（水声工程专业论文）双多基地主动声纳目标特性研究.pdf

两北工业大学硕士学位论文 b 吼r a 吐 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es e p a r a b l er e s o u r c ea n dr e c e i v e r ，m u l t i s t a t i cs o n a r h a v em a n ys p e c i a lc h a r a c t e ri nu n d e r w a t e rt a r g e td e t e c ta n dl 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 ho f m u l t is t a r i cs o n a rh a sb e e nt a k e na s a n i m p o r t a n tt h i n g i nt h i sp a p e r ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho na c o u s t i cs c a t t e r i n gp r o p e r t i e so fs o m es u b m a r i n em o d e la r e m a d ei naw a t e rt a n k i nt h em e a n w h i l e ，t h eb i s t a t i cs o n a rl o c a l i z a t i o n h a sb e e nt h o r o u g h l ys t u d i e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s i m p l y i n t r o d u c et h eb i s t a t i cs o n a r s y s t e m ，g i v e nt h e b a s i c c o n c e p t i o no ft h es o n a re q u a t i o n so fb i s t a t i cs o n a ra n dt h ee f f e c t so f t h ep a r a m e t r i co ni t i nt h em e a n w h i l e ，g i v e nt h eb a s i ct h e o r yo fl o c a ti o n m e t h o d c i t e dt h el o c a l i z a t i o ne r r o ri nb i s t a t i cs o n a r ( 2 ) i no r d e rt od om o r es t u d yi ns o n a rl o c a li z a t i o n 、d e t e c t i o n 、 e s t i m a t i o n ，i ti s n e c e s s a r y t o s t u d y t h e s p e c i a l a n d t e m p o r a l d is t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h er e v e r b e r a t i o n ，t h a ti st h e t a r g e t s t r e n g t hi nt h en e g a t i o nn o ti n c i d e n c ed i r e c t i o n i nt h et h i r dc h a p t e r ， t h es c a t t e r i n gc h a r a c t e rp r i a c i p l eo fb i s t a t i es o n a ri sg i y e n w i t ht h i s p r i n c i p l e ，t h es c a t t e r i n gc h a r a c t e rw a v e f u n c t i o no ft h em o d e lo f s u b m a r i n eh a sb e e ns o l v e d ，t h er e l a t i o n a lc u r v eo ft h et a r g e ts t r e n g t h m u t a t i o n a lw i t hd i v i d a b l ea n g l eh a sb e e np