（水声工程专业论文）水下运动目标定向原理与工程实现.pdf

西北下业大学硕士学位论文 ab s t r a c t i n t h i s t h e s i s , t h e t h e o r y a n d r e a l i z a t i o n o f d i r e c t i o n f o r u n d e r w a t e r m o v i n g t a r g e t a r e s t u d i e d t h e b a c k g r o u n d , u s e f u l n e s s a n d p r e s e n t s t a t e o f t h e r e s e a r c h w o r k a r e p r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y . t h e n a r r a y d e s i g n a n d t i m e d e l a y e s t i m a t i o n ( t d e ) a l g o r i t h m a r e r e s e a r c h e d . i n t h i s p a p e r , t w o a r r a y s o f in t e r e s t a r e s t u d i e d : f o u r - e l e m e n t c r o s s a r r a y a n d fi v e - e l e m e n t t r i d i m e n s i o n a l a r r a y . t h e d i r e c t i o n t h e o r i e s o f t h e t w o a r r a y s a r e d e r i v e d , a n d t h e i r d i r e c t i o n a c c u r a c y i s a n a l y z e d . t i m e d e l a y e s t i m a t i o n a l g o r i t h m s a r e i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l s . b a s e d o n t h e d e e p r e s e a r c h o f t i m e d e l a y e s t i m a t i o n a l g o r i t h m , a n e w s p e c t r u m d a t a t d e a l g o r i t h m b a s e d o n c o o p e r a n t s i g n a l i s p u t f o r w a r d . t h e s im u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h e n e w a l g o r i t h m s h a v e b e t t e r p e r f o r m a n c e . a c c o r d i n g t o t h e d i r e c t i o n t h e o ry , t h e h a r d w a r e s t r u c t u r e a n d s o ft w a r e d e s i g n a r e d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r , w h ic h u s e s t ms 3 2 0 c 5 4 0 9 d s p a s s i g n a l p r o c e s s i n g m o d u l e t o f a c e n e e d o f o p e r a t i o n s p e e d a n d a c c u r a c y . e v e r y m o d u l e d e s i g n i s i n t r o d u c e d , e s p e c i a l l y s e v e r a l k e y w o r d t e c h n o lo g y i n s i d e . i n t h e e n d , t h e w h o l e s y s t e m d e b u g i n t h e l a b o r a t o r y i s i n t r o d u c e d , a n d t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s o n r e a l d a t a s h o w t h e n e w a l g o r i t h m i s r e l i a b l e . t h i s w o