 。5 v 。- s mttd ：o w ，一 -d ：x 图2 1 各向同性单频噪声的相关系数 c r o n 和s h e r m a n 对指向性为c o s ”秒的噪声场相关系数进行了研究，m = 2 时的结果示于图2 2 中。从图2 2 可以看出：水平方向和垂直方向上的相关系 数理论曲线和各向同性的单频噪声场具有相同的形状。海面粗糙度形成的噪 声场具有近于c o s 2p 的指向特性。 f k 0 钆 _ l 一- - - 丫y - 0 = 9 0 。 丛 一y o 王轴 心、雾 s e z 气 。 上 ；v r l 猡i 九 图2 2 辐射特性为c o s 2 乡的面声源的空间相关曲线 2 2 3 海洋环境噪声的谱特性 不同成因的海洋环境噪声，其谱特征也可能不同。目前最具代表性的深 海噪声场谱级曲线是w e n z 所总结的谱级曲线，如图2 3 。在一般情况下，它 能够比较细致地描写出环境噪声的普遍规律性n q 。 1 0 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 图2 - 3w e n z 谱级图 图2 4 是可能观测到的深海环境噪声谱的一个例子。谱由不同斜率的五 部分组成，反应了噪声源的多样性： i 频带：1 h z 以下，至今还很不了解这段谱。估计噪声来源于海水静压 力效应( 潮汐或是波浪) ，或是地球内部的地震扰动。 频带：谱斜率为一8 到10 d b 倍频程，在深海中它与风速仅有很微弱的 关系，最可能的噪声源是海洋湍流。 频带：自然噪声谱变平，远处行船是主要噪声源。 频带：具有5 至一6 d b 倍频程，噪声源是离测量点不远的粗糙海面。 v 频带：海水介质分子热运动噪声，谱具有为6 d b 倍频程的正斜率。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 薰 饕 蒸 罨 器 墓 整 羧率( 赫) 图2 4 深海环境噪声谱举例 2 3 超短基线基阵与其接收噪声空间相关性分析 2 3 1 超短基线基阵介绍 超短基线定位系统测向是通过测量信号到达接收基阵基元之间的相位差 来实现的刀。一般来说，需要三个接收基元构成平面接收阵，才能够对目标 进行定位，如图2 5 所示。以x 轴为例，目标入射角度为0 时，相邻基元相位 差为 ：2 n d - s i n0(2-3) 口= l 测向误差可以写作 毋： 垒丝 2 x d c o s 0 ( 2 4 ) ， jl () 厂 、八? j 7 ，。zz i k u t 1k 图2 5 传统超短基线接收基阵 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 可以看出，在给定工作频率( 波长) 时，阵元间距越大，测向精度越高。 但是，在相位解算时直接测得的相位差的范围为一刀刀，为避免相位模糊， 要求式( 2 3 ) 中的满足 例万 ( 2 - 5 ) 也就是说： 2 n d 万 t ( 2 6 ) 上式等价于：d 1 2 。即此时的最高测向精度也受到限制： 臼丝 ( 2 7 ) 万 这是常规超短基线基阵面临的技术困难，即由相位测量模糊原因导致系 统的定位精度受到限制。 了jl () 8 () 7 i 。 l 。l 叫1 卜7 i x 厂、 。 vv o 了了7 1 2 () 6 () 5 图2 6 改进后超短基线基阵示意图 为解决上述问题，超短基线定位系统采用的阵形如图2 6 所示，二个十 字正交的直线阵，每轴上有四个阵元，两两一对，间距为d ( 本超短基线定位 系统中，间距d = 4 c mo 同轴上阵元最大距离为l = 8 d 。其基本工作原理是： 由同轴上最大间距的两个基元确定系统测向精度，但存在测向模糊；由同轴 最小间距的两个基元确定大间距基元的模糊区间，从而克服和补偿模糊带来 的影响。 2 3 2 超短基线基阵接收噪声空间相关性分析 由2 3 1 节对超短基线基阵的介绍可计算出各阵元间距( 按由小到大顺序 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 扫 列) 分别为： d 1 22 d 3 4 = d 5 6 = d 7 8 = 4 c m d 2 6 = d 2 7 - - - - 9 3 6 = d 3 7 - - 1 2 4 2 1 6 9 7 c m d 1 52 d 1 82 d 4 52 d 4 8 。