r o p o s e d ( 3 ) b a s e do nt h e o r i e sr e s e a r c h ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i v eo ft a r g e t s t r e n g t hh a sb e e nc o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n t a l i naw a t e rt a n ko ft h e s c a t t e r i n gc h a r a c t e r o fu n d e r w a t e r t a r g e t h a sb e e n c o m p l e t e d t h e r e l a t i o ni sg i v e nb yt h et a r g e ts t r e n g t ha n dw a v e f o r mm u t a t i o n a lw i t h d i v i d u a l a n g l ea n di n c i d e n ta n g l e t h ee x p e r i m e n to nt h ei n t e l l i g e n t u n d e r w a t e rs a i li naw a t e rt a n ki st e s t e d ，t h ev a l u a b l el a w s o f m u l t i s t a t i ot a r g e td i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ca r eo b t a i n e d t h er e s u l t p r o v i d e st h ef o u n d a t i o no fn e ws y s t e mi nm u l t i s t a t i cs o n a rw i t hs c i e n t i f ic 西北工业大学硕卜学位论文a b s t r a c t t e li a r c e k e yw o r d s ：m u l t i s t a t i cs o n a rb i s t a t i cs o n a rl o c a l i z a t i o nm e t h o d s s o u n ds c a t t e r i n g t a r g e ts t r e n g t h 西北工业大学颤士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 1 1 1 研究目的 航空反潜将在现代和未来反潜战中担当主力军航空声纳是航空反潜的主要 探测、定位、识别敌方潜艇的设备。随着声纳新的体制的兴起，双多基地航空 声纳的研究也应运而生。 随着潜艇技术的革新、声隐身技术和水声技术的进步，声纳在应用效能上面 临曰益严重的挑战，包括：( 1 ) 如何有效的探测安静型潜艇和低目标强度潜艇； ( 2 ) 如何大幅度提高探测距离；( 3 ) 如何提高声纳自身的隐蔽性。要应付这些 挑战，仅靠对传统声纳进行改进是不够的，必须研究新型的声纳系统，实行多基 地探测定位，正越来越受到各国研究者的重视，被认为是极有前途的声纳工作新 体制。 水下设备是水下探测、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，人们新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 。全方位，可利用各个方 向反射的能量探测目标，所以，多基迤声纳是未来对付安静墅声纳的有效手段之 西北工业大学颈1 学位论文 第一章绪论 本论文的研究工作正是基于这种背景，结合海军总装备部“十五”预研项目 “双多基地航空声纳特性研究”而进行的。研究的主要目的是：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应用中可能存在的关键技术 进行探讨，为多基地声纳系统用于水下目标定位、检测和识别提供理论依据。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。计划相关内容如下： ( 1 ) 完成双基地定位原理湖上实验，抗混响实验，目标强度的理论和实验研究。 ( 2 ) 主要对关键技术，双基地综合信息处理与数据融合技术研究，双基地情况 下的目标特性分析与水池试验，双基地实验室仿真系统等进行研究。