一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法和装置制造方法及图纸

技术编号:19423341 阅读:21 留言:0更新日期:2018-11-14 09:57
本发明专利技术公开了一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,具体步骤包括:(1)放置收发双工阵元及水下目标,发射探测信号;(2)阵元对到达目标后进行反射的回波进行接收探测;(3)求取探测路径实时声速;(4)求取目标在各个维度的坐标,整合得到目标的实时三维坐标;(5)根据多普勒频移对目标进行速度测量。本发明专利技术相比于现有水声定位技术中不准确的声速测量方法导致较大的定位误差,本发明专利技术算法基于阵元与目标角度特征关系提出一种理论上可行的实时声速测量方法,它能够较精确地即时确定目标探测路径上的声速,对于进一步提高水声定位技术的定位精度具有较大的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法和装置
本专利技术涉及水下目标的定位及测速领域,尤其涉及一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法和装置。
技术介绍
水声定位系统是典型的声呐系统,它可以用于水下特定区域内的目标进行精确定位、导航、探测和识别。根据接收阵列基线长度的不同,水声定位系统可分为长基线定位系统、短基线定位系统和超短基线定位系统等。超短基线水声定位系统是基于信号相位差估计的定位方法,其要求各接收器之间的距离小于信号波长的一半,基阵尺寸非常小,一般只有厘米量级,适用于较小的载体,同时定位距离较小,定位精度不及长基线和短基线定位系统。长基线和短基线水声定位系统都是基于时间差估计的定位方法,短基线定位系统包括3个以上的基元构成,其基线长度一般为几米到几十米之间,通常工作在船底或布置在船舷上,利用声信号在基元与目标之间的传播时间差来进行计算,进而得到测量目标的方位和距离信息,推算出目标的坐标。短基线定位系统与长基线相比的优点是系统组成简单,便于移动和操作。与超短基线相比其定位精度较高、并且不需要安装误差校准。影响短基线定位系统测量精度的主要因素有短基线基阵的时延测量精度和声速的测量精度,目前对于声速的测量方法主要分两种:一种是直接法,另外一种是间接法。直接法是用水声设备直接在海洋现场测量海水声速,它可分为时差法、共振声谱法、驻波干涉法与相位比较法等方法。而间接法则是根据海水中的深度、温度和盐度三个主要影响海水声速大小的因素,经过成百上千次的分析和实践,提出一种经验公式,利用此经验公式来测量海水声速。根据经验公式的不同,间接法可分为DelGrosso声速算法、Wilson声速算法和Chen-Millero-Li声速算法三种声速算法。直接法和间接法虽然原理简单且操作较方便,但它们都需要在目标位置已知的情况下才能对某一条探测路径上的声速进行测量,而在水下目标定位中,目标位置都未知的且是用来估计的;同时间接法只能测量某一海域的平均声速,对于一个声速分布不均匀的海水环境,它的测量误差会明显增加。为了克服在传统短基线定位系统中声速测量中存在的局限性,本专利技术使用多个收发双工阵元,利用从目标反射回来的声波在两个阵列中形成的方向角间的关系,得到水下目标定位中探测路径声速与时间间隔的关系式(与时差法测声速不同的是,本方法无需预先获得收发两端的距离信息,即相当于对未知距离的探测路径进行实时的声速测量),然后再计算出探测的实时声速的大小,实现了对水下声速的精准测量,相当于利用加入更多阵元消除了由声速偏差带来的目标定位误差。同时为了测量水下目标的运动速度,根据由目标相对运动导致多个阵元接收信号产生不同的多普勒频移,本专利技术方法进一步估计出了目标在水下的三维运动速度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过对水面阵元的结构排布以及根据由目标相对运动导致多个阵元接收信号产生不同的多普勒频移,提供一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法。本专利技术能够消除短基线定位系统中由声速带来的误差,进一步估计出了目标在水下的运动速度以及进一步提高对单个目标进行定位测量的精度。