关于水声被动定位技术及其发展趋势

导读:世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发。匹配场声源定位是国际上新兴的水声定位方法。水下GPS技术的设计灵感来自于GPS,该技术可以用于潜艇定位。动目标分析,水声被动定位技术及其发展趋势。关键词:被动定位,匹配场,水下GPS,动目标分析 1.引言声纳按照工作方式一般分为主动声纳

和被动声纳。对于被动声纳,由于它不发射声波,它具有很好的隐蔽性,且具有作用距离远、不容易被发现等优点,在军事领域中有着很好的应用前景。近年来,世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发,被动定位技术受到广泛的重视。随着水中兵器作用距离和打击精度的提高,对被动声纳的定位性能提出了更高的要求,远程定位问题引起人们的广泛关注,出现了多种新型的定位方法。

2.传统被动声纳定位技术及面临的问题

2.1 传统的被动定位技术

传统的水声被动定位技术是六十年代研究开发出来的,这类定位技术利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲间的时间差或相位差对水面、水中目标进行定位,其典型代表就是三子阵法和球面内插法。三子阵被动测距方法是己经实用化了的被动定位技术,它是六十年代后期出现的噪声测距方法。它利用时延估计技术求出到达三个基阵的相对时延,然后得到目标的方位和距离。但是,三子阵定位方法对水声信道进行了简化,三子阵系统是在同一平面内进行定位的,它不考虑信道声速的垂直分布,也不考虑信道的多途效应。,动目标分析。,动目标分析。不过这种定位方法算法简单,而且对近距离声源定位能达到较高的精度,目前在工程上已经得到广泛应用。

2.2 传统被动声纳定位技术面临的问题

传统被动定位方法在理论和实际应用中都存在很大的缺陷,主要表现在以下两个方面。

2.2.1 远程定位精度不高

传统的被动定位方法,利用球面波或柱面波波前曲率的变化,通过测量各基元的相对时延,估计目标的距离和方位。测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关,其中时延测量精度是关键,然而对于有限的基阵孔径,随着声纳探测距离的增加,波前曲率的变化越来越小,加上信道传播起伏的影响,时延的精确测量以及距离信息的提取变得越来越困难,因此传统的定位方法难以实现远程定位。此外,由于海洋中的声速分布是不均匀的,特别在远距离定位时,声速的不均匀分布使传统的定位算法存在较大的误差。为此,研究人员必须寻求新的被动定位方法。

2.2.2 定位效果受声场环境影响大

由于海水介质的不均匀性,在海水信道中由于温度、盐度、压力的不同,导致了海水介质中各点的声学特性差异很大,特别是不同深度层的声学特性差异很大,导致了声波在海洋中的传播非常复杂,声传播受海洋信道的影响比人们想象的要大得多。要提高声纳的探测效果,必须要充分研究海洋信道特点。

3. 匹配场被动定位技术

匹配场声源定位是国际上新兴的水声定位方法,它根据海洋声信道性,在声场建模的基础上,运用一定的匹配场处理算法反演声源位置。匹配场定位技术充分利用了海洋信道特点来反演声源位置,因此它可以有效消除信道对定位的影响,它的定位精度比传统的被动定位精度高。

3.1 匹配场被动定位原理[1]

匹配场定位的被动原理图如图1所示。匹配场定位首先将水听器阵列接收到的数据经过傅立叶变换后计算频域协防方差矩阵。假设声场中某一位置有目标,已知海洋声场环境参数时,利用现有的声场模型可以计算出该目标声源产生声信号在接收水听器阵列处的声场值,通常称之为拷贝场向量。最后将拷贝场向量和测量信号的协方差矩阵进行匹配运算从而输出定位模糊表面,如果实际目标位置与假设声源位置一致,则匹配处理器有最大值输出,这样从定位模糊表面上可以读出目标的位置。

图1 匹配场定位原理图。

3.2 匹配场被动定位关键技术及发展趋势

匹配场定位有两个重要环节,一是拷贝声场的计算,二是匹配处理器的设计。拷贝声场可利用现有的声场模型计算得到。,动目标分析。现有的声场模型主要有简正波模型、声线模型、抛物方程模型等。其中,最常用的2种传播模型是射线模型和简正波模型。射线模型具有简捷、直观的特点,适用于描述深海声场。在浅海存在严重的多途和较强的海底散射,射线模型不再适用。简正波模型考虑了各种海底边界的影响,适用于研究浅海、低频的声传播问题。目前声传播模型的研究主要集中在快速、高精度的声场模型的研究上。

匹配处理器就是将拷贝场与实测声场进行匹配运算的算法,从理论上来说,匹配场处理器是传统的阵列信号处理的波束形成概念的推广,因此,很多传统的阵列处理方法都可以用于匹配场处理,而且人们已经证明其中的很多方法是很有效的。按照匹配场处理器的权向量是否与测量数据有关,将其分为线性匹配处理器(CMFP)和自适应匹配处理器(AMFP)。常用的MFP处理器

有线性处理器(Bartlett)、最小方差估计器(MV)和匹配模处理器(MMP)。随着人们对传播理论研究的深入以及阵处理技术的飞速发展,匹配场处理技术的研究取得了一些突破性的进展。近年来,匹配场处理技术逐渐走向实用阶段,宽带、稳健自适应[1]、高分辨率[2]的匹配场处理技术成为研究热点,以试验研究带动理论研究成为主要的研究方法。,动目标分析。

4.水下GPS定位

水下GPS技术的设计灵感来自于GPS,该技术可以用于潜艇定位,进行爆炸军火处理,还能用于水雷对抗许多领域。水下GPS利用空间GPS系统在海洋中布放一系列声纳浮标,形成网格,在水面用空间GPS,在水下用水声通信。法国的ASCA公司已经开发了用水下全球定位系统进行搜索与救援的系统,它可以利用水下的GPS信号确目标的三维坐标。,动目标分析。该系统可以用于跟踪水下的飞机或潜艇中黑匣子的声波发器,从而找到目标。系统包括GPS浮标,控制站及声波发送器。浮标下有水听器,浮标通过水面上的三个天线与指挥、控制、通信等系统联系。利用目标发射的信号与浮标接收信号的时间延迟得到浮标和目标的相对位置,同时,利用分GPS接收机能精确测量出浮标的精确位置。空间GPS技术已相当成熟。,动目标分析。

5.结束语

由于传统的被动定位方法在理论和实际应用中都存在一些问题,研究人员致力于研究新的被动定位方法,其中匹配场被动定位技术充分利用了海洋信道,在远距离复杂水文条件下,其定位精度较高,有着诱人的应用前景,随着研究的不断深入,这项技术正逐步走向实用阶段,但匹配场的模型精确性,匹配算法的计算速度以及匹配场的定位的稳健性问题还急需解决。水下GPS技术系统使用条件相对苛刻,不适用于非合作被动目标的探测,工程应用受到了一定的限制。

参考文献:

[1]杨坤德,等.水声信号的匹配场处理技术研究[D].西北工业大学,2003,06.

[2]周俊山,陶进绪等.一种基于MUSIC算法的匹配场定位方法[J].电子技术,2010,01:21~23.

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