重点探讨双 基地应用条件下的发射端和接收端的同步工作问题，由于水中传播的延时特性， 研究工作主要基于无线传播定时方法，同时分析定时误差对双基地定位精度的影 响问题。 ( 3 ) 双基地综合信息处理与融合技术研究，主要针对双基地声纳的水下接收和 空中无线定时条件下的数据融合方式和综合显示系统。 ( 4 ) 完成双基地情况下的目标特性分析与水池试验。 ( 5 ) 开展双基地声纳实验室仿真展示系统的研究，该项研究的目的是展示双基 地工作的基本原理、使用方法和主要性能局限。 ( 6 ) 双基地适应场合的研究。 1 1 2 国内外发展状况 事实上，对多基地声纳的研究6 0 年代就已开始。7 0 年代初，美国雷声公司 在北大西洋和地中海用s q s - - 2 6 简壳声纳和一些遥控浮标进行了原理性试验，结 果表明：多基地声纳的目标发现概率远高于单基地声纳，效率是具有同样检测性 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。进入8 0 年 代，由于传统声纳系统面临的水声对抗挑战不断增强，同时受到双基地雷达研究 的鼓舞，又恢复了对双( 多) 基地对于双基地声纳的研究。另外，通信技术和信 息处理技术的巨大发展也使得以前遇到的许多技术难关有望解决。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一多基地声纳的研究报告和理论文章。这些文献卜6 1 主 两北工业大学硕。l - 学位论立 第一章绪论 要包括以下三部分内容：( i ) 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。 1 9 8 0 年，v a r a d a n 等人”1 运用t 矩阵的方法，研究了球、椭球、有限柱等 简单形状目标，双基地散射目标强度随频率的变化关系，该研究工作，为运用声 散射的理论来研究双基地声纳目标的散射特性做了基础性的开创工作。但是，由 于双基地声纳配置时，目标回波主要来自声波的非入射方向，要研究其目标强度 的特性，就必须深入研究在声波斜入射时目标的散射特性，有关双基地目标强度 的研究还处于基础性的研究阶段。 1 9 8 2 年，h a r v e y 9 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，主要就取基地混晌和目标强度的变化舰律进行了分析和研究。 1 9 8 5 年，美国海军海洋成像和空气研究实验室柳提出了双基地散射强度模 型，用来研究双基地海底散射特性，而且，利用该模型，还可以研究海洋表面的 前向散射特性。 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埘的研究报 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m 1 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地叙述。该论文的工作为多基地声纳研究提供了理 论基础。 进入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 1 - 3 8 】。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 西北工业大学烦上学位论文第一章绪论 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i e e e 国际会议论文中。 1 9 9 1 年，美国宾夕法尼亚大学应用研究实验室进行了有关双基地海洋表面 混响模拟的研究”，提出了几种理论模型，给出了计算高频双基地海洋表面混 响的算法。 1 9 9 2 年，美国海军进行了以航空吊放声纳m 1 为主要设备的浅海多基地声纳 试验，首次将航空声纳应用于多基地声纳系统，该试验为多基地声纳系统配置提 供了借鉴。 1 9 9 3 年，美国华盛顿大学给出双基地海底混响的理论模型和实验研究 1 4 1 5 】。 并通过海上试验进行了双基地海底混响的实舰测量。同年，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 上试验”。“。对于海上试验系统，进行了大量多基地声纳相关硬件的研究工作。 该试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。具体海上试验的情况，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“7 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 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。 