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基于多站址信息综合的水下探测定位技术研究

凌青  
【摘要】: 多站址综合检测系统(双、多基地声纳)由于其收发设备分置,因而在水下目标的检测和定位方面,具有很多独特的优点。目前,对于双/多基地声纳的研究,已经引起人们极大的关注。本文依据双/多基地声纳的工作特点,对双/多基地声纳应用中的各种定位方法进行了研究;并通过仿真,对各种方法进行了性能评估和比较。本文的主要研究内容包括以下几个方面: 1.从双基地声纳的几何关系出发,列出了双基地声纳方程。对声纳方程中各参数的物理意义及影响因素进行了详细讨论。在对双基地声纳定位原理和定位误差分析的基础上,采用定位精度的几何解释(GDOP)来表示双基地声纳的定位误差。 2.针对双基地声纳水下目标定位问题,讨论了二维目标定位的六种基本方法以及优化方法。通过数值仿真,对基本方法中的四种方法的定位性能进行了研究讨论,给出了双基地声纳定位误差的几何分布图。同时,通过对系统各个因素,如系统的各观测量的测量误差、站址误差、基线长度、声速波动等参数对算法性能的影响,得出了各方法定位误差的分布规律;为了充分利用双基地声纳系统的观测数据,提高系统的定位精度,采用加权最小二乘方法对系统的数据进行优化处理,仿真结果表明该方法定位精度明显高于基本方法的定位精度,能有效的改善发射站和接受站侧边区的定位精度,且定位性能受站址测量误差的影响较小。 3.讨论了当双基地声纳系统可同时获得三个观测量时,对水下目标进行空间三维定位的四种方法。通过数值仿真,讨论了各方法的定位性能,做出定位误差的几何分布图。通过对系统各个因素算法定位性能的影响,得出了各方法定位误差的分布规律;将仿真结果进行对比,得出结论:距离信息对算法的定位性能影响较小,系统的定位性能主要受角度观测信息的影响较大。实际应用中,努力提高角度测量精度是提高双基地声纳系统定位精度的最有效的办法之一;与二维情况相比,系统实现三维空间目标定位的定位精度略有下降,这是由于引入了高度信息而使系统的误差增大所导致的。 4.把双基地声纳系统的定位方法推广到多基地声纳系统的研究中,讨论了多基地声纳系统利用距离信息进行定位的定位原理,并对不同站址布局下,系统的误差分布特点进行了研究,得出最优的站址布局方案。同时,以某型声纳为实例,讨论了多基地声纳的配置方案。 5.针对影响声纳性能的混响,对各种类型混响产生的机理进行了分析,研究了混响的相关特性和统计特性,并提出几种混响抑制方法。重点研究了双基地声纳的各种散射模型(海底散射模型、海面散射模型、体积散射模型),通过对各种影响因素的分析,给出了各种模型的明确表达式,并对模型进行了仿真分析。模型仿真结果表明,影响双基地声纳混响的因素众多,每个因素在对双基地混响的贡献是不一样的,双基地角度的配置和界面性质变化对混响的影响很大,而声速的变化对混响的影响可以忽略不计。 本文研究所得出的结论可为双基地声纳进一步的实验研究和双基地声纳的设计提供参考。


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