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《哈尔滨工程大学》 2004年
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水下动目标被动跟踪研究

岳剑平  
【摘要】:水下动目标被动跟踪的方法可谓种类繁多。早期的研究大多基于状态估计的模型,由单纯的方位信息间接估计目标的运动要素,冠名为目标运动分析(TMA)。经典纯方位TMA方法附加了平台机动的限制条件,实际应用很不方便,于是人们又发展了多种无机动约束的TMA方法,需要利用诸如多卜勒频率等的其他信息。随着理论与技术的发展以及需求的牵引,匹配场被动定位方法和多基阵联合的纯方位被动跟踪方法的研究,近年来受到了重视,此外还包括各种水下GPS的应用方法研究。新的方法蕴涵了具有挑战性的前瞻理论问题。 本论文着重讨论矢量传感器浮标阵的被动跟踪问题,对涉及到的理论作了全面而深入的研究。在总体分析方面,研究工作包括定位解算模型、跟踪误差的空间分布、方位时间序列的后置平滑以及轨迹跟踪的仿真评估等内容。为了给方位估计的性能分析预备必要的统计知识,必需首先研究单矢量传感器互谱估计的统计特性。在数学上描述了矢量传感器的输出模型、传感器输出模型的平稳性与遍历性、矢量传感器互谱估计的一、二阶矩和相关矩,并最终给出了互谱的一维概率密度函数。在此基础上,继续讨论单矢量传感器的方位估计性能问题,包括方位估计的概率密度函数及其数字特征、仿真、电子旋转产生的影响、低信噪比的方位纠偏、信噪比估计方法、多目标方位估计的局限、后置处理等内容。湖试数据的实验分析,验证了矢量传感器的模型假设及其部分理论和现象,包括“雨滴”噪声场分析、“拉距”实验分析、方位时间历程的有偏现象以及声强谱与声压谱的比较,其间提出的5种谱级信噪比的估计方法,适用于实验环境的评估。 同一单频信号的多路提取,既可以是空间分置的多个传感器,也可以是单一传感器的分时提取。背景噪声一旦相互独立且积分时间足够长,那么互谱算法则将充分地抑制噪声,理论上能够获得干净的信号(自)功率谱。就信号谱线而言,互谱对于多路信号的相位关系过于敏感,相位差的余弦因子 哈尔滨工程大学博十学位论文 导致实测信号功率的衰弱。由于相位差的缘故,目标的机动、各传感器相对 位置的变化以及单传感器分时提取的不确定,都有可能造成信号谱线的随机 起伏。或许正是这一性质,在矢量传感器出现之前,互谱理论一直缺少工程 应用的基础。近10余年单矢量传感器的研究以及信号处理领域的文献,未曾 发现有关互谱谱线统计特性的研究,本论文也就无法直接引用类似的成果或 线索。 从信号处理的角度,对单矢量传感器的物理基础作如下陈述:相当于由 空间同点的4个传感器组合而成,因而各路信号相位具有稳定的一致性,提 供的正交过程又恰好构成背景噪声的相互独立性,其对信号的投影关系实际 上另含有目标的方位信息。显然,本论文关于互谱估计统计特性的研究带有 普遍的理论意义,而进一步深入到方位估计的讨论,才是单矢量传感器的特 殊问题。新的理论在剖析实验数据的方面显得游刃有余,成功地提取了各向 同性噪声和目标信号的各种信息。 单矢量传感器难以区分同频多目标,但至少可以给出惟一的合成方位。 基于线阵的左右舷模糊,一旦多目标被左右分割,那么二元声压阵则将多目 标的空间位置重新予以分配,即按“镜像”关系映射至同一侧半无界空间。 而矢量传感器依然保留实际的多目标空间分布,于是同一事物出现了迥然不 同的物理现象,必然有加以利用的价值。两种传感器在合成方位上的差异, 可以用来识别同频多目标的合成线谱,并且不改变传感器的小尺度特征。这 个概念对于水声对抗或海战有实际意义,能够在真假目标的判别上避免发生 错误判断。根据单频信号互相关函数的特征,论文给出了信号参数的线性估 计方法,并且得到了仿真支持。此外,二元声压阵采取机械旋转,对同频双 目标还具有一定的方位分辨能力。 水下GPS的应用比较广泛。作为可能的应用之一,本论文提出了潜艇导 航偏差的单GPS浮标的简易校正方法。潜艇惯导的累积误差,属于可修正的 系统误差,论文工作包括校正模型的建立、潜艇航路设计的可观测性分析, 以及模型的精度控制与仿真评估。高阶线性方程组的精度分析,难以给出解 析表达,为此提出了系数矩阵与常数项向量的行/列精度控制的方法。这是一 种简洁的定量与定性相结合的分析方法,对方案设计的仿真研究有指导意义。 从仿真的精度评估看,即使GPS误差高达10Om,仍可将导航偏差校正至士Zm 水一下动目标被动跟踪研究 左右,并同时给出平均声速的无偏估计,即校正过程不需要辅以繁琐的声速 测量。 论文提出的上述方法与研究,都是对需求背景作了某些预期或假想。关 于互谱统计特性的理论,还可以直接应用于舰船辐射噪声的测试与评估。采 用声强谱很可能获得了目标信号功率谱的渐近无偏估计或一致性估计,需要 今后加以证明。此外,小尺度的二元声压阵具有民用价值,可以制作成潜水 员使用的“导引棒”,以指引潜水员始终沿着沉底信标的方位进行探摸。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN929.3

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