基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法，包括（１）船载水声收发器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号ｓ（ｔ）；（２）船载测量装置上的水声接收器阵列接收回波信号；（３）利用来波方向信息调整水声接收器阵列中各阵元的权值；（４）船载测量装置确定水下运动目标在大地坐标系下的坐标；一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航装置主要由船载测量装置、船体姿态矫正装置、水下运动目标上的水声收发器、水上无线电收发器、阵列信号处理器、ＧＰＳ接收机、微处理器构成。本发明专利技术不仅能从水上（海面、岸上或者是空中）对水下运动目标进行跟踪定位，还能实现水下目标的自动化定位与导航。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法和装置。
技术介绍
海面与水下定位导航是一切海洋开发活动与海洋高技术发展的基本前提，水下运 动载体或设备平台是海洋开发的重要工具，在实际应用中为了确定其在水下的位置，常需 要定位。由于电磁波在水中衰减严重，陆地上的GPS系统不适用于水下目标的定位。声波 在水中具有良好的传播特性，目前的水下定位一般以声波为媒介，主要有长基线定位系统、 短基线定位系统与超短基线定位系统等。在假定水下声速已知的情况下，长基线定位系统 通过回波往返时延得到被测目标与测量系统间的距离，采用球面交汇法确定被测目标的相 对位置。短基线通过测量声波到达各阵元的时间差来确定距离差再利用组成短基线的阵元 间距，采用双曲线交汇法确定目标位置。超短基线定位系统由多个水声接收器组成阵列，各 阵元间的距离小于声波波长的一半，因此精确时差测量比较困难，常通过阵元间的相位差 来测量入射角，再利用直线相交来进行定位，在这几种定位系统中长基线的定位精度最高， 短基线次之。精确的时间差测量是长基线和短基线定位系统的基础。为确定目标在大地坐标系 下的坐标，长基线定位系统要求各阵元已知自身在大地坐标系下的坐标，其工作步骤请求 定位的目标通过一个单频信号向海底水声收发器发出测距请求，组成长基线定位系统的各 水声收发器在收到请求信号后采用不同的频率发送应答信号，该信号包含了应答器的位置 信息，请求定位目标通过应答信号的位置信息及发送请求信号与接收应答信号的时延来估 算自身位置。水声信道是一个极其复杂的时变_频变_空变随机窄带信道，具有高衰减、强 多径干扰、多普勒频偏严重、可用频带窄等特点，这些特点特别是强多径干扰对单频脉冲信 号的水声信号的接收和检测造成一定的干扰，严重地影响了水声定位系统的精度。而组成 长基线定位系统的阵元间距要求大于100m，布放于海底的不同位置，需要繁琐的校准工作， 这些都限制了基于回波往返时延的定位方法的应用。超短基线定位系统阵元间的间距要求小于半个波长，具有体积小的优点，但系统 通过测量阵元间的相位差来估算入射角，再利用直线相交来进行定位，具有精度不高的缺 陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于频谱变换的水下运动 目标定位导航方法，针对实际应用中，所定位的目标可能以一定径向速度远离或者靠近测 量系统，采用短基线系统进行测量，利用对称三角调频信号时频域的对称性对信号进行处 理估算回波往返时延，具有长基线定位精度高的优点，又具有短基线体积小的特点，本专利技术 在确定水下目标在大地坐标系下位置的同时还可确定水下目标的运动速度。本专利技术不仅能 从水上(海面、岸上或者是空中)对水下运动目标进行跟踪定位，还能实现水下目标的自动化定位与导航。本专利技术的基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法包括以下步骤(1)船载水声收发器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号s(t)，安装于水 下运动目标上的水声收发器对所接收到信号进行放大转发；所述对称三角调频信号s (t) 其中，B’、fO、T分别为信道带宽、调频的中心频率、扫频周期，A和ρ为信号幅度和初始相位，所发射调频信号的频率f为 (2)船载测量装置上的水声接收器阵列接收回波信号，由于直达波传播的路径小 于界面反射的回波，与这些回波相比直达波最先达到水声接收器阵列，利用阵列信号处理 器对接收信号进行处理，估计直达波和界面反射回波的来波方向；(3)利用来波方向信息调整水声接收器阵列中各阵元的权值，使波束主瓣对准直 达波，而在界面反射回波到达方向上形成零陷，从而抑制多径回波的干扰，提高信噪比。加 权处理后水声接收器阵列的输出信号SJt)为 其中Kr为衰减因子。若声波在水中的传播速度为C，目标距离测量系统为r处并以径向速度为ν(远离 测量系统的速度为正)运动，测量系统回波往返时延为T,fjr = 2(r + V°，将其代入Sjt)，C接收信号与发射信号进混频，经低通滤波器后取出频率较低部分得到S1U) 把上扫频段混频得到的低频分量延时f后与下扫频段混频得到的低频分量再次进行混频，从而把非平稳信号转化为一个单频信号，其频率/Δ =4(/Q-抝f，由于f(1、B、c已知，因此信号的频率只与水下目标的运动速度有关。