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双/多基地声呐定位及目标特性研究

张小凤  
【摘要】: 多基地声呐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,对于多基地声呐的研究,已经引起人们极大的关注。本文依据多基地声呐的工作特点,对多基地声呐应用中的关键技术进行了研究,给出了有关多基地声呐定位和多基地目标声散射特性的研究方法;并通过仿真,对各种方法进行了性能评估和比较;最后通过水池实验,给出了多基地声呐目标特性研究的实验结果。本文的主要研究内容包括以下几个方面: 1)从双基地声呐的几何关系出发,给出了双基地声呐方程。对声呐方程中各参数的物理意义及影响因素进行了详细讨论。研究表明,在双基地条件下,受双基地几何关系影响最大的是目标强度和混响。通过对不同频率下双基地声呐作用距离的预报,表明在相同优质因数条件下,双基地声呐可以具有比单基地声呐更大的作用距离。在对双基地声呐定位原理和定位误差分析的基础上,提出了用定位精度的几何解释(GDOP)来表征双基地声呐定位误差的方法。 2)针对双基地声呐水下目标定位问题,提出了两种基本的双基地声呐定位算法:TOL和BOL方法。通过数值仿真,对算法的定位精度进行了研究,给出了双基地声呐定位误差的几何分布。同时,通过对各种系统因素,如基线长度、系统测量误差、声速波动、浮标偏移等参数对算法性能影响的分析,得出了采用TOL和BOL方法进行定位时,定位误差的分布规律。该研究结果,对于双基地声呐系统的设计,具有一定的参考价值。 3)为了充分利用多基地声呐的测量数据,提高系统的定位精度。根据双基地条件下,系统存在着冗余信息的特点,提出了四种双基地声呐定位优化算法。首先通过对双基地雷达定位问题的分析,给出了基于加权最小二乘的双基地声呐定位优化算法。数值仿真表明,该算法的定位精度明显高于TOL算法,能有效改善发射和接收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。其次,根据数据融合理论,提出了最佳线性加权数据融合定位优化算法。仿真研究证明,采用数据融合可以大幅度地改善双基地声呐的定位性能,融合后系统的定位精度明显高于融合前各分系统的定位精度。由于双基地声呐定位方程非线性的特点,应用求解非线性最小二乘问题的无约束最优化算法,给出了基于LMF方法的双基地声呐定位优化算法。数值仿真表明,该算法的定位精度接 西北工业大学博士学位论文 近于定位精度的C~er一Rao界。为了克服LMF算法在进行迭代时依赖于初始 值的缺点,根据人工神经网络在求解非线性问题方面的特点,提出了用径向基 函数网络方法来进行双基地声呐定位的优化算法。通过与LMF定位优化算法的 比较,证明神经网络方法是一种比较稳健的定位算法,具有很好的工程应用前 景。 4)把双基地声呐定位算法推广到多基地声呐的研究中,给出了三种不同的多基地 声呐定位算法。首先,将TOL(Time一Only一Locallzation)算法扩展到多基地声 呐定位中,给出多基地TOL算法的原理,并对不同站址布局下,系统的误差分 布特点进行了研究,给出了最优的站址布局方案。根据定位方程非线性的特点, 应用泰勒级数展开,提出了多基地声呐定位的线性化最小二乘定位优化算法。 仿真研究表明,该算法的定位精度接近定位精度的Cralne卜Rao下限。最后,将 神经网络算法应用到多基地声呐定位中,显著提高了多基地声呐的定位精度。 5)为了更深入的研究多基地声呐的定位、检测与估计等关键技术,对多基地条件 下,目标回波的时间和空间分布特性,即非入射方向目标的声散射特性进行深 入的研究是十分必要的。论文的第六章中,从简单形状目标的声散射特性研究 入手,研究了各种不同形状目标非入射方向的声散射特性,提出了解决水下细 长形状目标声散射问题的“变形柱”方法,运用该方法求解了非入射方向椭球、 有限柱的声散射波形函数,定量地给出了目标强度随分置角的变化关系曲线。 6)在理论研究工作的基础上,进行了水下目标声散射特性的水池实验研究。完成 了非入射方向球、椭球等简单形状目标声散射特性的水池实验,给出了目标回 波的强度和波形随声波入射角和分置角的变化关系。在对简单形状目标声散射 特性研究的基础上,进行了高逼真潜艇模型散射特性的水池实验测试,取得了 有关多基地声呐目标声散射特性的一些很有价值的研究结果。该研究结果为多 基地声呐新体制的建立提供了科学依据。


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