（水声工程专业论文）矢量传感器三维末段轨迹测量技术研究.pdf

哈尔滨王程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t p a s s i v er a n g i n g t e c h n o l o g yd o e sn o lc a uf o rc o o r p e r a t es i g n a ls o u r c eo nt h e t a r g e t ，a n dw o u l di m p r o v en a v a ls h o o t i n g t r i a le f f i c i e n c yg r e a t l y t r a d i t i o n a l a c t i v et o r p e d ot r a j e c t o r yt r a c k i n gs y s t e m sa r er e s t r i c t e db ys u c haf a c ta st h e d e m a n do fc o o p e r a t i v es i g n a ls o u r c e0 nt h et a r g e t ，s o 翻n o tm e e ts o m e l a t e m o d e lt o r p e d ot r i a ld e m a n d t h e r e f o r e ，al o c a t i n ga n dt r a c k i n gs y s t e mw i t h l l i g hp e r f o r m a n c ea i m i n ga td i s o p e r a t i v et a r g e tu n d e r w a t e rm u s tb ed e v e l o p e d 。 i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h eu n d e r w a t e rm o v i n gt a r g e t st h r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) p a s s i v ep o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n g , f o c u s e do nt h eo b j e c t i v e so ft h eu s eo fr a d i a t i o n a n dl o wf r e q u e n c yn o i s es p e c t r a ll i n e so ft h em u l t i e l e m e n tp a s s i v ep o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yt om e a s u r eu n d e r w a t e rh i g h s p e e dm o v i n gt a r g e t3 de n d t r a c k t h et h e o r yo ft h et i m e d e l a ye s t i m a t e i o na n dt h ec o m b i n e ds i g n a lp r o c e s s i n g w i t ha c o u s t i cp r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yi st h eg o a lo ft h eu n d e r w a t e rt a r g e t s 3 dt r a j e c t o r yp a s s i v em e a s u r e m e n tm e t h o di nt h eb a s i ct h e o r y t h i sp a p e r i n t r o d u c e dat h e o r yo ft i m e - d e l a ye s t i m a t i o no ft h eb a s i cc o n t e n t sa n dm e t h o d s ， a n dd i s c u s s e dt h et i m e d e l a ye s t i m a t i o no fc r ib e x p o u n d e dt h ea c o u s t i c p r e s s u r ep a r t i c l ev e l o c i t yj o i n tt r e a t m e n tf o rt h ee s t i m a t e dt a r g e tp o s i t i o no ft h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ，i n t r o d u c e dt h ev e c t o rs e n s o ri d e n t i f y i n gt h et a r g e tp o s i t i o n