同年，美国的a d 报告还给出了关于双基地声纳直达波抑制问题 2 0 i 的研究报 告。指出通过声纳波形的设计，采用光学中的编码技术对发射波形进行设计，可 以有效地减少直达波对于目标回波的影响。该研究为采用通讯的方法来解决双基 地声纳中所存在的直达波抑制问题，提供了可行的方法。 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 地声纳的研究计划瞰1 。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，该研究主要是发震用于实验的研究设备，这些设备后来被用 西北工业大学硕l 学位论义 第一章绪论 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 2 6 。3 3 , 3 4 1 ，意大利s a c l a n t ( s u p r e m ea i l i e dc 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 rs u r v e i l l a n c es y s t e m s ) 进行了大量多基地声纳的实验和理论工作。 浚研究开始于1 9 9 5 年，主要的研究内容包括：进行多基地声纳可行性理论、多 基地声纳概念的建立和系统参数的设计，如建立环境模型、设置工作频率、发射 声源级、电池的耐久性、空间加权、阵尺寸、目标强度、阵列增益等参数。这些 研究为d u s s 系统的评价、系统概念的形成及可行性论证奠定了基础，并形成用 于海上实验的第一个多基地声纳检测系统的特征。在1 9 9 5 1 9 9 7 年的四次海上实 验中，通过实际的工程测试，获得了大量的、十分宝贵的实验数据。最后，通过 理论设计与实验研究结果的比较，对理论模型和性能参数作了进一步地完善。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 rv 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i e e e 关于信号处理及应用的国际会议中，澳大利亚【”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 r i c b a r r a s y s t e m ) ，并对该系统的性能进行了简单的介绍。 2 0 0 1 年，i e e e 海洋工程杂志发表了关于高频浅海和双基地海底散射”叫0 1 的 海上试验测量，报道了韩国国防发展机构的水下声学研究中心在韩国东海岸进行 的双基地海上实验测量结果。2 0 0 2 年u d t ( u n d e r s e ad e f e n c et 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”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，i e e e 海洋工程杂志”2 1 了关于声纳浮标位置误差对航空声纳装备 两北工业大学倾士学位论文 第一章绪论 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。美国华盛顿大学应用物理实验室，给出了高频弹性海底的双基地散 射模型 4 3 - 4 4 1 ，并对目标强度随目标姿态角和分置角的变化关系进行了研究。关 于双基地声纳在民用方面的研究，文献报道较多的，主要是声散射方面的研究。 1 9 9 5 年，h a r r y a s e h e a c k 等采用“混合”的方法 4 5 1 有限的单基地数据和少 量的双基地数据，进行有关双基地声纳，三维空间声散射目标强度的最小二乘估 计。这种方法，可以在现有的实验条件下，通过简单的测量，来获得多基地声纳 的实验数据。但这种预测对于简单形状的目标比较适用，对于较复杂的目标，预 测的难度较大。 1 2 双基地声纳工作体制特点分析 1 2 1 声纳的三种工作方式 水下监视系统h 6 “”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h ”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 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。测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提高。 