r k i s o n e o f i m p o r t a n t t e s t i n g e q u i p m e n t f o r t h e d e e p b o m b r e s e a r c h a n d e x p e r i m e n t o n l a k e . t h e s y s t e m c a n m e a s u r e t h e d e e p b o m b s u n d e r w a t e r m o v i n g c u r v e , a n d k n o w a b o u t i t s w o r k i n g c o n d i t i o n , w h i c h i s e a s y t o c o n s t a n t l y i m p r o v e o n i t s d e s i g n . k e y w o r d s : u n d e r w a t e r t a r g e t , d i r e c t i o n , a c o u s t i c a r r a y , t i m e d e l a y e s t i m a t i o n , d s p , u n d e r w a t e r m o v i n g c u r v e 1 1 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 第一节 研究背景和意义 本论文是结合 “ 深弹水下运动轨迹测试系统的研究”而展开的。重点研究 了水下运动目 标定向算法及其工程实现。 水下声制导技术是利用声学与电子装置接收目标声波， 并通过信号处理以确 定水下声源位置的一种技术， 可用于水下运动目 标如潜艇、 鱼雷等军事月标的探 测、定位和制导等，是一种重要的水下目 标航迹测试手段。 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， 主要用 于攻击潜艇。 按其装备对象的不同， 可分为舰用深水炸弹和航空深水炸弹两大类。 深水炸弹是一种传统的反潜武器， 但是问世不久就改变了其单纯的反 潜宗旨， 它 不仅用于反潜， 而且也成为用炸弹来开辟舰艇航道的优选装备， 使深水炸弹具备 了双重功能。为了提高火箭末制导深弹 简称深弹) 入水后的命中概率， 可以利 用水下运动目 标产生的辐射噪声， 来引导入水后的深弹， 在下沉过程中，自 动接 近目 标。 该技术可有效地提高深弹入水后的命中概率和杀伤力。 这是因为在深弹 中， 增加了声呐测向功能后， 入水后的深弹， 就具有被动声制导和智能深弹的功 能。深弹可依据声呐测得的方向， 操纵尾舵，自 动接近目 标。从而，使深弹成为 一科 。智能化的水声对抗器材。在未来海战中，将会发挥更加重要的作用。 深弹水下运动轨迹外测系统作为深弹研制过程中的一个辅助系统， 对深弹的 后期研制具有重要的作用， 它能在各种实验中观测深弹的水下运动轨迹， 从而了 解深弹的水下工作性能及存在的问题， 以便不断改进和优化深弹设计方案， 最终 达到实际作战要求。 第二节 声定位技术的发展 声学定位技术的发展速度非常快， 其应用也越来越广泛。 声学定位系统的类 型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， 不 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 第一节 研究背景和意义 本论文是结合 “ 深弹水下运动轨迹测试系统的研究”而展开的。重点研究 了水下运动目 标定向算法及其工程实现。 水下声制导技术是利用声学与电子装置接收目标声波， 并通过信号处理以确 定水下声源位置的一种技术， 可用于水下运动目 标如潜艇、 鱼雷等军事月标的探 测、定位和制导等，是一种重要的水下目 标航迹测试手段。 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， 主要用 于攻击潜艇。 按其装备对象的不同， 可分为舰用深水炸弹和航空深水炸弹两大类。 深水炸弹是一种传统的反潜武器， 但是问世不久就改变了其单纯的反 潜宗旨， 它 不仅用于反潜， 而且也成为用炸弹来开辟舰艇航道的优选装备， 使深水炸弹具备 了双重功能。为了提高火箭末制导深弹 简称深弹) 入水后的命中概率， 可以利 用水下运动目 标产生的辐射噪声， 来引导入水后的深弹， 在下沉过程中，自 动接 近目 标。 该技术可有效地提高深弹入水后的命中概率和杀伤力。 这是因为在深弹 中， 增加了声呐测向功能后， 入水后的深弹， 就具有被动声制导和智能深弹的功 能。深弹可依据声呐测得的方向， 操纵尾舵，自 动接近目 标。从而，使深弹成为 一科 。智能化的水声对抗器材。在未来海战中，将会发挥更加重要的作用。 深弹水下运动轨迹外测系统作为深弹研制过程中的一个辅助系统， 对深弹的 后期研制具有重要的作用， 它能在各种实验中观测深弹的水下运动轨迹， 从而了 解深弹的水下工作性能及存在的问题， 以便不断改进和优化深弹设计方案， 最终 达到实际作战要求。 