o ft h r e em e t h o d s r e s e a r c hs h o w e dt h a tt h ea v e r a g es o u n di n t e n s i t yw i t he a c h o t h e ra n dw i t hg o o ds p e c t r a le s t i m a t i o no ft h ea n t i - c o h e r e n ti n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y , w h i c hi sb a s e do nt h em e a s u r e m e n to ft w oa l g o r i t h m s 埝ah i g h e rm e a s u r i n g a c c u r a c y m a k i n gt h ea b o v eo nt h eb a s i so ft h eb a s i ct h e o r y , t h et h e s i ss e tf o r t ht h e e l e m e n t a r yt h e o r yo fp o s i t i o nm e a s u r e m e n tm a d ep u r e l yp a s s i v ep o s i t i o n i n g t e c h n o l o g y , i n t e r f a c em u l t i - p a t hl o c a t i o nm e t h o da n dd e p t hm e a s u r e m e n tb a s e do n v e r t i c a ld o u b l e e l e m e n tt e c h n o l o g y , g a v et h er e l e v a n ts o l u t i o na l g o r i t h m ，a n dd i d u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n so ft h es i m u l a t i o ns t u d y t h ef i n a la p p l i c a t i o no ft e s td a t a o nl a k ea l g o r i t h mw a sv e r i f i e d 。t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea l g o r i t h mp 毽l 哈尔滨r t 程大学硕十学位论文 f o r w a r di nt h et h e s i sc a i lb er e a l i z e da n dr e l i a b i l i t y i nt h el a s tp a r to ft h et h e s i s ，d i s c u s s e dt h et i m er e v e r s a lm i r r o rf i r m ) t e c h n o l o g ya p p l i e di nt h e3 dt r a j e c t o r yu n d e r w a t e rt a r g e t sp a s s i v em e 弱u r e m e n t ， s e tf o n ht h eb a s i ct h e o r yo fp a s s i v ea c o u s t i cp r e s s u r er e v e r s em i r r o rp o s i t i o n i n g , o nt h i sb a s i s ，d e a lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ao nt h el a k e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h e o r e t i c a lr e s u l t sw e r ea p p r o x i m a t e l ya c c o r d a n t k e yw o r d s ： n o n - c o o p e r a t i v et a r g e t ；t a r g e t o r i e n t a t i o ne s t i m a t i o n ；p a s s i v e t h r e e - - d i m e n s i o n a lp o s i t i o n i n g ；t i m e r e v e r s a lm i r r o 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。