声纳原理_声纳系统测距方法.pdf

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1、声纳原理声纳系统测距方法任课教师：杨益新电子邮件：yxyang@nwpu.edu.cn办公电话：88460373办公地址：航海学院322室杨益新1声纳系统的主要任务之一是在测向的同时完成对目标距离的测定。主动声纳测距：利用目标的回波或者是应答信号。被动声纳测距：利用目标声源发出的信号或噪声。本章分主动测距和被动测距来讨论。杨益新2第一节主动测距方法1。脉冲测距法基本原理：利用接收回波和发射脉冲信号间的时间差来测距的方法。利用脉冲法测距时，脉冲重复周期必须大于最大目标距离所对应的信号往返时间，否则会

2、出现所谓的距离模糊。杨益新3脉冲测距法的距离分辨力与脉冲宽度有关。距离分辨力是指在同一方向，声纳能分辨两个目标的最小距离差。能分辨两个目标的条件为：t−t≥τ21能分辨最小目标间距为：要提高距离分辨力必须使脉宽减小。脉冲测距法的测距误差：杨益新4相对误差为：可见，测距误差由测时误差和声速误差引起。通常声速测量误差是主要因素。优点：应用范围广泛，可用于对多个目标进行测距，对固定目标也可以进行距离测量。2。调频信号测距法基本原理：发射调频信号，利用收发信号的频差来测量距离。（一）线性调频信号测距杨益新

3、5设发射机连续、周期地发射瞬时频率为下式表示的线性调频信号：目标距离为R时，接收信号时间延迟杨益新62R当目标和声纳间无相对径向运动时，当≤t≤Tc发射信号与接收信号混频后的差频为2R当T≤t≤T+c差频为：杨益新7可见，和均是距离R的函数。只要测出这两个频率，就可推算出目标距离。当发射信号周期足够大，杨益新8差频分量的瞬时频率满足：此时，总是小于，可用截止频率为的低通和高通滤波器分别让这两个频率分量的信号通过，即可估计出这两个频率分量，从而测出目标距离。定义单位距离的频率数值提高距离分辨力，必须

4、加大调频频偏，减小调频信号周期。存在多普勒频移时，此方法不适用。（二）三角波调频测距杨益新9第二节窄带信号的模糊函数1。信号的多普勒频移声纳与目标间的相对运动会使接收的信号波形发生改变，表现为信号频率的偏移，称之为多普勒频移。t1vt/21t2vt/2vT2杨益新10脉冲前沿回到发射点的时间和目标距离之间的关系：vt12L/cL=1+ctt=11x=v/c221+x脉冲后沿回到发射点的时间和目标距离之间的关系：vt12L/c−2xTL=2+ct+vTt=22221+x2xT脉冲前后沿往返时间差值为

5、：t−t=121+x接收到的脉冲宽度为2xT⎛1−x⎞T1=T−(t1−t2)=T−=⎜⎟T=αT1+x⎝1+x⎠杨益新1122v当时x<<1，α≈(1−x)≈1−2x=1−c2vδ=α=1−δc结论：声纳与目标间的相对运动使得脉宽为T的发射信号经目标反射后，在接收点变为脉宽为αT的信号。当存在传播延迟τ时，接收信号为⎡1⎤⎡1⎤[]s(t)=s(t−τ)=s(t−τ)≈s(1+δ)(t−τ)rT⎢⎥T⎢1⎥T⎣α⎦⎣−δ⎦当信号为窄带时，发射信号的复解析表示式为j2πf0ts(t)=a~(t)e

6、T杨益新12接收信号为：s(t)=a~[(1+δ)(t−τ)]exp[j2πf(1+δ)(t−τ)]r0目标与声纳的相对运动有两个方面的影响，即信号复包络的时间比例变化和载频的移动。复包络的最大失真发生在脉冲信号的后沿，时间偏差为∆t=T⋅2v/c信号带宽为B，信号复包络的变化保持在1/B秒内，那么这种影响可以忽略不计。此时要求：2vT1c<

7、−τ)exp[j2πf(t−τ)]exp[j2πfδ(t−τ)]00=s(t−τ)exp(j2πξ(t−τ))2v其中ξ为多普勒频移。ξ=f0δ=f0c2。信号的模糊函数信号s(t)的模糊函数定义为：∞*−j2πξtχ(τ,ξ)=∫s(t)s(t+τ)edt−∞（一）与匹配滤波器的关系*匹配滤波器的脉冲响应函数：h(t)=s(t−t)t≥00杨益新14τ匹配滤波器对于时延0和频移ξ的回波的响应为0∞y(τ)=s()th(t−τ)dt∫r−∞∞()*[]j2πξ0t=stst+(t+τ−τ)edt∫

8、r00−∞y(τ)=χ(t+τ−τ,−ξ)000通过研究信号模糊函数的特性，可以了解声纳系统匹配滤波处理的效果。（二）与模糊函数有关的概念1、信号的模糊图杨益新152、信号的模糊度图3、固有分辨力ò固有时间分辨力（距离分辨力）ρτ=2τ0ò固有频移分辨力（速度分辨力）ρ=2ξξ04、测量精度ε=τε=ξτ0ξ0杨益新16（三）模糊函数的性质杨益新173。常用主动声纳信号的模糊函数（一）单频矩形脉冲（CW）⎧Aej2πf0tt∈[0,T]s(t)=⎨⎩0其它sin[π(f−f)T]S