第二节 声定位技术的发展 声学定位技术的发展速度非常快， 其应用也越来越广泛。 声学定位系统的类 型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， 不 第一章 绪论 同的声学定位系统有着不同的工作原理和方式，而定位精度也有所不同。表 1 . 1 所示为目 前应用的主要三类声学定位系统。 分类声基线长度 超短基线一s s b l / u s b l ( s u p e r / u l t r a s h o r t b a s e l i n e ) 1 0 c m 短基线一s b l ( s h o r t b a s e l i n e )2 0 -5 0 m 长基线一l b l ( l o n g b a s e l i n e )1 0 0 一6 0 0 0 m 表1 . 1 声学定位系统 超短基线定位系统所有声单元( 大于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) 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。以上参数的测定中，垂直角 和距离的测定受声速的影响特别大， 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， 借以提高垂 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、姿态以及船赠向，这可以由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。 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 赖于外围设备精度电罗经、姿态传感器和深度传感器。 短基线定位系统山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 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g p s , m r u , g y r o 提供的船的位置、姿态、船脂向值， 西北工业大学硕士论文 计算得到目 标的大地坐标。 系统的工作方式是距离测量。 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4 0 m ;系统安装时，换能器需在船坞严格校准。 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收发器或 水下机器人， 另一个部分是一系列己知位置的固定在海底上的应答器， 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， 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。 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。 组合定位系统有多种形式， 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，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 或距离角度测 量。 声学定位系统具有广泛的用途，主要包括:海洋工程海洋油气开发、 海底光缆管线铺设及维护等工程， 提供水下导航定位技术支持; 大洋调查 利用深拖设备如r o v , u u v , a u v 等进行深海矿产资源的 探测和开发;国防建设一 潜艇、 水面舰只的调遣、 作战航行离不开导航定位， 特别对潜艇来说， 仅仅 依靠无线电、g p s ,惯性导航是不够的，而使用声学定位系统导航，再配合电子 海图，则可以大大提高潜艇的作战能力:其他方面海洋灾害性地质研究、 第一章 绪论 水下考古探测等，需要声学定位系统为其资料提供准确的空间位置。 不同的声学定位系统有着不同的工作原理和方式，而定位精度也有所不同， 长基线的定位精度最高， 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。 今后， 随着计算机技术、电子技术、 信号 处理技术、 机械工艺、 测量技术的发展，声学定位的定位精度会不断提高，完全 可以 满足人类开发利用海洋的要求川 。 第三节 国内外研究现状 1 . 3 . 1 国内 技术现状 ， 国内已 有成熟的声学定位技术， 但不能满足长距离的定位需要。 哈尔滨工程 大学已研制出三种超短基线定位系统: “ 深水重潜装潜水员超短基线定位系统、 “ 探索者”号水下机器人超短基线定位系统; “ 灭雷具配套水声跟踪定位装置” 。 