16 4 2 2 2 6 3 c m ( 2 8 ) 9 2 3 = d 6 7 = 2 4 c m d 1 32 d 2 4 = d 5 7 = d 6 8 = 2 8 c m d 1 4 = d 5 8 = 3 2 c m 其中d 。表示i 号阵元与j 号阵元的距离。 基阵接收频段1 2 k h z 一1 5 k h z ，带宽3 k h z ，设声速c = 1 5 0 0 m s ，则由公 式 五= ( 2 9 ) 3 可得，接收频段噪声波长旯的范围为l o c m 一1 2 5 c m ，则半波长州2 为 5 c m 6 2 5 c m 。 可以看出，基阵各阵元间距中，只有d 。：( 1 、2 阵元间距) 等小阵元间距小 于半波长，而其他阵元间距均大于a 2 。 所以，由2 2 2 节噪声的空间相关特性可知，在一般情况下，1 、2 等小 间距阵元间接收的噪声相关性应较强，而其它较大阵元间接收的噪声相关性 应较弱。 下面将通过对试验数据的处理和分析验证此推论是否正确。 2 4 试验数据处理及分析 2 ，4 1 噪声场时空相关系数的计算 本文主要希望对超短基线基阵接收噪声的相关性进行研究，以便估价基 阵性能并对未来的信号检测有所帮助，所以主要研究两阵元间噪声的相关性 ( 相关系数) 。 对于两个连续随机变量x 和y ，相关系数8 1 为 岛= 篙一= 去 p ，)= - - - - - - - - ：- - - - = - - 二- 一 ，) 一1fn 广夥 e 【( x 一) 2 e 【( y 一聊，) 2 1 7 2叹仃， 毕_ 1 w 1 4 哈尔滨工程丈学硕士学位| 仑文 式中m 。和m 各为z 和y 的均值，盯，和盯、各为爿和y 的标准筹。 计算噪声时间相关系数时，取基阵单阵元不同h j 刻接收到的噪卢，得到 单阵元处噪声的时间相关性，柑关系数为 腓栌赢鬻畿型杀2 盟警p ， 计算噪声空间相关系数时，取基阵两阵元棚= j 时刻接收到的噪声，得到 两阵元删噪声的空间相关性，相关系数同式( 2 1 0 ) 。 2 4 2 试验数据分析 分析所采用的噪声数据为“长程超短基线定位系统”在南海某处进行深海 试验时采集器所记录的数据。进行试验时，试验船处于漂泊状态。噪声为接 收基阵接收频带内的带限噪声，频带为1 2 k i l z 1 5 k h z 。 计算噪声相关性的试验数据如图27 所示，计算噪声的空间相关性时， 用滑动窗取两阵元接收到信弓的同一时间段的噪声，利用公式( 2 一l o ) 计算其相 关系数，然后令滑动擒向后移动，计算r 一段噪声的相关系数。 ( a ) 数据的时域波形( b ) 噪声的频谱 图27 计算噪声相关性的试验数据 噪声的时间相关性计算与空问相关性类似，取单阵元所获得的数据，圊 定一段噪声，利_ 【； j 滑动窗向后移动，经过时延f ，取得相同阵，l 另时间段 的噪卢，可求得这两段噪声的相关系数。 图2 8 给出了单次试验数据噪声相关性的计算结果。可以看u ，对于噪 声的空间相关性，小间距阵元诎f 11 、2 肼玩) 噪声相戈系数较大，说明相关性 ! 窒尘鎏三垒奎耋至圭兰堡兰兰 较强；大问距阵元( 如1 、4 阵元) 噪声相关系数较小，说明噪声相关性较弱。 图2 8 单次采集噪声空间相关性计算结果 ( a 1 同一阵元噪声的时间相关特性( b ) 1 、2 阵，i 噪声的时空相关特性 图2 9 单次采集噪声时间相关性计算结果 由图29 ( a ) 可以看出，对于同一阵元噪声的时间相关性，时延较小时， 噪声相关性强，当时延逐渐增大时，噪声的相关系数逐渐减小，相关性变弱。 其中，当时延f = 0 时，噪声与其自身求相关，相关系数为i ，当时延f 超过 o3 m s 时，相关系数小于0 2 ，并且时延增加，相关系数变化不大。图29 ( b ) 为不同阵元间噪声的时空相关特性，时延为0 时，相关系数既为不同阵元问 噪声的空间相关系数。 下面对噪声的空间相关性进行统计分析。仍然采用深海试验时采集器所 哈尔滨工程大学硕士学位论文 记录的数据，在计算相关系数前，带限噪声进行了去直流及幅度归一化等处 理。从该次试验的每个数据中截取相同位置的噪声，计算各阵元同一时间段 的噪声相关性，进行统计。 图2 1 0 ( a ) 基阵x 轴各阵元噪声相关系数 图2 1 0 ( b ) 基阵y 轴各阵元噪声相关系数 图2 1 0 给出的是超短基线基阵同轴阵元间的噪声相关性，其中，小间距阵元 ( 1 2 、3 4 、5 6 、7 8 ) 1 n 的噪声相关系数约在04 06 之间，其它间距阵元间的 噪声相关系数约在一02 o2 之间。