本专利技术的目的能够通过以下技术方案实现:一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,具体步骤包括:(1)放置收发双工阵元及水下目标,发射探测信号;(2)阵元对到达目标后进行反射的回波进行接收探测;(3)求取探测路径实时声速;(4)求取目标在各个维度的坐标,整合得到目标的实时三维坐标;(5)根据多普勒频移对目标进行速度测量。具体地,在坐标系中放置5个收发双工阵元S0,S1,S2,S3,S4。以S0为参考阵元,坐标为S0(0,0,0),S1,S2分别放置在x轴上距离d,-d处,坐标为S1(d,0,0),S2(-d,0,0),S3,S4分别放置在y轴上距离d,-d处,坐标为S3(0,d,0),S4(0,-d,0)。同时设定存在一个水下目标T,其坐标为T(x,y,z)。进一步地,所述步骤(1)中,为了让阵元在接收时能够区分不同信号,5路发射阵元分别选择不同频率的单频信号同时发射,第i路阵元发射的信号表示为:si(t)=Aicos(2πfit),0<t<Ts,i=0,1,2,3,4其中,Ai表示探测信号的幅度,Ts表示信号的时长,fi表示信号的频率。更进一步地,在本专利技术中,采用收发双工换能器形成一个收发阵元单位,以换能器发射接收面的中心点作为阵元的坐标位置。换能器首先工作于发射模式,发射时长为Ts的单频信号后,立即切换为接收模式。由于信号发射过程中阵元无法接收信号,因此本专利技术不适用于距离坐标原点内的水下目标的探测。其中c表示声波传播速度值。当发射信号到达目标处,会产生反射而形成回波,Δti,i=0,1,2,3,4表示以发射测量信号的时刻为时间0点,从发射到目标反射回波信号,再到各个阵元接收到目标回波的不同时间间隔。具体地,探测回波到达阵元i接收端的信号ri(t)表示为:其中,βji表示阵元j发射的信号由目标发射到阵元i时的幅度,fdj表示由阵元j和目标T相对运动产生的多普勒频移,N(t)表示接收噪声。具体地,由于回波信号包含了5路发射信号的探测回波,而实际期望的接收信号只是阵元i的回波信号。为了获得期望信号,每个阵元连接了一个以其发射信号频率为中心频率的带通滤波器,经过带通滤波器后所得到的第i路信号di(t)表示为:di(t)=βiicos(2π(fi+fdi)(t-Δti))+ni(t),i=0,1,2,3,4其中,设ni(t)表示平稳的高斯白噪声且方差为σ2。则回波信号的自相关函数表示为:使用上述自相关法进行回波的检测,得到阵元i的发射-接收时间间隔Δti。具体地,在所述步骤(3)中,用l0,l1,l2,l3,l4分别表示阵元S0,S1,S2,S3,S4到目标的直线距离,计算方式分别为:其中,c表示待测的声波传播速度值。阵元S0,S1,S2和目标T处于同一平面。具体地,对于阵元S0,S1和目标T组成的三角形,可以得到:对于阵元S1,S2和目标T组成的三角形,可以得到:经过整理,得到关于角α的表达式:其中,α表示l1与d的夹角。具体地,同理得到阵元S0,S3,S4和目标T所组成平面中角β的表达式:更进一步地,将公式(1)代入公式(2)和(3),得到声速c关于阵元间距以及时间间隔的表达式:将所记录的时间间隔Δti,i=0,1,2,3,4代入上述表达式,求出这一时刻的探测路径实时声速具体地,在步骤(4)中,根据坐标系中阵元与该目标的位置关系,联立方程,得到该目标坐标与阵元坐标以及时间间隔的方程组,表示为:将时间间隔Δti,i=0,1,2,3,4以及求得的声速值代入,对公式(5)进行进一步的整理,分别求出目标T在各个维度的坐标,所述坐标具体表示为:由一维坐标整合得到目标的实时三维坐标为在步骤(5)中,目标反射的回波频率由fi变成fi+fdi。其中fdi表示多普勒频移,频移大小与相对运动速度的大小以及方向有关。具体地,对于相对阵元以速度矢量v=(vx,vy,vz)进行匀速运动的一个目标T,多普勒频移公式表示为:由目标反射的回波信号,所产生的多普勒频移fd与目标的速度大小正相关,同时也和速度方向与目标-发射端向量之间的夹角θ有关。为了得到目标的速度信息,先对接收信号di(t),本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,其特征在于,具体步骤包括:(1)放置收发双工阵元及水下目标,发射探测信号;(2)阵元对到达目标后进行反射的回波进行接收探测;(3)求取探测路径实时声速;(4)求取目标在各个维度的坐标,整合得到目标的实时三维坐标;(5)根据多普勒频移对目标进行速度测量。