前两种都是简易的系统， 仅用于近程的特殊使用场合， 最后一种是型号产品， 该 系统的显著优点是浅海定位性能优良， 即使对于水平方向( 目标俯仰角为0 0) 的 目 标，定位精度仍优于3 % 斜距， 浅海作用距离达到am ， 可实时给出3 个目 标的 轨迹。 这些系统由于种种原因，没有推向市场。中科院声学所、厦门大学、 6 9 7 1 厂、国家海洋局海洋技术研究所等单位在声学定位技术领域都进行过广泛研究。 1 . 3 . 2 国外技术现状 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 g s 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方及民用。 法国o c e n o t e c h n o l o g i e s 公司于 1 9 9 7 年推出的 p o s i d o n i a 6 0 0 0长程超短基线定位系统，工作水深6 0 0 0 m，最大作用 距离8 0 0 0 m ，在6 0 0 0 m 水深、 3 0 “开角范围内， 测距精度为0 5 % 斜距， 询问频率 为8 - v 1 4 k h z ， 应答频率为1 4. 1 8 k h z ， 该系统己 经成功地推向 市场。 此外， 英国 的 s o n a r d y e 公司， 是一家专门 从事生产水下声学仪器设备的厂家， 其产品也涵 盖三种类型。 另外， 澳大利亚的n a u t r o n i x 公司、 美国的o r e公司也从事声学定 第一章 绪论 水下考古探测等，需要声学定位系统为其资料提供准确的空间位置。 不同的声学定位系统有着不同的工作原理和方式，而定位精度也有所不同， 长基线的定位精度最高， 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。 今后， 随着计算机技术、电子技术、 信号 处理技术、 机械工艺、 测量技术的发展，声学定位的定位精度会不断提高，完全 可以 满足人类开发利用海洋的要求川 。 第三节 国内外研究现状 1 . 3 . 1 国内 技术现状 ， 国内已 有成熟的声学定位技术， 但不能满足长距离的定位需要。 哈尔滨工程 大学已研制出三种超短基线定位系统: “ 深水重潜装潜水员超短基线定位系统、 “ 探索者”号水下机器人超短基线定位系统; “ 灭雷具配套水声跟踪定位装置” 。 前两种都是简易的系统， 仅用于近程的特殊使用场合， 最后一种是型号产品， 该 系统的显著优点是浅海定位性能优良， 即使对于水平方向( 目标俯仰角为0 0) 的 目 标，定位精度仍优于3 % 斜距， 浅海作用距离达到am ， 可实时给出3 个目 标的 轨迹。 这些系统由于种种原因，没有推向市场。中科院声学所、厦门大学、 6 9 7 1 厂、国家海洋局海洋技术研究所等单位在声学定位技术领域都进行过广泛研究。 1 . 3 . 2 国外技术现状 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 g s 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方及民用。 法国o c e n o t e c h n o l o g i e s 公司于 1 9 9 7 年推出的 p o s i d o n i a 6 0 0 0长程超短基线定位系统，工作水深6 0 0 0 m，最大作用 距离8 0 0 0 m ，在6 0 0 0 m 水深、 3 0 “开角范围内， 测距精度为0 5 % 斜距， 询问频率 为8 - v 1 4 k h z ， 应答频率为1 4. 1 8 k h z ， 该系统己 经成功地推向 市场。 此外， 英国 的 s o n a r d y e 公司， 是一家专门 从事生产水下声学仪器设备的厂家， 其产品也涵 盖三种类型。 另外， 澳大利亚的n a u t r o n i x 公司、 美国的o r e公司也从事声学定 西北丁业大学硕十论文 位系统的技术研究及产品开发。多数的声学定位系统采用声脉冲群定位技术 ( t o n e b u r s t r a n g in g t e c h n i q u e s ) ， 该 技 术 是 用固 定 的 频率 按一 定的 探 测 方向 发 射， 所有用此技术的定位系统都使用正的信噪比， 这种技术容易降 低信噪比， 使系统 探测的范围及精度降低。现在有些公司， 如n a u t r o n i x , s o n a r d y e 等公司正在试 验或已经初步开发了一种称为扩展频谱定位技术( s p r e a d s p e c t r u m r a n g i n g t e c h n i q u e s ) ， 相对于声 脉冲群距离修正 技术， 该 技术可以 将 信噪比 提高6 -1 2 d b , 使用这项技术可以得到亚米级的距离测量分辨率，并且对水面的噪声要求不严; 另外一些公司， 如 k o n g s b e r g s i m r a d公司， 使用波束 控制( b e a m s t e e r i n g ) 、 零控 ( n u l l s t e e r i n g ) 、自 适应噪声消除( a d a p t i v e n o i s e c a n c e l i n g ) 、声学栅隔( a c o u s t i c b a f fl e s ) 等技术己经开发或正在试验新的产品。 