可见小间距阵元间噪声相关性较强；而其 它间距阵元间噪声相关性较弱，且它们问的变化不大。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由上面的研究、分析可以看出阵元间噪声的相关性与阵元间距有一定关 系。为进一步研究噪声相关性与阵元间距的关系，下面统计不同间距阵元问 的噪声相关系数。 图21 1 不同间距阵元间相关系数 由图21 1 可以看出，小间距阵元1 、2 间噪声相关系数较大，明显大于 其它阵元间噪声相关系数。其它间距阵元间噪声相关系数较小，且大致相同， 变化不大。 表21 为该次试验中各阵元噪声的相关系数的均值。同样可以明显看出， 小间距阵元间噪声的相关系数均值基本大于0 5 ，相关系数较大，相关性较强； 而对于其他阵元，噪声的相关系数均值基本都小于0 2 ，可以认为这时的噪声 是不相关的。 表21 各阵元白j 噪声的相关系数均值1 2 = 05 2 9 44 = 05 6 9 0r s 6 = o 5 5 4 3r 7 8 = o 4 7 6 9 = 0 1 5 9 2巧7 = 0 1 2 2 9= 02 1 0 1= 0 1 7 7 2 。= 00 9 0 7 18 = 0 1 3 2 2r 4 5 = 0 1 7 4 0r 4 8 = 01 1 9 5 一 r 2 3 = 0 1 4 7 1，= 0 1 4 9 94 = 0 1 1 9 8= 0 1 4 3 9 噪声具有很大的变异性，为避免一次试验的片面性，又对另外两次试验 的噪声数据进行分析以验证上面的结论。试验数据处理及分析中所用方法 与上面相同，在这里不再赘述。所得超短基线基阵各阵元噪声的相关性与之 前的结论大同小异，说明在- 般情况下，之前的分析结论具有一般性。下面 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 给出这两次试验数据各阵元间噪声的相关系数均值。 表2 。2 各阵元间噪声的相关系数均值2 2 = 0 4 5 5 0r 3 d = o 5 5 0 5r 5 6 = 0 5 5 3 3 r 7 8 = 0 4 9 6 7 r 2 6 = 0 1 0 6 8r 2 ，= 0 1 1 5 6吩6 = o 1 4 8 7r 3 = 0 1 4 0 4 5 = 0 0 4 4 28 = o 0 8 4 0r 4 5 = o 1 2 3 2r 4 8 = 0 0 7 3 3 r 2 3 = 0 1 1 4 0r 6 ，= 0 0 7 9 44 = o 0 7 2 5r 5 8 = o 0 9 9 0 表2 3 各阵元间噪声的相关系数均值3 巧2 = 0 4 3 7 2r 3 d = 0 5 2 8 7r 5 6 = 0 4 9 2 4 r 7 8 = 0 3 9 0 6 仫= o 0 8 5 0吃7 = 0 0 9 9 7r 3 6 = 0 1 4 3 6r 3 。= 0 0 9 0 5 ，i 5 = 0 1 1 6 1，i 8 = 0 1 1 7 6r 4 5 = 0 1 6 3 1r 4 8 = o 1 4 2 7 r 2 3 = 0 1 4 6 9吃7 = 0 1 2 5 7，i 4 = o 1 1 6 9r 5 8 = 0 1 2 2 7 2 5 本章小结 本章主要从噪声场的时空统计特性着手，学习研究了典型海洋自然噪声 场的时空相关函数和典型噪声场时空相关系数的计算。为了从背景噪声中检 测出有用的信号，降低接收到的自然噪声，主要考虑的是基阵阵元之间的噪 声空间相关性。 结合超短基线定位系统基阵阵型与其接收频段，进行了针对各阵元间噪 声时空相关特性的分析研究，通过阵元间距与接收频段噪声半波长的比较， 可以发现，有四对小阵元的阵元间距小于接收频段噪声的半波长，一般情况 下，其噪声的空间相关性应较强。而其它阵元间距均大于噪声的半波长，其 噪声的空间相关性应较弱。 最后，利用多次试验数据对阵元间噪声的相关性进行了分析，得到的结 果与理论分析相符。一般情况下，对于小间距阵元( 阵元间距小于噪声的1 2 波长) ，其噪声的空间相关性较强，并且四对小阵元的噪声相关系数大致相等； 对于其它间距的阵元，其噪声的空间相关性较弱，它们的相关系数也大致相 等，但均小于小间距阵元的相关系数，可以近似认为在空间上互不相关。