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 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，均己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) ： 日期：伽d 彦年弓月舌e l 啥尔滨工程大学硕士学傅论文 第1 章绪论 1 1 立题背景及意义 自世界上第1 枚鱼雷问世以来社l ，由于其具有隐蔽攻击的优点，经过近 一个世纪的发展，鱼雷武器已从最早的短程直航鱼雷发展到今天的远程精确 自导鱼雷；发射平台从最早的水面舰船发射，发展到潜艇发射、童井机携带 和火箭助飞；制导方式由原来的“自导+ 控制发展成“自导+ 控制+ 线导。 涉及鱼雷技术的总体、自导、控制、动力推进、战斗部、弓l 信、操雷等单顼 技术也取得了飞速发展。从而使现代鱼雷武器已具有“智能化 功能，可以 对纣敌方的水声对抗，实现对敌霉标的有效打击，成为打击敌潜艇和水面舰 船的“杀手锏一武器之一。当今世界各国鱼雷技术的发展趋势是高速，远航 程，大深度，低噪声，具有微弱信号探测、目标识别和水声反对抗、精确制 导能力及爆炸威力大。 随着鱼雷技术的发展，担任鱼雷试验任务的鱼雷靶场冈也从十八世纪未 期箍陋的鱼雷靶场发展成为畿够承担鱼雷、水雷、深弹、水声器材和海洋学 等方面试验的大型综合性靶场。水声跟踪系统作为鱼雷靶场中的重要测控设 备，在鱼雷靶场的发展进程中趋裂了递大的作爆。鱼雷靶场的现行水声跟踪 系统分为主动式和被动式两大类。主动式跟踪系统要求被跟踪定位目标加装 合作信标，疆标主要包括鱼雷、潜艇、走航式声诱饵、靶雷等。被动式跟踪 系统不需在目标上加装合作信标，主要利用目标的航行噪声、鱼雷发射的寻 的信号等对其跟踪定位。 目前，国内外从事鱼雷试验的海军靶场在对鱼雷等水下高速嗣标进行末 段弹道测量时，应用的主要是在被测目标上加装合作信标，利用同步球面跟 踪法或同步球葱和异步双益线混合跟踪法来实现的主动式轻便型鱼雷弹道蹑 踪系统3 1 。其优点是测量精度高，不易受干扰，因此应用范围非常广，成为 水下霉标弹道测量的主要方式。被动式鱼雷弹道跟踪系统在国外用于鱼雷试 验尚未见公开报导。国内的鱼雷被动定位研究领域已研制出类似于该系统要 求的产品，以东南大学研制的鱼雷弹道测量( 懒) 系统最为接近。 从使用的情况看，传统被动方式的弹道跟踪系统有很大的局限性，测距 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j i i l i y l l l ! i i ；i l l l l i l ll l l l l l l l l l 汹l ；i 宣i 暑掌黼喾i i ；i 皇蔫黼掌i 宣暑暑营i 篇i 精度差，跟踪速度慢。特别是随着新型鱼雷的出现，智能化程度不断提高， 动力系统也遴一步加强，使得续航能力大大提高，并且其辐射噪声更小，更 难以在远距离上探测和高精度测量鱼雷航行的弹道，所以传统被动方式的弹 道跟踪系统一直未麓成为靶场豹主力设备。但其无需在髫标上加装合作信标， 能够大大提高试验效率，对于多样本统计分析的定型试验和生产性的批( 抽) 检试验，有显著的军事效益和经济效益。此外对于深海靶场，在许多场合下 目标上不可能加装同步声源，为解决被跟踪目标的弹道测量问题，只能利用 目标航行的辐射噪声，需要采用相应的信号处理手段，发展新的被动式水下 跟踪技术。 本论文霞点研究针对非合作目标的被动测量技术一利用水下高速目标 的辐射噪声 和低频线谱的多基元联合被动定位技术来测量水下高速运动旦标 的三维末段轨迹。 羔2 水下强标三维轨迹测量系统发展概况 作为鱼雷靶场最主要的大型测试设备之一，水下目标三维轨迹测量系统 随著鱼雷靶场的发展褥不断壮大。早在上个世纪霆+ 年代初期就出现了最早 的水下声跟踪系统。历经二十几年的发展，出现了可以实时地给出目标三维 空闻位置的三维声跟踪系统。麸发展情况看，美西起步最早，上世纪六十年 代后期己达到广泛应用的成熟阶段，建造了多个水下三维声跟踪靶场。此后， 经过不断的改进、完善和扩大，在技术上、数量上、规模上都处于领先的地 位，代表了世界先进水平。英国和法国在上世纪七十年代中期，根据相同的 原理和类似的技术也建造了自己的水下声跟踪靶场。 鑫翦世界上鱼雷靶场使用的水下隧标鞔迹测量系统主要有大型固定式声 跟踪系统、轻便型声跟踪系统、移动式声跟踪系统三种类型阳。其中大型固 定式声跟踪系统的水下测量设备( 水听器基阵) 都固定安装在海底上，通过 水下电缆与岸上计算机连接，其跟踪范围取决子水听器基阵的数目，可达6 0 0 平方公里，能同时跟踪多个嚣标，可满足各种水下武器试验和作战训练的要 求，但安装技术复杂、费用高，只能在固定海区使用。轻便声跟踪系统可以 通过运输工具( 车辆、船舶和飞机) 运送到所需试验的海区。然后通过缆索、 浮予、布放在水中或安置在浅永的海底上。试验完毕瑶可以回收。数据通过 2 哈尔滨工挥大学硕士学影论文 无线电通信线路发送到临时设置的基地站或靶场船上。与固定式跟踪系统比 较，范围小( 约五十平方公里) 、毒设麻烦、易受海情的影响。毽适用于各种 海区的条件下试验。移动式声跟踪系统全部设备( 包括水听器基阵和处理机) 都装在水面试验船或潜艇上。其特点是活动自内、操作方便，只要把装有水 下声跟踪系统的水面试验船开往试验海区，便可以进行试验。装在潜艇上的 三维声跟踪系统主要用于测量鱼雷末段弹道和潜艇发射导弹或水雷的弹道。 典型的潜艇安装系统有英国e m i 公司制造的系统，该系统用于鱼雷末段弹道 和导弹水下弹道的测量，甚至出口美国海军。