第四节 论文主要工作 本论文所做的主要工作有: 1 .对四元十字阵和五元立体阵目 标定向原理和算法进行了 研究，比较了两 种基阵定向算法的性能。 2 .根据定向 算法， 研究了各种时延算法口对其中的相位数据时延估计算法 进行了重点分析，提出了一种新的基于合作日 标信号相位数据的时延估计算法。 3 .系统的软件和硬件设计与调试。在实验室进行了整体联调。 4 .湖上数据仿真。 应用湖上实测得到的数据，对新算法进行了仿真，证明 了算法的可行性。 第五节论文主要内容及结构安排 本文结构安排如下: 第一章， 绪论。 主要介绍了本论文研究的背景和意义， 历史发展以及国内外 研究现状。 第二章，水下合作日 标定向原理与算法。论述了十字阵定向的原理和算法。 推导了基于四元十字阵和五元立体阵的目 标定向公式; 对两种基阵的定向精度进 西北丁业大学硕十论文 位系统的技术研究及产品开发。多数的声学定位系统采用声脉冲群定位技术 ( t o n e b u r s t r a n g in g t e c h n i q u e s ) ， 该 技 术 是 用固 定 的 频率 按一 定的 探 测 方向 发 射， 所有用此技术的定位系统都使用正的信噪比， 这种技术容易降 低信噪比， 使系统 探测的范围及精度降低。现在有些公司， 如n a u t r o n i x , s o n a r d y e 等公司正在试 验或已经初步开发了一种称为扩展频谱定位技术( s p r e a d s p e c t r u m r a n g i n g t e c h n i q u e s ) ， 相对于声 脉冲群距离修正 技术， 该 技术可以 将 信噪比 提高6 -1 2 d b , 使用这项技术可以得到亚米级的距离测量分辨率，并且对水面的噪声要求不严; 另外一些公司， 如 k o n g s b e r g s i m r a d公司， 使用波束 控制( b e a m s t e e r i n g ) 、 零控 ( n u l l s t e e r i n g ) 、自 适应噪声消除( a d a p t i v e n o i s e c a n c e l i n g ) 、声学栅隔( a c o u s t i c b a f fl e s ) 等技术己经开发或正在试验新的产品。 第四节 论文主要工作 本论文所做的主要工作有: 1 .对四元十字阵和五元立体阵目 标定向原理和算法进行了 研究，比较了两 种基阵定向算法的性能。 2 .根据定向 算法， 研究了各种时延算法口对其中的相位数据时延估计算法 进行了重点分析，提出了一种新的基于合作日 标信号相位数据的时延估计算法。 3 .系统的软件和硬件设计与调试。在实验室进行了整体联调。 4 .湖上数据仿真。 应用湖上实测得到的数据，对新算法进行了仿真，证明 了算法的可行性。 第五节论文主要内容及结构安排 本文结构安排如下: 第一章， 绪论。 主要介绍了本论文研究的背景和意义， 历史发展以及国内外 研究现状。 第二章，水下合作日 标定向原理与算法。论述了十字阵定向的原理和算法。 推导了基于四元十字阵和五元立体阵的目 标定向公式; 对两种基阵的定向精度进 西北丁业大学硕十论文 位系统的技术研究及产品开发。多数的声学定位系统采用声脉冲群定位技术 ( t o n e b u r s t r a n g in g t e c h n i q u e s ) ， 该 技 术 是 用固 定 的 频率 按一 定的 探 测 方向 发 射， 所有用此技术的定位系统都使用正的信噪比， 这种技术容易降 低信噪比， 使系统 探测的范围及精度降低。现在有些公司， 如n a u t r o n i x , s o n a r d y e 等公司正在试 验或已经初步开发了一种称为扩展频谱定位技术( s p r e a d s p e c t r u m r a n g i n g t e c h n i q u e s ) ， 相对于声 脉冲群距离修正 技术， 该 技术可以 将 信噪比 提高6 -1 2 d b , 使用这项技术可以得到亚米级的距离测量分辨率，并且对水面的噪声要求不严; 另外一些公司， 如 k o n g s b e r g s i m r a d公司， 使用波束 控制( b e a m s t e e r i n g ) 、 零控 ( n u l l s t e e r i n g ) 、自 适应噪声消除( a d a p t i v e n o i s e c a n c e l i n g ) 、声学栅隔( a c o u s t i c b a f fl e s ) 等技术己经开发或正在试验新的产品。 