T-R型双基地声纳定位算法及系统精度研究

根据T-R型双基地声纳定位的几何模型,提出利用时延-方位信息进行目标定位的双基地声纳时间方位定位(bistatic time-bearing-localization,BTBL)算法,并给出了算法定位误差的几何分布。通过数值仿真,研究了基线长度、时间测量误差和方位测量误差对算法定位精度的影响。仿真分析结果表明:随着基线长度增加,发射站和接收站两侧区域定位精度进一步改善,但会造成基线区的定位误差增大;在基线长度一定时,时间和方位测量误差增大均造成定位精度下降,且算法精度对方位测量误差相对敏感。与同等条件下的单基地声纳定位相比,双基地BTBL算法在接收站点具有明显的探测优势。该研究为T-R型双基地系统的水下定位提供了理论依据。

双基地声纳作用距离估计

在双基地声纳方程的基础上，进行作用距离的估算和分析比较。在特定的情况下，计算表明，双基地声纳作用距离比单基地声纳作用距离可提高４～８倍。

基于双基地声纳的港口航道水深实时监测系统

针对部分港口航道航程较长、宽度狭窄、水深受限、淤积严重等特点,研制了一套基于双基地声纳实现港口航道水深实时监测的实用化系统。该系统采用1对收发分置的高频、小波束开角换能器实现声信号的发射与接收,利用GPS同步技术实现声纳发射单元和接收单元的同步工作,采用单片机与FPGA相结合的电路设计方案实现对水声信号的延时采集与处理。声纳发射单元和声接收单元分别安装在航道的两侧,不影响航道船舶的正常航行。海上定深监测和变深监测实验结果表明该系统稳定可靠,实时性好,尤其对狭窄航道的水深实时监测具有很高的应用价值。

双基地声纳目标特性实验研究

为了解双基地声纳目标强度特性及目标回波信号结构，用高逼真度模型进行了实验研究，找出了目标强度与声波入射方位角及分置角的关系，得出了在接收方向上获取最大目标强度值时入射角与分置角应满足的条件，这将对收发分置系统双基地的配置有重要价值。

双基地声纳探测范围分析

双基地声纳在一定程度上综合了单基地主动和被动声纳的优点,具有扩大探测范围的优势,但并不能够在全方位上都获得探测距离优势,在某些方位上甚至不如等效单基地声纳。在双基地声纳系统中,根据能量关系推导出双基地声纳系统最大可探测范围的数学模型,并进一步定量分析了基线长度、等效半径与探测范围和各个方位上的探测距离的关系,提出了优势区域、优势角的概念。在此基础上,给出了不同情况下双基地声纳的几种优化使用配置方案。

基于零陷展宽的双基地声纳直达波抑制算法

双基地声纳系统中存在目标信号与直达波干扰混叠且两者高相关的情况,常规的自适应抵消法因此失效。在双基地声纳系统配置已知的前提下,提出一种基于零陷展宽技术的多约束最小方差直达波抑制算法。该方法通过施加线性约束对特定方向的干扰进行抑制,并针对直达波干扰方位存在扰动时,多约束最小方差算法性能急剧下降的现象运用零陷展宽的方法对算法加以改进。基于零陷展宽的多约束最小方差算法直观、快捷。仿真及实验数据处理的结果表明,在直达波干扰方位大致可知的情况下,该算法能够对直达波进行有效抑制,且对直达波的方位估计误差具有稳健性。

混响背景下单、双基地声纳的探测范围比较

收、发基地分置可以在一定程度上增大声纳的可探测范围,但由于双基地声纳面临较强的前向散射和侧向散射的影响,在基线延长线附近方位范围内其混响干扰强于单基地声纳。同时由于直达波对接收基地的干扰,双基地声纳在近距离上将出现盲区。在建模计算双基地声纳海底混响的基础上,以浅海为例分析了混响限制下不同位置上的目标在接收基地阵元输入端所形成的信噪比,并与单基地声纳做了比较,从而给出双基地声纳的有效探测范围。