装在水面试验船上的三维声跟 踪系统主要用予远离靶场的海上远离试验或海洋研究用的承下航行器的跟 踪。 上文中提到的这三种声跟踪系统在结构上虽然有很大差别，但基本原理 和工作方式大致相同，都可以采用长基线( l o n g b a s el i n e ) 、短基线( s h o r t b a s el i n e ) 或超短基线( u l t r as h o r tb a s ei a n e ) 三种方式。 长基线定位系统( l b l ) 需要在海底布设3 个以上的基点，以一定的几 何图形组成海底定位基线阵。工作船( 或被测网标) 一般位于基线阵之内， 通过测量应答器与基点之间的相对位置来确定应答器昀坐标，工作方式有声 学应答式、电触发式两种。长基线定位系统的优点是定位精度与水深无关， 在较大的藏围上可以达到较高的相对定位精度，定位数据更薪率离；缺点是 系统构成复杂，基线阵布设需要消耗高昂的费用，并且需要做大量的校正工 作，耗费大量的时间。再者，虽然长基线定位系统的定位精度是独立于水深 的，但是却与工作频率密切相关，若要获得更高的定位精度，目前典型的做 法是发展高频( h i g hf r e q u e n c y ) 或超高频( e x t r ah i g l lf r e q u e n c y ) 的长基线定位 系统，但是由于高频信号在水中衰减缀快，因此作用范围很有限，一般很难 超过1 0 0 0 m 。另外对水声定位系统来说长距离的信号传输也是一个很难回避 的阏题，传统的永声数据传输方式有多频键控( m 醛k ) 和多相键控( m p s k ) 两种，m f s k 调制方法性能适中，具有一定的抗多途能力，m p s k 方式可以 提高信息传输速率，但在传输距离和环境适应性方葱性熊不足，近来利用水 声扩频技术传输受到国内外的广泛重视，已经出现了扩频技术的水声 m o d e m 产品，其性能有较明显的提高，表现在传输距离增加、误码率降低， 且对使用环境具有较好的宽容性。目前在国际市场上所见性能较好的长基线 3 哈尔滨下程大学磺+ 学豫论文 宣宣薯赫篇薯；暑；暑宣稿麓薯宣暑暑置昌昌毒岛黧誓宣i i i i 崔i l l l i i i i i i i i i l l 赫 定位系统有荧国s o n a r d y n e 公司f u s i o n 系列的长基线定位系统，该系列产品 可鬻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强、 矿石开采、海难救援等等。在军事使用上，美国的太平洋导弹水下跟踪靶场 和大西洋试验与评价中心的水下跟踪靶场都采用长基线跟踪方式。这两个靶 场皆是目前世界上最先进的水下武器试验跟踪靶场。 短基线定位系统( s b l ) 与长基线定位系统所不同的是定位基点是布置 在船底的，3 个以上的基点在船底构成基线阵，通过测量声波在应答器与基 点( 接收器) 之间的传播时间来确定斜距，通过测相技术来确定方位，进而 推算出应答器的坐标。因为基线阵是布置在船底的，所以短基线定位系统需 要配有垂直参考单元、罗经、参考坐标系统。短基线定位系统的优点是系统 组成筒单，便于操作，不需要组建水下基线阵，测距精度高；缺点是需要在 船底布置3 个以上的发射接收器，要求具有良好的几何图形，这就对船只提 出了更高的要求，在深水区为了达到更好的定位精度需要加大船底基线的长 度，整个系统需要做大量的校准工作，绝对定位精度主要依赖于v r u 、g y r o 、 d g p s 等外围传感器。澳大利亚n a u t r o n i x 公司生产的n a s d r i u r s 9 2 5 型短基 线定位系统采用a d s 售号，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采，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应用于深海调查和生产项目。在军事使用上，典型 的短基线3 d 靶场有美国的达布湾( d a b o bb a y ) 高频靶场和圣克洛伊斯克 ( s t c r o i x ) 的低频靶场。高频靶场采用询问方式，目前已不建造。低频靶 场采用同步时钟方式。除圣克洛伊斯克靶场外，内奴斯、圣克利门蒂岛等靶 场也都采用这种方式。 超短基线定位系统( u s b l ) 与短基线定位系统一样定位基线是布置在 船底酶，只是它的基线长度更短些，基点是集中傲在一个阵列土翡，同样是 通过测时、测相技术来确定应答器的空间位置，工作方式有3 种：声学应答 式、电触发式、p i n g c r 模式( 应答器与接收器透过同步钟方式控制进行工作) 。 系统也需配有v r u ，g y r o ，参考定位系统。整个系统的构成简单，操作方便， 不需要组建水下基线阵，测距精度高；系统的主要缺点同样是需要做大量的 校准工作，绝对定位精度主要依赖于外围传感器v r u 、g y r o 、d g p s 等。 4 哈笨滨t 程大学硕士学能论文 国外从事超短基线定位系统研制的主要有法国o c e a n ot e c h n o l o g y 公司、 挪威的s i m r a d 公司、澳大剩亚n a u t r o n i x 公司、美国的f e r r a n t i o r 。