第四节 论文主要工作 本论文所做的主要工作有: 1 .对四元十字阵和五元立体阵目 标定向原理和算法进行了 研究，比较了两 种基阵定向算法的性能。 2 .根据定向 算法， 研究了各种时延算法口对其中的相位数据时延估计算法 进行了重点分析，提出了一种新的基于合作日 标信号相位数据的时延估计算法。 3 .系统的软件和硬件设计与调试。在实验室进行了整体联调。 4 .湖上数据仿真。 应用湖上实测得到的数据，对新算法进行了仿真，证明 了算法的可行性。 第五节论文主要内容及结构安排 本文结构安排如下: 第一章， 绪论。 主要介绍了本论文研究的背景和意义， 历史发展以及国内外 研究现状。 第二章，水下合作日 标定向原理与算法。论述了十字阵定向的原理和算法。 推导了基于四元十字阵和五元立体阵的目 标定向公式; 对两种基阵的定向精度进 第一章 绪论 行了理论分析和计算机仿真。 第三章， 时延估计算法研究。 介绍了各种时延估计算法，并在相位数据时延 估计理论算法的基础上， 提出了一种新的基于合作目 标信号相位数据的时延估计 算法，最后进行了算法性能仿真。 第四章， 系统硬件工程实现。 主要介绍了系统各部分硬件模块设计方案， 具 体包括前置预处理模块的设计， d s p 信号处理模块的设计， c p i. d 的逻辑设计， 数 据输出模块设计等。 第五章，系统软件工程实 现。 软件设计主要包括t m s 3 2 0 c 5 4 x c 语言与汇编 语言的混合编程，f f t 优化算法的实现，5 1 单片机串口通信程序设计以及p c 机 上应用软件的编制。 第六章， 湖_ l 试验数据分析。 主要介绍了整个系统实验室联调情况和湖上试 验数据的仿真结果。 最后对全文作了总结。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 水下合作目标定向原理与算法 水下目标定向是利用声传感器阵列和电子装置接收目标信号， 通过计算声信 号 到达不同声传感器阵元的时间延迟， 来估计目 标方位的一种技术。 合作目 标定 向系统可分为合作目 标、 声传感器阵列、 信号处理和数据处理等部分。 合作目 标 即是被测量的目 标， 但它能发射用于测量的合作信号。 声传感器阵列在空间布设 成一定的几何形状， 对合作信号进行取样， 获得目 标的原始数据。 信号处理部分 把接收到的采样信号，转变成能反映目 标声场特征的有用信号， 形成观测数据。 基本的观测量有:相位、 时延、频率、多谱勒频移以及目 标方位等。数据处理部 分是把观测量变换成目 标的位置参数:方位、距离、航向、速度等。 声传感器阵列的设计在声定向中具有十分重要的意义，如何设计性能优良、 结构简单合理的声阵是声定向的关键技术之一。 传统的定向系统中， 线阵方法只 能确定其中的二维参量一距离和俯仰角， 且仰角有模糊现象; 同时在二维定向中， 当目 标在线阵的端射方向时， 将失去测距能力， 因而对水下目 标的定向， 探测阵 采用平面阵是一种常用方案 l 。 本章介绍了基于四 元十字形声传感器阵列的目 标 定向方程， 并在此基础上介绍了五元立体阵的目 标定向算法， 最后就两种阵的定 向精度进行了分析和计算机仿真。 第一 节 两种基阵定向原理与算法 声传感器阵列的设计在声定向中具有十分重要的意义。 采用的传声器阵列可 分为线阵、 面阵和立体阵。 对于固定式阵列， 线阵只能对以阵列所在直线为界的 半个平面进行定向， 否则解不唯_l 。 立体阵可以 对整个空间 进行定向， 但其算 法比较复杂。 面阵可以在整个平面对目 标进行定向， 也可以对阵列所在平面为界 的半个空间进行定向。由于定向系统布设于水面下，目 标的运动范围在定向系统 下方，因此采用面阵是可行的。由n个声传感器阵元组成的阵列，可以得到n -1 个独立的时延，水下运动目 标对于声定向系统来说可以看成点目 标， 有三个 自由度。因此，要对目 标进行定向，至少需要四个阵元组成的声传感器阵列。由 西北工业大学硕士学位论文 第二章 水下合作目标定向原理与算法 水下目标定向是利用声传感器阵列和电子装置接收目标信号， 通过计算声信 号 到达不同声传感器阵元的时间延迟， 来估计目 标方位的一种技术。 合作目 标定 向系统可分为合作目 标、 声传感器阵列、 信号处理和数据处理等部分。 合作目 标 即是被测量的目 标， 但它能发射用于测量的合作信号。 声传感器阵列在空间布设 成一定的几何形状， 对合作信号进行取样， 获得目 标的原始数据。 信号处理部分 把接收到的采样信号，转变成能反映目 标声场特征的有用信号， 形成观测数据。 基本的观测量有:相位、 时延、频率、多谱勒频移以及目 标方位等。数据处理部 分是把观测量变换成目 标的位置参数:方位、距离、航向、速度等。 声传感器阵列的设计在声定向中具有十分重要的意义，如何设计性能优良、 结构简单合理的声阵是声定向的关键技术之一。 传统的定向系统中， 线阵方法只 能确定其中的二维参量一距离和俯仰角， 且仰角有模糊现象; 同时在二维定向中， 当目 标在线阵的端射方向时， 将失去测距能力， 因而对水下目 标的定向， 探测阵 采用平面阵是一种常用方案 l 。 