1 2 2 收发分置声纳的系统配置 典型收发分置主动声纳 n 6 l 系统配置如图1 1 所示。图中：t 代表声源，r 两北工业大学颤上学位论义 第一章绪论 代表接收机。 | | 7 r v r 、 t b 双基地 。 r + 一1 k 7 t 7 f 纠沁 d 目日散射 图1 l 收发分置声纳的系统配置 图1 1 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 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，这种配置已经相当普遍的应用于国外一 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 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串，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 2 3 多基地声纳的结构特点 多基地声纳与单基地声纳相比，其结构更加复杂。因而，多基地声纳具有一 些不同于单基地声纳的特点。从自然特征上来看，多基地声纳主要具有以下几个 特点： ( 1 ) 接收机在各个不同的方位接收目标回波，回波来自目标散射的不同方向， 在多数情况下，目标回波来自声波的非入射方向。 ( 2 ) 由于收发分置的工作方式，使测量数据的自由度和数据的冗余增加，对于 系统的信息处理能力有了更高的要求。 ( 3 ) 多个接收机共用一个或多个发射源，使系统的组成结构更加复杂。 1 2 4 双基地声纳的技术特点 双、多基地声纳除了在自然特性上不同于单基地声纳，在战术和技术方面， 双、多基地声纳还具有以下几个特征： ( 1 ) 隐蔽性 声纳的隐蔽性指声纳工作时，被敌方发现的可能性的大小。因敌方侦察声纳 一般是根据发射信号入射的方向来发现目标的。所以，对于传统的单基地声纳， 在1 5 2 倍声纳作用距离内，被敌方发现的概率为： 只= c ：p ( 1 一p ) ” - l 式中：p 为敌方侦察声纳波束扫过一次发现工作声纳的概率，p 为扫过n 次至少 发现一次的概率。若n = 3 ，p = o 。9 ，则被敌方发现的概率为9 9 9 。双基地声 两北丁业人学顺卜学位论文第一章结论 纳发射机被敌方发现的概率与单基地相同，但由于接收机是被动工作的，敌方无 法侦察到它的准确位置，故检测概率为0 。所以，双基地声纳的隐蔽性明显优于 单基地声纳。 同时，虽然双基地声纳与被动声纳，都具有良好的隐蔽性，但双基地声纳的 功能强于被动声纳。对于静止不动的潜艇或噪声很低的潜艇，被动声纳无法探测， 而双基地声纳由于它本身带有声源，是依靠目标的回波进行工作的，因而，可以 对这些目标进行探测。这一战术优点的另一潜在的用途是对水下的潜艇进行支 援。 ( 2 ) 抗干扰性 干扰通常分为有源干扰和无源干扰，而有源干扰又可分为压制式干扰和欺骗 式干扰，单基地声纳易于被敌方定位，因而容易受到敌方强方向性的压制干扰， 如果干扰功率足够大，则干扰信号不仅可以通过接收基阵主瓣进入接收机，还可 以通过副瓣进入接收机，使声纳在很宽的范围内不能探测目标。虽然副瓣抵消和 自适应零点形成技术可以大大减少来自副瓣的干扰，但他无法解决在干扰方向上 的目标探测问题。采用双基地声纳，由于敌方无法探测到接收机的准确位置。接 收基阵主瓣受到敌方强方向性干扰的可能性很小。敌方要干扰双基地声纳的接收 机，必须展宽干扰扇面，这样会使干扰功率大大下降。因而，采用双基地声纳的 工作方式可以有效地增强声纳系统的抗干扰能力。另一方面，当主动声纳发射 的声脉冲引起潜艇的警觉，潜艇将采取措施，尽量减小其目标强度。最典型的方 法是将艏艉方向对准声源方向，这样将有可能使双基地声纳接收单元收到的回波 增强，从而提高了声纳系统的检测概率。 ( 3 ) 探测范围和使用特点 双基地条件下，由于声源、目标和接收机构成复杂的三角关系，声纳的探测 范围为一椭圆。如果在声源处同样有接收机，则双基地声纳的存在将增加有关目 标的信息量，有利于目标的分类和识别。虽然在有些位置，双基地声纳的定位精 度可能低于单基地声纳，但当采用多部双基地声纳联合工作，组合成多基地网络， 由于多接收站可以在不同的方向接收目标回波，所获得目标的信息量增加。同时 利用多站测量的目标在不同方位的信息进行融合。将会使系统的定位精度、目标 识别能力得到显著提高。而且，在某些条件下，利用多接收站所测量的距离和方 西北t 业大学颁十学位论文第一章绪论 位信息，还可以估计目标的深度。 由于目标具有前向散射增强的特性，当双基地声纳采用前向散射的方式工作 时，可以有效地提高声纳目标散射截面，使系统的探测性能在这种特殊的配置下 大幅度增强。