e 公司等。 法囡o c e a n ot e c h 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0 5 瞻一l 国，从1 9 9 7 年开始已经 开始装备在法国i f r e m e r 的水下机器入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 ) ；丽s i m r a d 公司研制的h i p a r s 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0 2 ，工作水深达到 4 0 0 0 m ，新近推出的h i p a r 7 0 0 型系统是在h i p a r s 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 形成窄波隶方式提高换能器的指囱性和信噪比，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 m ，定位精度为作用距离的0 5 。 国内哈尔滨工程大学水声工程学院为国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计 划) 研制的长程超短基线定位系统( l o n gr a n gu l t r as h o r tb a s el i n e ： l r u s b l ) 是利用水声定位技术实现对水下4 0 0 0 m 海深的5 个目标，如a u v 、 明浮v 等进行定位、跟踪和数据传输的水声设备。其最佳定位精度霹达到千分 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。 1 3 本论文的研究内容 本文围绕基于辐射噪声测量的水下运动目标三维被动定位和跟踪问题， 重点研究了利用目标的辐射嗓声和低频线谱的多基元联合被动定位技术来测 量水下高速运动目标的三维末段轨迹技术。论文包括以下主要内容： l 、论文豹立题背景、意义及永下强标三维轨迹测量系统的发展概况。 2 、对水下目标三维轨迹被动测量技术的基本理论进行了阐述。主要介绍 了对延估计方法在被动测量技术中的穗关应用；声压振速联合处理用于嚣标 方位估计的理论基础及矢量传感器确定目标方位的基本理论。 3 、研究用多元阵纯被动测量结果解算水下高速运动目标的三维末段轨 迹，提出了纯方位测量被动定位技术、界面多途测深技术和垂直双阵元测深 技术的基本原理，给出了相关的解算算法，并进行了一定条件下的仿真研究， 最后应用潮上试验数据对算法进行了验证。 5 哈尔滨= r 程大学硕+ 学位论文 4 、探讨时间反转镜( t r m ) 技术在水下目标三维轨迹被动测量中的应 用，讨论了被动声压反转镜定位的基本原理，在此基础上，对湖上试验数据 进行了处理，试验结果与理论结果基本一致。 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章水下目标三维轨迹被动测量基本理论综述 本章主要介绍了时延估计的相关内容，阐述了声压振速联合处理用于目 标方位估计的理论基础，提出了矢量传感器抗各向同性干扰的两种方法，介 绍了矢量传感器确定目标方位的基本理论。 2 1 水下声信道的特性及声波的传播问题 由于海洋环境条件的复杂多变，使声信号在海洋中的传递存在着强烈的 畸变和涨落嗍。因此水下声信道的特性决定了声波的传播和水声设备的设计 和性能。水下声信道的特性主要体现在声传播损失、多途效应、多普勒频移、 水下噪声四个方面。其中多途效应是水声信号在海洋声信道中传播发生畸变 的根本原因。水下声信道是缓慢时变的相干多途信道，在相干时间长度内， 可简化为相干多途信道，仅存在多途效应阴。多途效应的形成的机理为：在 浅海区，主要由界面( 海面、海底、目标等) 边界反射能量形成；在深海区， 主要由声源处的不同出射掠角的声线在传播过程中发生弯曲造成的。 声波是海洋中信息的有效载体。随着人们对海洋环境的认识以及相关领 域技术的发展，声波在海洋中的传播问题的研究得到一定程度的发展。水下 声信道的复杂多变的特性使得声波在海洋信道中的传播变得异常复杂。几十 年来，人们建立了声波传播问题的许多理论模型和算法，这其中包括研究声 信号的振幅和相位在声场中的变化的简正波算法( n o r m a lm o d e ) 1 1 0 - 1 2 | , 射线 声学( r a yt r a c et h e o r y ) 肛明和抛物方程( p a r a b o l i ce q u a t i o n ) 近似方法p 羽 等。在这些算法中由于各自取舍不同，因而适用范围也不同。 对于浅海声场而言，简正波算法是一个重要而且相当有效的算法研。在 高频传播问题的求解上，由于需要考虑的简正波的阶数很多，简正波求和的 计算量较大，射线理论将更适合些。 射线声学是声波传播问题中发展最早的研究方法，它具有数学形式简单、 物理意义清晰的特点，至今仍广泛用于研究声场分析，特别是高频情况( 波 导宽度h 波长力 。在讨论深海传播问题中，由于深海波导效应，海底界 面影响较小，声线结构也较有规律，射线方法也许更适合于深海传播问题例。 