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AUV舷侧阵浅海远程目标定位方法研究

赵德鑫  
【摘要】:近年来,随着具有海岸线国家的沿海局部冲突加剧,各国海军的战略重点逐渐由深海向浅海区域转移,自主式无人潜航器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)灵活性以及隐蔽性的特点使它更适合在这种敏感和存在争议的海区执行水下军事任务。舷侧阵被动声呐是AUV使用的重要探测装备,但由于AUV的长度有限,其舷侧阵通常很难获得足够的空间处理增益。而且,浅海有着比深海更加复杂的声传播环境,通常会导致基于平面波假设以及其它简化水声传播模型的阵列信号处理方法性能大幅度降低甚至失效,尤其是在低频远距离传播的情况下。所以,关于浅海声源的被动定位研究一直是既困难又富有挑战性的课题。为此,本文在总结和分析国内外已有研究工作的基础上,主要针对上述问题,对在复杂浅海环境中如何使用AUV舷侧阵以实现远程目标的被动定位进行了研究。近些年兴起的匹配场处理技术,其方法中融入了更贴近于实际海洋环境的水声传播模型,它实际上是利用大孔径声呐采集并处理目标声源在复杂海洋环境中产生的独特声场信息,从而将声源从各种干扰和噪声的背景中分离出来。在能够得知足够海洋环境信息的情况下,匹配场处理方法表现出了非常好的估计性能,已经开始从理论研究和科学试验阶段逐渐过渡到实际应用阶段。本文首先根据课题的研究背景,对水平短线列阵的阵元数、阵元间距与布放深度,水声传播模型、模型参数和建模方法,以及目标声源的特性进行了合理性分析与假设,并将具有不同分辨率和稳健性的匹配场处理方法应用于静止的水平短线列阵,详细研究并讨论了二维海洋环境中基于静止水平短线列阵的匹配场定位性能。根据对匹配场处理理论以及基于静止水平短线列阵的匹配场定位性能的分析,使用匹配场处理方法通常需要较长的接收基阵才能满足空间处理增益的需求。对垂直线列阵而言,当基阵的长度足够贯穿整个水层时,可以获得较好的定位性能,而如果水平线列阵想要达到相同的定位效果,则需要更长的基阵。本文针对运动水平短线列阵,提出了两种基于匹配场处理的定位方法(两种方法分别以两种不同的方式(相干或非相干)处理运动水平短线列阵在各个采样位置上收集到的阵列数据,试图弥补单个水平短线列阵空间处理增益的不足),而且通过理论分析和仿真试验,详细研究并给出了两种定位方法的使用条件、分辨率和抗海洋环境参数失配以及水平短线列阵采样位置误差的性能。声呐的探测性能受安装平台的限制和影响很大,结合基于运动水平短线列阵匹配场定位的研究成果,为服务于所研究的基于AUV舷侧阵的远程目标被动定位方法,需要提高机动情况下AUV的自主定位精度,从而减少其舷侧阵采样位置的偏差。本文在详细研究AUV运动状态特性的基础上,提出了一种基于小波变换的灰粒子滤波算法,并通过试验数据的对比分析,详细评估了基于所提出滤波算法的AUV自主定位精度,验证了该算法的有效性。总结上述研究成果,本文最终提出了一种基于AUV舷侧阵的浅海远程目标三维被动定位方法。该方法需要在AUV预先设定好的航线上设定多个采样位置,包含两个步骤:空域上处理,时域上估计。首先使用高分辨率的匹配场处理方法处理在各个采样位置上收集到的舷侧阵数据,以实现复杂浅海环境中远程目标的初步定位,然后以非相干方式处理各个采样位置上的匹配场定位输出,这样可以尽可能多地挖掘由目标声源所产生声场的独特空间特征,增强了该定位方法对海洋环境参数失配以及舷侧阵位置误差的稳健性,逐渐改善定位输出的效果,从而随着时间的推移以较高的概率和精度估算出目标声源的三维坐标。


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