单矢量传感器多普勒被动定位方法-研究

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1、第l章绪论第1章绪论1．1立题背景和意义随着科学技术的发展，特别是随着陆地上资源的快速消耗和对能源的需求，这就促进了水声技术和水声设备的快速发展。声纳是英文“sonar”的音译，它的全称是“SoundNaVigationa11dRanging”，即声音导航与测距川。在水中进行观察和测量，大部分的观测手段作用距离有限，只有声波具有得天独厚的条件。事实上，英文“soulld”同时具有“声”和“探测”的含义，可见，声与探测具有密切关系。狭义上的声纳仅指水声探测的设备，而广义上来讲，它还包括了水声探测的技术和方法旺1。通常而言，水声探测手段可以分为主动方式和被动方式

2、。主动方式需要对探测目标发射声脉冲信号，利用目标的回波信号进行探测p1。然而发射的声脉冲同样可以被对方探测到，从而将自身的位置暴露，威胁自身的安全；但对于被动探测手段，由于它所利用的是目标自身辐射的声波信息，自身并不发射声脉冲，因而能够很好的克服这一缺点，具有更强的隐蔽性。水下目标工作时辐射出的声波信号携带有目标的特征信息，通过水介质到达接收传感器或传感器阵，对接收到的声场信息利用水声设备进行处理，从而确定是否有目标存在、估计目标的状态参数、识别目标种类、或者恢复目标发出的源信息，这就是水声被动探测系统工作的全过程H。在现代水声工程领域中，舰船、水下航行器仍

3、然占据着重要的地位，所以，世界各国对这些目标特性的研究纷纷投入了巨大的人力、物力。舰船辐射噪声包含了大量的舰船特征信息，是这些目标的重要性能标志，尤其是它的线谱成分，对这些目标的特征具有代表性p1。目标运动分析(TargetMotionAnalysis，TMA)是新发展起来的一种被动定位方法，它通过利用多次观测的数据进行信息综合，结合方位、频率、多普勒频移、距离等信息来估计目标的运动参数，从而拟合出目标的运动轨迹归¨”。本文即是通过提取辐射噪声中线谱分量所携带的方位和频率信息，采用方位——多普勒频移的TMA喁删方法解算目标的运动参数。传统的水声定位技术多采用

4、多个阵元接收的信号来获得目标的位置信息，例如长基线、短基线和超短基线水声定位技术等¨01。而矢量传感器可以同时、共点接收水下声场的声压(标量)和振速(矢量)信息，利用单个矢量传感器就可以估计出目标的方位¨u¨⋯，并且单矢量传感器的尺寸和重量小，布放方便，研究单矢量传感器被动定位技术满足硬件规模小的要求，可适用于小型工作平台。目前，基于单矢量传感器的多普勒被动定位技术在国外文献上尚未见有报导，文献上所见的多普勒被动定位技术均采用多阵元大基哈尔滨工程大学硕士学位论文阵，它们不适合应用于小型工作平台，所以这项研究还是具有一定意义的。本文利用单矢量传感器接收舰船目标

5、的辐射噪声，通过对接收到的辐射噪声进行信号处理，估计出它的频率序列和方位序列，解算出目标的运动参数，从而实现对目标的被动定位。1．2被动定位技术概况声纳的雏形可以追溯到1490年，意大利的科学家达·芬奇利用一根长管听到了远处航船的声音¨“。直到1906年，英国海军的李维斯·理查森发明了第一步声纳仪用来探测冰山。在第一次世界大战期问，这项技术被用来侦测隐藏在水下的水下航行器。到第二次大战的初期，声纳技术又有了较大的发展，水声探测设备和回声定位设备被广泛应用于舰艇上¨⋯。之后进入冷战时期，西方海军为了消弱前苏联水下航行器的威胁，致力于发展被动声纳站来监听水下航行

6、器噪声¨5。。自20世纪60年代开始，随着科学技术的进步，依托于水声信号处理的被动声纳定位技术取得了飞速的发展。目前发展起来的被动定位方法主要有三种：三元阵法¨61，匹配场处理(MatchedFieldProcessing，MFP)⋯181和目标运动分析(TargetMotionAnalysis，TMA)‘啡川。三元阵法通过测量目标到达三个基元的相位差或时延差来估计目标的距离和方位。它的测距精度与时延估计精度、目标距离、目标方位、基阵孔径和基阵安装精度等因素有关，其中关键是时延估计精度口¨。三元阵法被动定位是通过布放多个水昕器组成基阵来实现的，而在小型工作平

7、台上，实现多水听器的布阵是很困难的。匹配场处理技术(MFP)的思想很早就已经产生了，但限于科学技术和一些相关理论的发展，直到最近几十年来，才成为水声信号处理领域的研究热点。这种处理方法将声源、信道、接收端这三者视作一个有机整体，在传统水声信号阵列处理的基础上引入了声源和信道的物理特性，因而在传统阵列处理方法失效时依然有较高的可靠性。在声源、水下声场信道和接收水听器阵三者之中，若已知两者，就可以根据接收阵的实际测量声场与接收阵的理论预测声场二者的匹配性估计出第三个参数口21。预测声场需要通过构建声传播模型，在不同边界条件和波导性质下求解波动方程来获得，它的准确

8、性直接关系到MFP的性能。常用的传播模型有：射线理论