水下声基阵信号处理.doc

水声定位技术与发展趋势综述1 引言地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。而水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。水声定位系统由水下声标、船上的声学接收、发射设备组成的定位系统，是水下探测设备的重要组成部分，研究水声定位技术意义重大。2 水声定位技术 迄今为止，水下目标定位跟踪的主要手段仍是依赖于几何原理的水声学定位方法。通常用声基线的距离或激发的声学单元的距离来对声学定位系统进行分类。水声定位系统，根据所实施的原理和测量手段不同，又可分为“方位-方位”、“方位-距离”和“距离-距离”三种测量系统。大部分的长基线、短基线系统都属于后者。距离测量水声定位系统是通过测量水下声源所辐射的声信号从发射到接收所经历的时间及声速来确定声源到各接收点的距离，从而实现对目标进行定位的。根据接收基阵的基线可以将水声定位技术分为三类：长基线(LongBase-Line)、短基线(Short Base-Line)、超短基线(Ultra Short Base-Line)，另外还有一种组合定位系统，下面作详细介绍。2.1超短基线定位系统(SSBLUSBL) 超短基线定位系统(SSBLUSBL)的声基阵由集中安装在一个收发器中的所有声单元 (t3)组成。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方位(垂直和水平 角度)。换能器与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。超短基线定位系统的示意图见图1。 图1 超短基线定位不意图 超短基线定位系统的优点是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。 超短基线定位系统的缺点是需要做大量的校准工作。超短基线定位系统的定位精度也同短基线定位系统一样，随着水的深度和工作距离的增加而降低。 法国Oceano Technology公司生产的posidonia6000型短基线定位系统最大作用距离为8000m，定位精度为作用距离的05一10，1997年开始装备在法国IFREMER水下机器人和深拖系统以及德国GEOMAR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。而Simrd公司研制的HIPAR500型系统的换能器为241个换能器单元组成球形阵，测量精度优于作用距离的02，工作水深达到4000m。新近推出HIPAR700型系统是在HIPAR500的基础上开发的长程声学定位系统，理论推算最大作用距离为8000m，最大工作水深为6000m，定位精度为作用距离的015。 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：系统安装后的校准需要非常准确，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精度一一电罗经、姿态传感器和深度传感器。2.2 短基线定位系统(SBL) 如图2所示，短基线定位系统由3个以上换能器组成，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10m，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测量方法确定。短基线系统的测量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值和不同于这个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GPS、MRU、Gyro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(range/range)。短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易；基于时问测量的高精度距离测量；固定的空间多余测量值；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40m；系统安装时，换能器需在船坞严格校准。图2短基线定位系统示意图2.3 长基线定位系统长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只上的换能器或水下机器人，另一个部分是布放在海底固定位置的应答器(三个以上)。应答器之问的距离构成基线，基线长度按所要求的工作区域及应答作用距离确定，在上百米到几千米之间，相对超短基线、短基线，称为长基线系统。长基线系统是通过测量换能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，即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，但是产生了目标的偏离模糊问题，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(range/range)。 长基线系统的优点：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。长基线的缺点：系统复杂，操作繁琐；数量巨大的声基阵，费用昂贵；需要长时间布设和收回海底声基阵；需要详细对海底声基阵校准测量。 图3长基线定位系统示意图2.4 组合定位系统 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尝试研制出了一些联合式的声学定位系统，如图4所示。组合系统有多种形式，主要是3种声学定位系统的不同组合。例如L/USBL, L/SBL,S/USBL,L/SBL/USBL等等。图4组合定位系统示意图组合系统的最大优点是选取不同系统的优势，提高定位精度、扩大应用范围但是组合系统的设备组成和操作也变得更为复杂，组合系统一般是应用户的特殊需要定制。系统的工作方式是距离测量(range/ range)或距离角度测量(range/angle)。3 水声定位技术的发展趋势 随着人类对海洋的进一步开发，水下定位技术将会向着适用范围更广、精度更高、更简单的方向发展。激光声遥感技术具有机动灵活、覆盖水域广的特点，尤其是一些舰船难以达到的地方其优势更加突出，但精度相对较低。而水声定位系统