而且，由于接收机远离发射声源，混响强度降低这特别有利于近 距离目标的检测、定位、跟踪和识别。 ( 4 ) 声纳系统设计 在工程实现方面，多基地声纳有利于优化设计地实现。由于收发分置，使声 纳系统在总体设计、参数选择、发射波形的设计上，具有了更多的、可供选择的 自由度，这将有利于声纳系统性能的大幅度提高。例如，发射和接收基阵可以分 开优化设计，独立实现，较少受载体对尺寸、重量、空间等方面的限制，同时可 以省去收发转接设备。双基地声纳接收到的回波信号是窄带信号，完全可以利用 现有的有关窄带信号处理的技术，比被动声纳在信号处理上有更大的优越性。 ( 5 ) 收发同步问题 为了完成对目标的定位，多基地声纳除了具有般声纳的发射、接收声波和 信号处理功能外，还必须解决收发之间的空间、时间和相位同步问题。首先是收 发波束的空间同步扫描。因为收发装置分离很远的距离，如何在对空域扫描过程 中保证收发波束同时照射到同一目标而又有好的数据率，将是多基地声纳研究的 一个重要技术问题。其次。由于收发设备分置，各种设备处于不同的位置如何 为这些分置的设备提供统一的高精度的时间基准，也比单基地声纳复杂，这就是 时间同步问题，它是多基地声纳完成测距和波束扫描所必须的。再次，多基地声 纳还必须保证收发设备之间的相位同步。 ( 6 ) 直达波抑制问题 直达波是指直接从声源传输到接收机的声波。它包括一系列的多途到达波。 这些多途到达波形成了时间扩展，具体的特性依赖于双基地声纳的几何关系、环 境状况和系统特性。一般情况下，直达波非常大，因为它只经历了单路传输，所 以，直达波很容易掩盖住目标回波，从而使双基地声纳无法实现目标定位。直达 波的持续时间是指从第一个脉冲到最后一个比较大的脉冲的到达时间再加上压 缩的脉冲长度。直达波持续时间和声波直接到达时问定义了等时到达椭圆。在这 个椭圆的内部，回波将会被直达波所掩盖。无法实现检测。所以，在用双基地声 两北工业大学硕【二学位论文 第一章绪论 纳系统来进行水下目标的定位时，目标必须位于等时到达椭圆的外部，才能实现 目标的检测。 对于直达波的抑制，可以有以下几种比较有效的方法： ( 1 )控制声源和接收机的竖直指向特性，减少经过界面反射到达接收机的 声波能量。 ( 2 )同时在接收端采用旁瓣控制技术，以控制从接收阵的旁瓣进入接收机 的直达波。 ( 3 )采用在光学和通信中所使用的编码技术，通过对声纳发射波形的设计， 使不同发射机所发射的声脉冲之间满足一定的正交性，从而达到抑制直达波的目 的。 1 3 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 合海军总装备部“十五”预研课题“多双基地主动声纳技术研究”，进行了 本文的工作。为了与工程应用相结合，本文主要就多基地声纳在应用中存在的关 键技术进行了比较深入地研究，主要研究内容包括： 第一章：绪论。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。 第二章：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预报，给出了预报的实 例。根据双基地声纳的工作特点，给出了双基地声纳定位精度的表示方法。 第三章：从简单形状目标的声散射特性研究入手，研究了多种不同形状目标 非入射方向的声散射特性。首先，运用t 矩阵的方法，求解了刚性小球的声散射 特性，从理论上得出了小球的空间分布特性以及目标强度随声波入射角和分置角 的变化关系。 第四章：在理论研究的基础上，进行了水下目标声散射特性的水池实验研究。 在实验中，首先测量了非入射方向球、椭球等简单形状目标的散射特性，给出了 目标回波强度和波形随声波入射角和分置角的变化关系。在此基础上，进行了水 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 下航行器散射特性的水池实验，给出了水下航行器的目标强度的水池实验数据。 第五章：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。 西北t 业大学硕士学位论义 第二章双基地声纳理论 第二章双基地声纳理论 2 1 引言 多基地声纳在水下目标定位方面，具有明显的优势。但是，没有正确的理解 多基地声纳目标的声散射机理，这些潜在的优势就无法实现。在多基地声纳配置 下，声源、目标与接收机不在一条直线上，接收机所接收的目标回波主要来自声 波的非入射方向，原来传统的有关单基地声纳目标特性的研究方法，已不能完全 适用了。故研究非入射方向，即空间3 6 0o 全方位声波的散射特性，就显得更为 重要和迫切。为此，本章从目标声散射的基础理论出发，通过一定的近似，给出 了多基地声纳，水下目标声散射特性的研究方法。