本章介绍了基于四 元十字形声传感器阵列的目 标 定向方程， 并在此基础上介绍了五元立体阵的目 标定向算法， 最后就两种阵的定 向精度进行了分析和计算机仿真。 第一 节 两种基阵定向原理与算法 声传感器阵列的设计在声定向中具有十分重要的意义。 采用的传声器阵列可 分为线阵、 面阵和立体阵。 对于固定式阵列， 线阵只能对以阵列所在直线为界的 半个平面进行定向， 否则解不唯_l 。 立体阵可以 对整个空间 进行定向， 但其算 法比较复杂。 面阵可以在整个平面对目 标进行定向， 也可以对阵列所在平面为界 的半个空间进行定向。由于定向系统布设于水面下，目 标的运动范围在定向系统 下方，因此采用面阵是可行的。由n个声传感器阵元组成的阵列，可以得到n -1 个独立的时延，水下运动目 标对于声定向系统来说可以看成点目 标， 有三个 自由度。因此，要对目 标进行定向，至少需要四个阵元组成的声传感器阵列。由 第_章 水 下 合作目 标定向原理 与算法 于十字形阵具有分维特性， 且阵列冗余度较小， 因此， 十字阵是较为合适的阵形。 本节重点介绍了两种基阵定向算法。 2 . 1 .1四 元十 字阵 的目 标定向 算 法:i1 如图2 . 1 所示，十字形声传感器阵列，由 两个相互正 交的线阵s , , s 3 和s 2 , s ; 组成， 线阵的阵元间距为d ，以两线阵的交点为坐标原点。四阵元的直角坐标 分别为:s i ( d l 2 , 0 , 0 ) , s 2 ( 0 , d / 2 , 0 ) , s 3 ( - d / 2 , 0 , 0 ) , s 4 ( 0 ,- d / 2 , 0 ) ，设目 标声源 t 的直角坐标为( x , y , z ) ， 球坐标为 ( r , v , 内。即目 标t到 坐标原点的距离为: ， 方位角为卯 ，俯仰角为。 。 图z . 1四元十字阵阵元分布示意图 当目 标声源t离阵中心的距离比阵元间距大的多时，可以假设目 标 t为点 声源， 并以 球面波形式 进行传播。 设声 源到达阵元 s , 的 传播时间 为t , ， 到 达阵 元s 2 , s 3 , s ; 与 相 对 于 到 达 阵 元s ， 的 时 间 延 迟 ( 以 下 简 称 时 延 ) 分 别 为: 12 t 13 t 14 ， 则声 源传 播到s 2 , s 3 , s ; 与 传 播到s . 的 程 差分 别为 丸 、d ,试 j : t 12 c r 13 c t 1 4 c ( 2 . 1 ) 式中，c为水中平均声速。 设目 标声源t相对于基阵坐标原点的单位向量为t ， 则 t= s i n o c o s o - i + s i n o s i n op - j + c o s o - k ( 2 . 2 ) 阵元s 2 , s 3 , s 4 相对于阵元s , 的向量表示分别为: 第_章 水 下 合作目 标定向原理 与算法 于十字形阵具有分维特性， 且阵列冗余度较小， 因此， 十字阵是较为合适的阵形。 本节重点介绍了两种基阵定向算法。 2 . 1 .1四 元十 字阵 的目 标定向 算 法:i1 如图2 . 1 所示，十字形声传感器阵列，由 两个相互正 交的线阵s , , s 3 和s 2 , s ; 组成， 线阵的阵元间距为d ，以两线阵的交点为坐标原点。四阵元的直角坐标 分别为:s i ( d l 2 , 0 , 0 ) , s 2 ( 0 , d / 2 , 0 ) , s 3 ( - d / 2 , 0 , 0 ) , s 4 ( 0 ,- d / 2 , 0 ) ，设目 标声源 t 的直角坐标为( x , y , z ) ， 球坐标为 ( r , v , 内。即目 标t到 坐标原点的距离为: ， 方位角为卯 ，俯仰角为。 。 图z . 1四元十字阵阵元分布示意图 当目 标声源t离阵中心的距离比阵元间距大的多时，可以假设目 标 t为点 声源， 并以 球面波形式 进行传播。 设声 源到达阵元 s , 的 传播时间 为t , ， 到 达阵 元s 2 , s 3 , s ; 与 相 对 于 到 达 阵 元s ， 的 时 间 延 迟 ( 以 下 简 称 时 延 ) 分 别 为: 12 t 13 t 14 ， 则声 源传 播到s 2 , s 3 , s ; 与 传 播到s . 的 程 差分 别为 丸 、d ,试 j : t 12 c r 13 c t 1 4 c ( 2 . 1 ) 式中，c为水中平均声速。 设目 标声源t相对于基阵坐标原点的单位向量为t ， 则 t= s i n o c o s o - i + s i n o s i n op - j + c o s o - k ( 2 . 