7 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 射线理论可以用来快速计算，同波动理论相比，对脉冲信号的传播的描 述比较直观容易。 抛物近似是于七十年代初由t a p p e r t t 幡1 。刀等人引入，随着近年来的深入研 究，抛物近似方法在声场计算中占居了很重要的地位，广泛地用于复杂环境 下的声传播求解2 1 捌，实际海洋环境中声场的解析求解极其复杂，存在的各种 近似算法也需要这种数值算法作比较验证。 抛物近似方法与前两类声场分析方法不同点在于：射线声学方法基于高 频近似，忽略衍射效应；简正波算法是基于严格的水平分层对称性，因而忽 略任何简正波之间的耦合效应；抛物近似方法考虑了水平变化时的耦合效应。 在抛物近似中所要求的限制性条件是声场的垂直开角范围很小，对海洋中的 远程声场而言是符合实际情况的。 2 2 时延估计方法概述 时延估计技术是近十年来迅速发展起来的参量估计的技术。在国外，时 延估计技术已在军事、地球物理、生物医学和工业过程等许多领域得到了越 来越广泛的应用。在国内，时延估计技术目前已在被动定位、跟踪技术领域 得到广泛应用。时延估计方法虽有多种形式网，但大致可以分为三类：广义 互相关法。嗍、自适应参数估计法2 6 明和相位谱法。咎硼。 广义互相关法是在标准互相关法刚基础上发展起来的。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 x 5 和d u u x 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p ：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 地叮) 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，其时延估计的方差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 8 哈尔滨工程大学矮士学位论文 难以得到。虽然广义互相关法可以有效地抑制随机噪声的影响，但对周期性 或相关于扰环境下的时延估计，却不尽如人意，丽且对予j 暑平稳环境及时变 参量条件下的时延估计显得能力不足。 叁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，算法也 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 ) 网 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晃| j 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飙运动酶情况，史密斯和弗里达德给崮 了两种连续跟踪自适应算法删。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酎，为了保证一定的精度，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，其实现往往有一定的难度。y o u n i 钾铡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 i 删、e t t c r t 1 j 和h o 心1 等人分别从不同的角度出发提出了改进方法。 相位谱法阍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。美囡p u f f s 被动测距站已采用这种技术。由维纳 一辛钦定理网可知，信号嚣楣关函数与其功率谱密度函数是互为倦里时变换 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 谱在频率域由相移丽褥到。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 0 1 ) 提出了一种相位谱时间延迟估计方法隅嗍。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湖，利用相位加权蘧数对 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 收信号嚣时延差与婆标的方使有关，因两利用互谱法也可以对霹标进行耩确 定向。 2 3 时延估计的c r l b 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 度是方位和距离估计精度的关键。通常用时延估计方差来反应时延估计精度。 9 哈尔滨_ t 程大学硕十学位论文 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c r 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。对于无偏估计，一般用c r a m e r - r a o ( d r ) 下限 来衡量其估计方差，对于如前所述的最大似然估计器以及上述讨论的自适应 时延估计法和相位谱法，在理论上，它们的估计方差都可达到c r 下限。