【技术特征摘要】
1.一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,其特征在于,具体步骤包括:(1)放置收发双工阵元及水下目标,发射探测信号;(2)阵元对到达目标后进行反射的回波进行接收探测;(3)求取探测路径实时声速;(4)求取目标在各个维度的坐标,整合得到目标的实时三维坐标;(5)根据多普勒频移对目标进行速度测量。2.根据权利要求1所述的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,其特征在于,所述步骤(1)中,为了让阵元在接收时能够区分不同信号,5路发射阵元分别选择不同频率的单频信号同时发射,第i路阵元发射的信号表示为:si(t)=Aicos(2πfit),0<t<Ts,i=0,1,2,3,4其中,Ai表示探测信号的幅度,Ts表示信号的时长,fi表示信号的频率。3.根据权利要求1所述的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,其特征在于,在所述步骤(2)中,由于回波信号包含了5路发射信号的探测回波,而实际期望的接收信号只是阵元i的回波信号;为了获得期望信号,每个阵元连接了一个以其发射信号频率为中心频率的带通滤波器,经过带通滤波器后所得到的第i路信号di(t)表示为:di(t)=βiicos(2π(fi+fdi)(t-Δti))+ni(t),i=0,1,2,3,4其中,βii表示阵元i发射的信号由目标发射到阵元i时的幅度,fdi表示由阵元i和目标T相对运动产生的多普勒频移,fi表示信号的频率,Δti表示阵元i的发射-接收时间间隔,ni(t)表示平稳的高斯白噪声且噪声的方差为σ2。4.根据权利要求1所述的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,其特征在于,在所述步骤(3)中,用l0,l1,l2,l3,l4分别表示阵元S0,S1,S2,S3,S4到目标的直线距离,计算方式分别为:其中,c表示待测的声波传播速度值;阵元S0,S1,S2和目标T处于同一平面;对于阵元S0,S1和目标T组成的三角形,得到:对于阵元S1,S2和目标T组成的三角形,得到:经过整理,得到关于角α的表达式:具体地,同理得到阵元S0,S3,S4和目标T所组成平面中角β的表达式:5.根据权利要求4所述的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,其特征在于,将公式(1)代入公式(2)和(3),得到声速c关于阵元间距以及时间间隔的表达式:6.根据权利要求1所述的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,其特征在于,在所述步骤(4)中,根据坐标系中阵元与该目标(x,y,z)的位置关系,联立方程,得到该目标坐标与阵元坐标以及时间间隔的方程组为:7.根据权利要求6所示的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,其特征在于,将时间间隔Δti,i=0,1,2,3,4以及求得的声速值代入,对公式(5)进行进一步的整理,分别求出目标T在各个维度的坐标,所述坐标具体表示为:由一维坐标整合得到目标的实时三维坐标为8.根据权利要求1所示的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法,其特征在于,在所述步骤(5)中,对于第i个目标-阵元向量与目标速度矢量v的乘积,由多普勒频移和信号波长以及目标到阵元的直线距离表示,向量关系表示为:其中,fdi,i=0,1,2,3,4表示Si,i=0,1,2,3,4接收到的信号的多普勒频移,λ表示信号的波长,表示目标指向各个阵元的向...

【专利技术属性】
技术研发人员:宁更新姜伸接
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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