而频率跳变时刻与测量系统到目标的距离关系r = ^^，从而得到目标运动速度V = ^y ，目标相对于测量系统的位置t(C-V)r =-；2 (4)船载测量装置利用GPS接收机确定自身的大地坐标，通过系统上的船体姿态 矫正装置提供的数据进行自身位置矫正，然后通过数据融合确定水下运动目标在大地坐标 系下的坐标。在上述方案的基础上，只能实现船载测量装置对水下运动目标主动式定位。为了 从水上(海面、岸上或者是空中)对水下运动目标进行跟踪需要以下步骤在所述步骤(1) 前由水上的无线电收发器通过电磁波向船载无线电收发器定位请求，船载无线电收发器把 该请求传送给船载测量装置上的微处理器；在步骤(4)后，船载测量装置通过自身的无线 电收发器把水下目标的位置和速度信息以电磁波的方式发送到水上无线电收发器。为了实 现水下目标主动式定位导航，需要以下步骤在所述步骤(1)前水下运动目标上的水声收 发器向船载测量装置发送定位请求信息；在所述步骤(4)后，船载测量装置通过自身的水 声收发器把水下运动目标的位置信息以超声波的方式发送给运动目标。本专利技术装置可通过如下技术方案实现包括船载测量装置、水下运动目标上的水 声收发器和水上无线电收发器，其中船载测量装置是本专利技术的核心，水上的无线电收发器 可以是独立的装置也可以嵌入到其他水上装置中，通过电磁波与船载测量装置进行通信， 水下运动目标上的水声收发器安装于水下运动目标通过声波与船载测量装置进行通信。所 述船载无线电收发器通过数据线、地址线和控制线与控制中心微处理器连接，它监听来自 水上的定位请求和向水上请求定位系统发送定位结果；船载水声收发器通过数据线、地址 线和控制线与控制中心连接，它负责监听来自水下的定位请求，需要定位时在微处理器的 控制下负责发射对称三角调频信号，当微处理器完成目标信息的估算后由船载水声收发 器向水下目标发送定位结果；阵列信号处理器通过数据线、地址线和控制线与控制中心微 处理器连接，通过数据线和控制线与水声接收器阵列连接，用于完成接收信号的预处理及 D0A、二次混频信号频率和直达波的时延估计；水声接收器阵列通过控制线与控制中心微处 理器连接，通过数据线和控制线与阵列信号处理器连接，负责接收回波信号；船体姿态矫正 装置通过数据线、地址线和控制线与控制中心微处理器连接，用于测量由于船体的左右和 上下摆动所造成的误差，为船体姿态矫正提供信息；GPS接收机通过数据线、地址线和控制 线与控制中心微处理器连接，用于接收由卫星和GPS基准站的信号，从而确定船在大地坐 标系下的位置；微处理器是该装置的控制中心，它在接到来自船载无线电收发器和船载水 声收发器传来的定位请求信息后，控制船载水声收发器发射对称三角调频信号，启动GPS 接收机、船体姿态矫正装置、水声接收器阵列和阵列信号处理器工作，当这些模块完成相应 的工作后它把阵列信号处理器提供的D0A、二次混频信号频率和直达波的往返时延估计、船 体姿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法，其特征在于包括以下步骤：（１）船载水声收发器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号ｓ（ｔ），安装于水下运动目标上的水声收发器对所接收到信号进行放大转发；所述对称三角调频信号ｓ（ｔ）Ｓ（ｔ）＝＊＊＊其中Ｂ≤Ｂ’／２，Ｂ’，ｆ０、Ｔ分别为信道带宽、调频的中心频率、扫频周期，Ａ和φ为信号幅度和初始相位，所发射调频信号的频率ｆ为ｆ＝ｆ（ｔ）＝＊＊＊；（２）船载测量装置上的水声接收器阵列接收回波信号，利用阵列信号处理器对接收信号进行处理，估计直达波和界面反射回波的来波方向；（３）利用来波方向信息调整水声接收器阵列中各阵元的权值，使波束主瓣对准直达波，而在界面反射回波到达方向上形成零陷；加权处理后水声接收器阵列的输出信号Ｓ↓［ｒ］（ｔ）为Ｓ↓［ｒ］（ｔ）＝Ｋ↓［ｒ］Ｓ（ｔ－τ）＊＊＊其中Ｋ↓［ｒ］为衰减因子；若声波在水中的传播速度为ｃ，目标距离测量系统为ｒ处并以径向速度为ｖ运动，远离测量系统的速度为正，测量系统回波往返时延为τ，则τ＝２（ｒ＋ｖｔ）／ｃ，将其代入Ｓ↓［ｒ］（ｔ），接收信号与发射信号进行混频，经低通滤波器后取出频率较低部分得到Ｓ↓［Ｉ］（ｔ）Ｓ↓［Ｉ］（ｔ）＝ｌｏｗｐａｓｓ（Ｓ（ｔ）.（ｔ））＝Ａ↓［Ｉ］ｃｏｓ（φ（ｔ））＊＊＊把上扫频段混频得到的低频分量延时后与下扫频段混频得到的低频分量再次进行混频，把非平稳信号转化为一个单频信号，其频率ｆ↓［Δ］＝４（ｆ↓［０］－Ｂ）ｖ／ｃ，ｆ↓［０］、Ｂ、ｃ已知，信号的频率只与水下目标的运动速度有关；而频率跳变时刻与测量系统到目标的距离关系：τ＝２（ｒ＋ｖ＊τ／２）／ｃ，得到目标运动速度ｖ＝ｃｆ↓［Δ］／４（ｆ↓［０］－Ｂ），目标相对于测量系统的位置ｒ＝τ（ｃ－ｖ）／２；（４）船载测量装置利用ＧＰＳ接收机确定自身的大地坐标，通过系统上的船体姿态矫正装置提供的数据进行自身位置矫正，然后通过数据融合确定水下运动目标在大地坐标系下的坐标；实现船载测量装置对水下运动目标主动式定位。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韦岗，陈灿芬，张军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]