通过数值仿真，对不同形状水 下目标的声散射特性进行了理论分析与仿真研究，给出了具有工程应用价值的理 论成果。 2 2 双基地目标特性 2 2 1 双基地声纳的几何关系 在双基地条件下，声源、目标和接收机之间构成复杂的三角关系，其基本的 几何关系如图2 1 所示。图中： t 表示声源，它可以只工作在发射 状态，向水中发射声脉冲，照射目标。 也可以以单址模式工作，同时具有发射 声波和接收目标回波的功能。 r 为接收机，它与发射机分开一定 的距离，仅以收听的方式工作，其位置 一般不易被敌方发现。在双基地声纳系 统中，它一般由声纳浮标，或航空吊放 声纳构成。 s 为水下目标。 tr 图2 1 双基地声纳几何关系 一为发射机到目标的距离。 为目标至接收机的距离。通常，在接收端所测量的为距离和，即： 2 + o 西北工业大学硕十学位论文 第二章双基地声纳理论 d 为基线长度。在双基地条件下，定义基线长度为发射站与接收站之间的 距离。 曰，为在声波发射端所测量的波束指向角。 0 。为接收波束指向角。 为分置角，定义为以目标为顶点，发射基地、接收基地与目标连线之间 的夹角。 在双基地条件下，通常使用两种坐标系，一种是平面直角坐标系，它是以基 线中点为坐标原点，x 轴与基线同线，y 轴垂直于基线。在本文后面的讨论中， 大多采用直角坐标系来进行研究。第二种是平面极坐标系，它是以基线中点为坐 标原点，方位角是以基线为起点，逆时针旋转为正。在研究不同问题时，可根据 需要，采用适当的坐标系。 2 2 2 双基地声纳方程 水声中现象与效应对声纳设计和应用会产生多种影响，这些影响体现在一些 参数之中，声纳方程 5 1 - 5 3j 是将介质、目标和设备的各项参数相互作用联结在一 起的关系式。声纳方程的功能之一是对已有的或正在设计的声纳设备进行性能预 报。此时，声纳设备的设计性能是己知的或是已假设好的，要求对某些有意义的 参数，如检测概率或搜索概率等做出性能估计。声纳方程的另一用途是进行声纳 设计。在这种情况下，所要设计的声纳作用距离是预先规定好的，这时要对声纳 方程中特定的参数进行求解，而这些参数在实际中往往是不易确定的，必须通过 反复验算以求得折中的最佳结果。 主动声纳发射信号，声信号经功率放大由发射换能器向水中辐射声能，声能 通过介质传递到被检测目标，经目标反射后再返回接收水听器。由接收水听器所 接收的声信号，除目标回波外，还有其他非目标( 例如介质中杂散的散射体) 的 散射波和干扰噪声，只有当日标回波级超过所有其他与目标无关的干扰级一定数 值时，观察者才能确认有目标存在，即，目标可以被检测。对于主动声纳，声纳 方程分为以噪声为主和以混响为主的声纳方程。其表达式分别为： 以噪声为主的声纳方程： s l 一2 t l 十t s 一( n l d i ) ：d t( 2 1 ) 西北_ t 业大学硕b 学位论文 第二章双基地声纳理论 以混响为主的声纳方程： s l 一2 t l 十t s r l = d t( 2 2 ) 其中各符号的物理意义如下： s l 为声源级：指距发射换能器声轴中心1 米处，换能器所产生的声压级或 声强级； t l 为传输损失：距声源l 米处的声强级对传递到目标所在位置的声强级之 差： t s 为目标强度：在距目标声中心l 米处的声源方向上，目标所产生的回声 强度和入射声强度的差级 n l 为噪声级：指接收水听器输入的噪声声强级； d i 为接收指向性指数：定义为实际水听器和无指向性水昕器对各向同性噪 声的声功率响应级之差： r l 为混响级：它等于在参考距离l 米处被单位面积或体积所散射的声强度 与入射平面波强度的比值： d t 为检测闽；指在水听器输出端完成特定职能所需要的最小信号和干扰功 率级差。 以上各物理参数都以分贝为单位，即对强度或功率取1 0 为底的对数，参考 级按国际标准取均方根声压为x u p a c m2 的平面波强度。 被动声纳的信息流程比主动声纳简单，主要表现为接收的信号只承受单程传 输损失。此外，被动声纳不发射信号，因而没有混响，接收机噪声主要是自身噪 声和环境噪声。显然，被动声纳方程中不存在目标强度，根据被动声纳工作时的 信息流程可以得到被动声纳方程为： 3 l - t l 一( n l d i ) = d t( 2 3 ) 其中：s l 是噪声源辐射噪声的声源级，其余各参数的定义同主动声纳方程。 双基地声纳同时具有主动声纳和被动声纳的工作特点，发射站发射声脉冲， 照射目标，声波经目标散射产生目标回波，接收站在不同的位置接收目标回波。 发射站以主动方式工作，而接收站由于只接收目标回波，工作在被动状态。因而， 依据双基地声纳的工作特点，其声纳方程也存在着两种形式。 