双基地声纳定位精度和算法研究

根据双基地声纳定位的特点,提出了一种单纯基于声波到达时间(TOL)的双基地声纳定位算法,给出了算法的原理和误差分布。通过数值仿真,研究了基线长度、时间测量误差对算法定位性能的影响。仿真结果表明,TOL算法的定位精度与基线长度有关,随着基线长度的增加,定位精度提高。时间测量误差对算法的定位精度影响较小。与同等条件下单基地声纳定位相比,双基地TOL算法具有更高的定位精度。该研究为多基地声纳新体制的建立,提供了理论依据。

双基地声纳目标低频散射特性研究

针对双基地声纳目标低频散射问题,从Helmholtz积分方程出发,采用等价面元解决表面积分存在的奇异性问题,建立了非入射方向水下目标散射声场的物理模型和计算方法。计算了刚性圆柱体的后向散射回声,绘出了在不同收发分置角、低频情况下,刚性椭球目标强度随目标姿态角的空间变化曲线,并分析了其散射特性。结果表明,提出的模型和方法能计算任意分置角和任意目标姿态角时的水下目标散射强度,可用于预报双基地声纳目标低频声散射特性。

基于巴宾奈特原理的双基地声纳前向探测方法

当物体靠近双基地声纳基线时,由于直达波的干扰,声纳系统存在检测盲区,因此提出基于巴宾奈特原理的双基地前向探测方法,其原理是在盲区对前向散射信号进行长时间的累计检测,实现双基地盲区检测。理论上推导出的水下前向散射目标强度的计算公式与旋转椭球体目标强度的经验公式一致。仿真表明前向散射信号强度呈眼状分布,讨论了利用对前向散射信号进行时间累计探测低速运动目标的可行性。

双基地声纳海底混响面元划分与建模

鉴于影响双基地声纳性能主要因素之一的混响面元的划分和计算的研究少有公开报道,提出一种双基地声纳海底混响区域的面元划分方法,建立了基于SSA海底散射强度模型的双基地声纳海底混响模型。仿真结果表明该方法能够对产生混响的海底区域进行有效地估算,并得到双基地声纳海底混响随时间的变化趋势,为双基地声纳系统的性能评估和合理配置、使用提供了有效的模型。

基于多普勒频移的双基地声纳目标速度测量

针对单基地声纳仅可获得目标的径向速度以及双基地声纳有大量冗余信息的问题,提出利用单/双基地复合工作的声纳系统求解目标二维速度矢量(速度大小、航向)的方法。为了获得目标的二维速度矢量,在双基地声纳系统中,分析了双基地声纳多普勒频移的特性,并与单基地作了比较;结合单、双基地所获得的多普勒频移特性信息,给出了目标二维速度矢量的两种计算方法;并对目标速度测量误差进行了分析。结果表明,采用单/双基地复合工作的声纳系统,可以完成目标二维速度矢量的测量,而测量误差则与系统的频移分辨力及目标与收、发基地间的相对位置有关。

一种改进的双基地声纳马尔可夫定位算法

借鉴岭估计的思想,通过对加权矩阵特征值基准修正,提出了一种改进的马尔可夫定位算法,实现了测量误差协方差阵逆的全域性存在,解决了马尔可夫估计算法在双基地声纳定位应用中的奇点问题.利用该算法对某双基地声纳系统进行了针对定位精度的几何分布的实例仿真,定量分析利比较了3种不同组合方式下算法的定位精度.仿真实例表明,与最佳线性数据融合定位算法相比,运用改进的马尔可夫定位算法对水下目标进行定位可以获得更高的定位精度,同时在基线附近和发射站接收站两侧区域内定位性能亦有较大的提高.算法拓展了冗余数据组合估计在声纳系统中的应用范围.

