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水下高速运动目标轨迹测量技术研究

李想  
【摘要】:为了精确测量水下运动物体的三维轨迹,常采用通过在其自身内部安装记录设备的方法记录运动物体的航速、姿态、航行深度、加速度等信息,事后进行数据回收处理得到物体的运动轨迹。然而,如果由于某种原因致使试验目标无法回收,则无法分析其性能,因此利用外部测量系统来获得物体的运动轨迹是十分有意义的。目前常用的外测系统有短基线和长基线定位系统,但是这两种系统都具有布放回收困难使用不方便的特点,且以应答模式工作的长基线系统数据刷新率低,对于高速运动的物体来说难以获得较多的轨迹点。随着宽带信号的应用及信号处理技术的发展,超短基线定位系统也可以获得很高的定位精度,并且使用方便,目前商用超短基线产品种类也很多,但大都无法对高速运动的目标进行跟踪定位。本文根据水下高速运动目标的试验任务需求,对基于超短基线的高速运动目标轨迹测量系统的一些关键技术进行了研究,该系统采用同步工作模式,能够实时获取高精度高刷新率的水下高速运动物体三维轨迹,并且具有多目标定位跟踪的能力。全文的主要内容如下: 阐述了窄带和宽带两种不同信号体制的超短基线定位方法的原理,并对这两种方法的定位精度进行了仿真分析研究。二相编码信号属于多普勒敏感信号,针对目标的高速运动带来的多普勒效应对信号检测带来的影响,本文采用了一种交替发射m序列的方法,利用两相邻周期信号具有相同的多普勒的特点,构造一新的相关器来抵消两个信号的多普勒,解决运动目标信号的检测问题。针对双目标在检测中存在的远近效应,本文提出了一种基于特征量提取的方法。本文还对多普勒频偏的估计和补偿进行了深入研究,针对测频算法存在的测频模糊问题,采用基于相关峰时延差的方法解多普勒模糊。文中还对系统存在的距离模糊问题进行了分析和研究,根据系统特点,提出了一种简单可靠的抗距离模糊的方法。 本文还着重对目标丢失不能同步,而不能够提供斜距信息的情况,提出了一种基于纯方位估计的目标定位方法来确定目标的方位,该方法虽然精度上比正常超短基线定位稍差,但是却解决了水下目标因缺少斜距信息而不能定位的问题。 传统的超短基线定位系统由三个部分组成:声学定位系统、航向姿态测量系统和GPS定位系统,这些系统包括的传感器所在的坐标系由于存在角度偏差,导致超短基线系统产生定位误差。因此超短基线系统在每次使用前都需要进行安装误差的校准。而校准也是一个比较繁琐的过程,为此本文实现了一种免校准的超短基线系统的设计,只需出厂时对其进行一次标校,在以后的使用过程中都无需校准,大大提高了系统的便利性。 最后,对系统的各个组成部分进行了详细介绍,并通过大量的试验和数据验证了系统定位精度和性能。


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