2 ) 阵元s 2 , s 3 , s 4 相对于阵元s , 的向量表示分别为: 西北工业大学硕士学位论文 - d l 2 , i + d l 2 1 - 2 d - i - d l 2 . i 一 d / 2 . j ( 2 3) 子陆卜1险 由 于采用了 远场平面波假设， 以阵元s ， 为参考阵元时，目 标到阵元s 2 , s 3 , s 4 的声程差为: - d / 2 s i n o c o s rp + d / 2 s i n 0 s i n p - d s i n o c o s o - d / 2 s i n 0 c o s (p 一 d / 2 s i n b s i n (p ( 2 , 4) 僻 由 ( 2 .4 ) 式可得 ta rt (p 、 . dam- 12 d 1 3 sin 9 、 d (d14 - d 2)2 1 d13 d 12 + d ,， 二 d ( 2 . 5 ) ( 2 .6 ) ( 2 .7 ) 将( 2 . 1 ) 式代入( 2 . 5 ) , ( 2 . 6 ) 和( 2 .7 ) 式， 可得目 标的方位角和俯仰角及时延之间 的关系为: op 、 a t a n ( 互 止 竺 立 ) t , 3 ( 2 . 8 ) 9 z arcsn t(号 v (,-,4 一 、2)2 + 、322)2 + t13 ) ( 2 .9 ) t 1 2 + t 14 = t 13 ( 2 . 1 0 ) 式中，0 0 - b - 9 0，- 3 6 0 0 . 由 ( 2 . 8 ) 式和( 2 .9 ) 式， 可以 看出四元十字阵方位角估计只与时延比 值有关; 而俯仰 角估计除了与时延有关， 还与平均声速c和阵元间距d 有关，即平均声速c和阵 元间距d的测量误差会使俯仰角估计精度受到影响。 2 . 1 . 2五元立体阵的目 标定向算法川 四元十字阵定向算法， 对方位角的估计只取决于阵元间时延的比 值， 与平均 声 速无关; 而俯仰角 估计与 平均声 速有关。 俯仰角 之所以 和平均声 速有关， 由 ( 2 .4 ) 式可见， 是因为任两声程差的比值均与俯仰角0 无关，因而无法由声程差的比值 西北工业大学硕士学位论文 - d l 2 , i + d l 2 1 - 2 d - i - d l 2 . i 一 d / 2 . j ( 2 3) 子陆卜1险 由 于采用了 远场平面波假设， 以阵元s ， 为参考阵元时，目 标到阵元s 2 , s 3 , s 4 的声程差为: - d / 2 s i n o c o s rp + d / 2 s i n 0 s i n p - d s i n o c o s o - d / 2 s i n 0 c o s (p 一 d / 2 s i n b s i n (p ( 2 , 4) 僻 由 ( 2 .4 ) 式可得 ta rt (p 、 . dam- 12 d 1 3 sin 9 、 d (d14 - d 2)2 1 d13 d 12 + d ,， 二 d ( 2 . 5 ) ( 2 .6 ) ( 2 .7 ) 将( 2 . 1 ) 式代入( 2 . 5 ) , ( 2 . 6 ) 和( 2 .7 ) 式， 可得目 标的方位角和俯仰角及时延之间 的关系为: op 、 a t a n ( 互 止 竺 立 ) t , 3 ( 2 . 8 ) 9 z arcsn t(号 v (,-,4 一 、2)2 + 、322)2 + t13 ) ( 2 .9 ) t 1 2 + t 14 = t 13 ( 2 . 1 0 ) 式中，0 0 - b - 9 0，- 3 6 0 0 . 由 ( 2 . 8 ) 式和( 2 .9 ) 式， 可以 看出四元十字阵方位角估计只与时延比 值有关; 而俯仰 角估计除了与时延有关， 还与平均声速c和阵元间距d 有关，即平均声速c和阵 元间距d的测量误差会使俯仰角估计精度受到影响。 2 . 1 . 2五元立体阵的目 标定向算法川 四元十字阵定向算法， 对方位角的估计只取决于阵元间时延的比 值， 与平均 声 速无关; 而俯仰角 估计与 平均声 速有关。 俯仰角 之所以 和平均声 速有关， 由 ( 2 .4 ) 式可见， 是因为任两声程差的比值均与俯仰角0 无关，因而无法由声程差的比值 第二章 水 f 合作目 标定向原理与算法 导出俯仰角e 的估计值如 。造成这一问 题的根本原因 在于阵元分布在同一个片面 内， 任意两阵元向量在z轴方向分量为零， 这预示着采用三维布阵可以解决这一 问题，下面介绍一种五元立体阵的情形。 五元立体形阵列是在四元阵的中心下方增加一个声传感器构成的。 建立如图 2 .2所示的直角坐标系，五阵元所在位置的直角坐标分别为:s t ( 4 ,o , d / 2 ) , s z ( d / 2 ,0 , 0 ) , s 3 ( 0 , d / 2 , 0 ) , s 4 ( - d / 2 , 0 , 0 ) , s ; ( 0 ,- d / 2 , o ) ，目 标声源t的直角坐 标为( x , y , z ) o目 标t 到坐标原点的距离为; ，方位角为(p ， 俯仰角为b o m 2 . 2五兀立体阵阵7 分布示意图 假设目 标声源t以 球面波形式进行传播，到达阵 元s 2 , s 3 , 到 达阵元s . 的时延分别为: ， : 、t 13 t 5 ; 和: 15 。阵 元.s 2 . s 3 , s 4 . s 1 的向量表示分别