双基地声纳混响建模分析

在浅海环境下,混响是影响双基地声纳系统性能的主要因素,基于双基地声纳的几何特点,对接收端的混响进行了建模,并在接收端具有指向性的条件下,得出了混响面积以及接收端信混比的计算公式,对不同条件下接收端的混响强度以及信混比的变化进行了仿真分析,得到了不同条件下双基地声纳接收混响强度与收发位置、信号脉宽以及接受指向性的关系。

双基地声纳海底界面侧向散射分析与仿真

海底界面侧向散射分析是双基地声纳探测性能的关键技术。研究分析了双基地条件下,海底界面散射与双基地几何配置之间的相互关系。根据实际配置的情形,提出了一种双基地声纳海底界面侧向散射面积的计算方法,得到了解析表达式。通过仿真实验,得到了双基地海底界面侧向散射面积与观测时间、接收指向、束宽和脉冲宽度等因素的变化规律,表明该算法是可行的,为双基地声纳系统的性能评估和合理配置、使用提供了有效的模型。

基于线性最小二乘估计的双基地声纳定位优化算法

针对双基地声纳系统存在冗余信息的问题,基于线性最小二乘估计理论提出了一种定位优化算法,建立了T/R?R型声纳系统水下定位的数学模型。通过MATLAB软件的仿真分析,给出了影响该算法性能的各个因素,并与传统TOL算法进行了对比。仿真结果表明,采用线性最小二乘估计算法能更好地利用系统测量的冗余信息,显著提高双基地声纳基线区和侧边区的定位精度。该算法具有受基线长度和站址误差影响小等优点,是一种具有工程应用价值的双基地声纳定位算法。本文的研究可为多基地声纳定位优化问题的研究提供理论基础。

等效试验法在双基地声纳试验中的应用

针对试验场地条件的局限性,提出了一种新的等效试验法即双基地作用距离试验的等效法,并推导了双基地作用距离的表达式。该等效试验法可将几公里到几十公里声纳的作用距离试验用等效法在水池不足10 m的距离内实现。在西北工业大学消声水池完成了双基地作用距离的等效试验,取得了很有价值的水池试验结论。

基于非线性最小二乘的双基地声纳定位优化算法

双基地声纳定位是一种重要的定位方法,采用优化算法来提高定位精度是其重要的研究内容。本文采用了将双基地声纳定位方程转化为非线性最小二乘(NLS)问题的技术方法,并后置最优化方法LMF算法,研究了基于多基地接收源的目标定位性能和定位精度的几何稀释(GDOP),给出了定位误差分布。通过数值仿真,研究了不同基线长度时双基地声纳的定位精度,并将NLS拟和算法的多接收源定位性能与纯时间估计定位性能进行了比较。研究表明,本文的基于多基地接收源的目标定位方法相对于纯时间估计定位方法提高了定位精度,特别是在相对短的基线(7.4 km基线长度)情况下,可提高30%的精度。该研究为最优化方法在水声定位中的应用提供了依据。

圆阵双基地声纳直达波抑制技术研究

以圆阵为双基地声纳接收阵列流形,提出了一种新的基于多重信号分类(MUSIC)技术的波束形成及零点抑制算法。在理论分析了第一类零点约束条件的基础上,提出了第二类零点(高阶零点)约束条件。给出两类零点约束条件干扰抑制能力的比较。仿真结果表明,该算法可有效接收目标回波信号且屏蔽直达波强干扰。讨论干扰达波方向(DOA)与阵元数对算法直达波抑制能力的影响,以及多源干扰条件下算法的干扰抑制能力。

双基地声纳矢量传感器直达波抑制技术

针对双基地声纳系统应用中存在直达声波干扰的问题,提出了矢量双基地声纳的概念。将矢量传感器的自然指向性以及指向性锐化思想引入双基地声纳系统。以单矢量传感器作为双基地声纳接收基地,利用电子波束旋转扫描技术,将指向性零点对准发射基地,完成了声源强干扰屏蔽下的目标探测。水池试验与湖上试验结果表明,单矢量传感器配合自体姿态信息,可完成对强声源干扰的抑制。此研究工作为矢量双基地声纳系统设计奠定了理论与试验基础。