但 在观察时间t 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。 纳普和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： 叫2 五砂瑞 d ( 2 1 ) 其中y 【，j 为相干函数，瓦为观测时间，且有： 从行- 商 ( 2 - 2 ) 式中，瓯( ，) 是信号的自功率谱，g 。( ，) 是噪声的自功率谱。 令g 。( 厂) = s ( 厂) ，g 朋( 厂) = ( 厂) ，当信噪比较小时，有： 叫却计怒彤 - 1 假定目标和噪声自功率谱在频率 到厶的整个带内是常数，信噪比 s n r ；s o n o ，则： 啦( 矗) 而1 可吁1 羽 2 4 ) 因此，对于小信噪比，时延估计的标准差下限是： 吣( 西3j , i 2 丽1 南 ( 2 - 5 ) 类似地，假设目标和噪声的自功率谱在 和厂的带宽内是常数，可以得 1 0 哈苯滨王箨大学硕士学位论文 到大信噪比时延估计的标准差下限为： ”嫱) l ，2 去南 和小信噪比情况褶院，式倍7 ) 反比子s n r 盼均方根值。 在理论上，最大似然估计器、自适应时延估计法和相位谱法的估计误差 都可达到c p j , b 。但在观察时阕不足够长，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 l b 。 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 c r 下限： 以款船研鼎露 1 ( 2 - 7 ) 2 。4 声压振速联合处理用于量标方位估计的理论基础 流体中的声场是一种很特殊的物理场，它兼有标量场和矢量场的特性。 声场中，任意一点附近的物质状态可用声压罗，密度p 。和余质质点速度矿来 表示。声场中，与质点振速相关的物理量还有质点位移量、质点加速度及声 压梯度勋。以篙谐平面波为例，它们之间具有以下关系阱： _ 矿 a 一一j + a n 瓦,g 一8 ) 一 ， u ”够 飞p * 一 国p i 上式中，i 是质点位移，五是质点加速度，搿是声波角频率，p o 是介质密度。 由式( 2 1 ) 可见，虽然声场中的声压是标量，但与之相联的介质质点位移、振 速及振动加速度则是矢量。由此可知，声场不但具有标量场的属性，同时也 具有矢量场的属性。 声学中，声强是一个十分重要的物理量，它表示了单位时间内垂直通过 某一截面单位面积的声能量，它定义为： i ；t 毋d lf 由1 ( 2 9 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 式中t 是平均时间。声强与声能量直接相联系，是声波强弱的度量，另一方 面声强又是一个矢量，它表示了声能传播的方向，因此，测量声强的方向就 可知道声源的方位。 自水声学问世以来，水声工作者几乎清一色地都利用了声场的标量属性， 而忽略了声场的矢量特性。于是，在水声工程中，几乎无一例外地都使用声 压水听器测听声信号。由于声压是标量，因而单个小尺度声压水听器是无指 向性的，不能用来测量声波的传播方向。也就是说，单个小尺度水听器不能 用来估计目标方位，须用一个水听器阵才能估计目标方位。 振速是矢量，振速方向与传播方向一致，单个振速传感器就能提供声场 的方位信息。将声压水听器和振速传感器和为一体，称为“组合传感器 。它， 可在参x 0 2 量扣x p 2 兰伽x 伽， p ，x 伽，y ，) 等各种组合及相应的变换域 进行信号处理，其中v 为质点振速，p 2 为势能，v 2 为动能，为声强流。 组合传感器同时拾取声场中的声压和振速信息并对它们进行联合处理， 称为声压、振速联合信息处理m 删。利用单个小尺度的组合传感器就可以估计 目标方位嗍，称之目标方位的声压、振速联合估计。 2 4 1 声场中的质点振速 以平面波为例，考察无限流体介质中的质点振速表达式。由声学理论可 知，平面波声压可表示为： 以，f 。= p 。o p 嚣c o s a c o s o + k y 瞄口s i n o + k z s i n a 叫( 2 1 1 0 )-oe x p d u + c o s 口 一甜j 、。 式中k 是波矢量，表示声波传播的方向，它与水平面的夹角为口，它在水平 面内的投影与x 轴的夹角为0 ，口取值范围为l 一以，以l ，0 取值范围为 o， 0 ，纫 。波矢量的值为七；形，是声波的角频率，c 是介质中的声速。在 均匀介质中，声场的运动方程为嘲： 竺+ 土即。0( 2 1 1 ) 1 2 啥尔滨工程大学硕士学僚论文 式中矿是介质质点振速，p o 是介质密度，p 是声压。将( 2 1 0 ) 1 x , ( 2 1 1 ) 式后有： 哥。j 生0 。s 秽c o s a 手- + s i n o c o s 坟万+ s i n 聪芗) ( 2 1 2 ) p o c 。 上式孛；，季，孑是x ，y ，彳轴上酶单位矢量，式 2 - 王2 ) 表霹，平面波静声压与质点振 速三分量之间仅差一个常数，两者的波形则是一样的，因而对平面波来说， 声压与振速是完全相关熬。 由( 2 - 1 2 ) 式，可以得到质点振速的三个分量为： 并有 匕l 淄移鲻窿 p o c ，。p - 生s i n0 c o s a 7 p o c 匕5 卫p o c s i n 口 ( 2 - 1 3 ) 格8 l v _ q l 或秽_ 辔。