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章超短基线定位系统信号检测方法 超短基线定位系统工作于应答方式，可以同时对5 个装有应答器的目标 进行定位。水下应答器接收母船的问询信号后，发出应答信号，定位系统对 应答信号进行处理，以确定目标的距离和方位。通过对5 个应答频率的检测 可以完成多目标定位。所以在超短基线定位系统中，信号检测主要包括应答 器对母船问询信号的检测和定位系统接收基阵对应答信号的检测两部分。 降低系统功耗、增加系统可靠性是水声应答器系统设计中需要重点考虑 的问题。应答器采用电池供电，能源有限，需要尽量降低系统的功耗。同时， 由于信号的传输衰减，通常被淹没在噪声中，要求接收电路应该具有良好的 抗噪声性能，使得整个系统运行稳定可靠。 在未来超短基线定位系统的应用中，多目标定位是一个很重要的问题。 通常在多目标定位中，由于频率资源有限，通道内的频率间隔很小，多个频 率的单频脉冲信号间存在着干扰。需要对多个单频信号分别提取，进行多目 标定位。 针对上述问题，本章对极性重合相关器和并联自适应n o t c h 滤波器组进 行了研究。 3 1 极性重合相关器 3 1 1 极性重合相关器原理 3 1 1 1 相关检测 相关处理是目前包括雷达、声呐在内广泛应用的信号处理方法。它的基 本原理是利用信号与干扰的统计特性( 相关特性) 差异来提高接收系统输出信 噪比。若有两个过程z ( f ) 、 ( r ) 均为平稳过程，则相关运算为 1 r l ，22 ；觋寿j 五( f ) 以( t ) d t ( 3 - 1 ) 一上 一r 若石( f ) = x ，( f ) ， ( f ) = z ：( f ) ，表示空间上两点同一时刻的样本值，则上 式的相关为空间相关。若z ( f ) = x 。( f ) ，厶( 于) = x 。( ，一, g - ) ，由于两个信号 2 0 哈尔滨下程大学硕七学位论文 均取自x 。( f ) ，则上式称为时间自相关，记为r 1 。0 ) 。 当信号带宽较宽，动态范围较大时，无论模拟乘法还是数字乘法均不易 实现。采用限幅后求相关的方法可解决这一困难。由于限幅后的信号只有+ 1 、 1 两个极性，故这种相关器称为极性相关器或极性重合相关器。两种相关器 的原理框图如图3 1 所示。 五( f ) 恐 而( r ) x 2 ( t ( a ) 相关器( b ) 极性重合相关器 图3 1 相关器和极性重合相关器 其中限幅部分表示极性处理，它的性能是 ， i 1 z ( f ) 芝0 y ( f ) = ( 3 2 ) i 一1x ( f ) ( 一& ，s 足) ，当i n 】= - r n 】时，y 【n 】的累积和最小，v o 有 最小值- n 。 图3 2 ( b ) 为相关器的连续时间系统描述，形式与图3 2 ( a ) 相似，在【o ，t 】 区间上，令v o ( o ) = o ，根据积分的性质，有： r 口 i y ( t ) d t = l i r a a t 吩= l i m a t ( s ，& ) 。 ( 3 8 ) 0 a t - - - 0 口- - 9 0 0j =l，_o 其中口= t a t 这样，v o 就可以用两个输入序列的内积表示： 1t1 胁砉弘d t = 吉堪酽( s m ( 3 - 9 ) f 为积分器的时间常数。 显然，可以得出与前面相似的结论，当输入信号与参考信号相同时，即 当i ( t ) = r ( t ) 时，v b 有最大值。 可见，极性重合相关器有捕捉信号的能力，反映在电路中，表现为：在 一个时间段内，输入信号与参考信号的相似性越强，则输出电压越大，当输 入端接收到与参考信号同频同相的信号时，电路输出端的电压出现最大值。 3 1 2 极性重合相关器频率特性分析 3 1 2 1 极性重合相关器频率特性 下面以理想的极性重合相关器为例，来考察极性重合相关器对频率的选 择性能1 。它的参考信号r ( t ) 为方波信号，频率为1 2 5 砒。设输入信号i ( 0 也是一个方波信号，且它与r ( t ) 的初相位为0 ，如果输入信号i ( t ) 的频率在 l o k h z 1 5 k h z 上变化，v o 的变化如何呢? 用m a t l a b 分析得到v 0 的频率响 应，其结果如图3 3 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从图3 3 可以看出：当输入信号i ( t ) 的频率为1 2 5 k h z 时，v o 出现最大值， 且