对于噪声限制的情况，双基地声纳方程为： 西北工业大学顺十学位论文 第二章双基地声纳理论 观一亿一儿，+ 嚣一舭+ d i = d t( 2 4 ) 对于混响限制的情况，声纳方程为： 。钇一死，一死，+ t s r l + d i = d t( 2 5 ) 其中；记，纥，分别为声源至目标和日杯下接收机的传播损失。 2 2 3 收发分置对声纳方程的影响 从形式上看，双基地声纳方程与单基地主动声纳方程比较类似，声源级与单 双基地配置无关，仅依赖于所使用的声源，且背景噪声n l 单、多基地并无差 别。但在双基地条件下，声波的传播损失为声源至目标和目标至接收机之间的衰 _ 减之和，声波所经历的两个传播距离，以及两个传播途径上的吸收因子可以是不 同的，死和儿，不会完全相同。但传播损失的产生与单基地声纳传播损失的产 生没有明显的区别，所以，在量值计算上，碣和花：计算可以直接沿用单基地 声纳理论。 在双基地声纳方程中。由于收发设备分置，使得声纳方程中的一些参数发生 变化。其中，受双基地几何配置影响最大的是目标强度和混响。下面对其作简要 分析如下： ( 1 ) 双基地声纳的目标强度t s 目标强度是指在入射声波作用下目标的散射特性，它是衡量目标反射、或再 辐射能力的一个基本量。目标强度定义为将接收到的水听器方向上距离目标声学 中心1 米处，由目标返回的声强与远处声源的入射声强之比，取对数以分贝表示： t s - - l o l o g l ( r 。) i ，。；。 ( 2 。6 ) 其中：i ( r ) 代表某一方向上距离目标声学中心r 米处由目标返回的声强，。代表 入射声强。一般i ( r ) 是由一个远场声强值反推到1 米处的声强。目标强度不仅 与目标的类型、结构及姿态有关，而且与发射频率和脉冲宽度有关。 双基地声纳的目标回波不单纯等于单基地的反向散射，回波来自声波的非入 射方向，在空间的不同位置，接收机所接收的目标回波不同。因而，其目标强度 也有许多不同于单基地声纳的特点。对于复杂外形的目标，双基地声纳目标强度 西北工业大学顿士学位论文 第一二章双基地声纳理论 的分析较为复杂阻s8 | 。为了研究问题的方便，a s g e i rg a n g s a s ( s 9 l 从单基地声纳 的目标强度出发，给出了双基地声纳目标强度的简洁表达式。即：双基地的目标 强度是单基地目标强度的最大值( t s m a x ) 、最小值( t s m j n ) 和接收指向性角d ( 接 收阵与目标的连线和接收阵与发射阵连线之间的夹角) 的函数。用公式表示为： t s = ( t s m a x - t s m i n ) + ( t s m i n s i n ( 占) )( 2 7 ) 尽管应用上式可以粗略地从单基地目标强度获得等效的双基地目标强度，但 由于水下目标结构的复杂性，以及单、双基地目标声散射特性的空间分布不同， 要想更好地了解双基地声纳目标强度的时间和空间分布，就必需对非入射方向目 标的声散射特性进行深入研究，在论文的第四章中，重点研究了目标的声散射特 性。 ( 2 ) 双基地声纳混响强度 当声波通过水中的粒子时，粒子受激振动形成一个二次声源，其强度与入射 声强度成正比，这个再辐射的声源即为混响。 当初级声源产生足够强的、指向性较弱的声场时，在目标附近所存在的大量 散射体将形成混响。这些散射体可以是气泡、鱼，浮游生物、固体粒子，也可以 是物理上的不均匀性，海底、海面同样是声的散射体。混响是这些散射体的散射 回波之和在接收机输入端的响应。混响开始于声波入射到散射体，结束于声波停 止入射。混响是主动声纳特有的现象，它与发射脉冲的长度及接收和发射阵的指 向性有关。在双基地条件下，它还与发射和接收站台勺几何配置有关。 基本上存在两种混响：体积混响( 与一个特定三维区域的散射体有关) ，表面 混响( 与海面和海底的一个特定二维区域的教射情况有关) 。其数学表达式为： r l = r l ，+ 瓯+ r l ， ( 2 8 ) 其中：r l 。表示海面混晌：r 乙表示海底混响：r l 。表示体积混响其统一的表示 式为： 魁0 ，b ，v ) = 乩一( 7 z l + 咒2 ) + l o g a ( s ，6 ，v ) + s ( s ，b ，v ) ( 2 9 ) 上式中，小写字母，s ，b ，v 分别表示海面、海底和体积的，a 为散射截面。s 为散 射强度。 与单基地声纳类似，双基地声纳的混响强度也为体积混响和表面混响之和。 西北工业大学颂匕学位论文第二章双毓地声纳理论 但因为在双基地条件下，引起混响的不是反向散射，而是前向散射和侧向散射， 所以，其数值并不致。在计算双基地混响时，对混响体积、或面积的计算，变 成了一个立体几何问题：这个被确定的体积或面积存在于目标的附近，能够产生 干扰目标回波信号的回声。同时，这一区域也应位于声源主瓣和接收机主瓣的交 叉区内。混响