( 詈) 赢或叫南】 g d 4 由此可见，只要测褥质点振速在水平面内的二个分量魄，y ，就可以由( 2 - 1 4 ) 式 得到声源在水平面内的方位角0 ，这就是矢量水听器确定声源方位的基本原 理。与此类似，有三个速度分量叱， ，：就可得到声源的俯仰角球。 2 4 2 各向同性噪声的声压一振速相关性 设在各向同性噪声场中，存在大量的噪声源藏，每个噪声源互不相关、 各态历经，但在统计意义上有相同的噪声强度，即p ? = 6 ：。又设每个噪声源 的入射方向与水平面的夹角为，入射方向在水平面内的投影与x 轴的夹角 先热，它们是l ，细b 拓】内均匀分布的随机变量。忽略常数因子p 。c ， 哈尔滨程大学硕士学佼论文 由( 2 1 3 ) 式可得到噪声场中声压和质点振速的表达式，这里仪以声压和振速的 x 轴向分量为例进行讨论： p ( f ) 一罗p ；e ) m 圣霰溺最c o s 氇 弘1 5 ) 它们的归一化相关系数为： 专羽硼- 专万荔雨面画( 2 - 1 6 ) o p 。o 夕啭 上式中的横线表示系综平均，口，是声压p 和振速以的标准差。式( 2 一1 6 ) 中，p ；( f ) 的取值可正可负，考虑到各噪声源是互相独立的，因而交叉项的系 综_ 平均应为零，于是得： 去翮。去渺) 吣吣。壶驴酬梦a r 疆仃芦a ，p 拶掰， ( 2 - 1 7 ) 式( 2 圭乃中 ( ) 表示系综平均，同样由予各噪声源是互相独立的，所以式中的 系综平均等于零，这就表明，各向同性噪声场中的声压p 和，。是不相关的。 类似可证，p 和，：，y ，也是不相关的。 各向同性噪声场中声压与振速互不相关这一性质具有重要的意义。王程 上，常将海洋环境噪声视为各向同性干扰噪声，它的声雁和噪声是相互独立 的，丽声源辐射声场昀声压和振速是完全相关的，信号与干扰这一不同性矮， 成为声压振速联合信号处理抗干扰的物理基础。 2 5 矢量传感器测向研究 2 。5 1 矢量传感器抗各向同性干扰一平均声强法 海水介质不是绝对“安静挣的介质，其中存在大量频率不同、强弱不同 的噪声源，它们辐射的噪声构成海洋环境噪声。严格地说，海洋环境噪声不 是各向同性的，不同的频段有不同的指向特性。工程上为了讨论的方便，通 常将海洋环境噪声看成是各向同性的。矢量水听器工作在海洋环境中，它在 接收有用信号的同时，也接收了海洋环境噪声，这是一种于扰，不利于有用 1 4 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 信号的检测。由先前的讨论可以知道，各向同性噪声场中，声压与质点振速 是不相关的，焉声源辐射的相于声场中，声压与质点振速是完全相关的。噪 声场与信号场的这一不同性质，可以用来抗各向同性干扰。 设矢量水听器的输出为声压p 和质点振速v ，它们懑信号与噪声二部分 组成： p ( f ) 一热( f ) + 魏0 ) y ) 一也0 ) + 吒) 0 一重8 ) 式中，p ，匕是信号场的声压与质点振速，由目标声源产生，p 捧，是各向同 性噪声场的声压和质点振速。利用( 2 1 8 ) 式的声压和质点振速，进行平均声强 计算，缛： 羽t 翮= 医万i 硒两习碉 一习陌研+ 习万翮+ 两万翮+ 可陌翮 ( 2 1 9 ) 一翮 上式的横线表示对时间求平均。式( 2 1 9 ) 的结果表明，利用声信号场和各向同 性噪声场声压和质点振速闻相关特性的不同，对矢量水呀器的输臻进行平均 声强计算，可以很好的抗各向同性干扰。这一结论对利用声强法确定声源方 位具有重要意义。 2 5 2 矢量传感器抗各向同性干扰一声压、振速互相关分析 上节讨论了平均声强法抗各向同性干扰的髓能，同时它给出了声强的信 息，本节介绍的声压、振速互相关分析法同样也能抗各向同性干扰。 设矢量永听器溅得声匿罗备) 和振速y ) ； 州一。篙t 叫。t 它们的互相关函数火胛为： 霆爹一如纷y 0 + f ) jg 一2 0 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 注意到式( 3 2 1 ) ，得到： 二r e 竺嚣二襞嬲泼鸪 - 屹仁) + 尺 b ) + 尺 b ) + r p b ) 、7 上式中：“事一号表示取共轭，r 、r p 、r 和r p 为： r 吃g ) 。e 岳，o ) y ：o + f 丹 r t ) e 口，o ) e ( f + f ) ) 尺 b ) 。e 口。( f ) e g + z 磅 r mt ) ；e 口。( f ) v ：( f + f ) ) ( 2 2 2 ) 性质，应有尺mt0 r 儿和r 屹是确知信号和随机信号的互相关函数，如 若随机信号是零均值的，则r n 和r 也应为零，于是： r 一o , r 一or b ) = 尺 匕b ) ( 2 2 3 ) 式( 2 - 2 3 ) 表明，虽然声压p 和振速y 都由信号和噪声两部分组成，但经过互相 关运算后，声压p 和振速 ，的互相关函数r 等于信号声压见和信号振速y ， 的互相关函数尺 ，即达到了抗各向同性干扰的目的。 作为例子，下面考察互相关函数露 p ) ，它等于： 毪咎徽嵋h 盹h 旁l p 2 q = e 访，o ) p 二( f + z 字+ y 二( f + r 坊