第3章超短基线水声定位系统.ppt

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1、2023-11-1512023-11-152n 发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有几厘米几十厘米的水听器基阵，称为声头。几厘米几十厘米的水听器基阵，称为声头。n 声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型水面船的一侧。水面船的一侧。n 非同步信标方式非同步信标方式 n 应答器方式应答器方式 n 响应器方式响应器方式n 带有深度的应答器带有深度的应答器/响应器方式响应器方式 2023-11-153测量声线测量声线 已知已知将测得的斜距、将测得的斜距、入射角与深度组入射角与深度组合，从而提高定合，从而提高定

2、位精度。位精度。2023-11-154n 3个水听器摆成个水听器摆成L型。型。n 信标位置信标位置(Xa,Ta,Za）n 3个水听器按个水听器按L型布型布置，间距为置，间距为d。d2023-11-155R与信标的坐标与信标的坐标Xa,Ya及深度的关系为及深度的关系为2222hXYRaa2aXmyaRY222cos而而从而解得从而解得mymxmyahY22coscos1cosmymxmxahX22coscos1cosmx,my是通过相位差测量而得到的是通过相位差测量而得到的 mxR22cos2023-11-156mcos2dd2cos121mxd2cos131my因此有因此有两个水听器接收信号的

3、相位差两个水听器接收信号的相位差与与信号入射角信号入射角m的关系为的关系为由于基阵尺寸甚小，可认为是远场接收的情由于基阵尺寸甚小，可认为是远场接收的情况，即入射到所有基元的声线平行。况，即入射到所有基元的声线平行。20tfctcosdm2023-11-157算法小结算法小结d2cos121mxd2cos131my mymxmyahY22coscos1cosmymxmxahX22coscos1cos先测得两换先测得两换能器接收信能器接收信号的相位差，号的相位差，然后利用公然后利用公式解算信标式解算信标在船坐标系在船坐标系下的位置坐下的位置坐标。标。2023-11-158 2113111tanta

4、ntanmxmyaaconconXY22aaYXr，r在某些场合，要求目标的坐标，要以水平距离和水平面内的目在某些场合，要求目标的坐标，要以水平距离和水平面内的目标方位角给出。标方位角给出。在水平面内以极坐标形式给出在水平面内以极坐标形式给出mymxmyahY22coscos1cosmymxmxahX22coscos1cosd2cos121mxd2cos131my2023-11-159应答器Tn 若使用应答器代替信标若使用应答器代替信标RTcTR,21RcTR mxaRXcosmyaRYcosmymxaRhZ22coscos1若使用若使用响应器响应器d2cos121mxmymxmxahX22c

5、oscos1cos2023-11-15102023-11-1511dRRXa2cos12mxdRRYa2cos13my2/1222132222122441ddRZamcos2dddRdRdRRdXa21212121212222ddRRXXaa12122023-11-1512位置相对位置相对定位精度定位精度n 斜距斜距R和和的相对误差的相对误差：由：由 和和n 代入上式可得代入上式可得斜距相对斜距相对定位精度定位精度 ddRRXXaa1212cTR 0/fcccTTRRcccf01ddccTTXXaa12122ddTTccdRXa12121222dRXa2122023-11-1513o 结论：信

6、标或应答器在基阵的下方时，定位误差结论：信标或应答器在基阵的下方时，定位误差主要来源于相位测量误差。主要来源于相位测量误差。21222222122222 dddTTccdX21322222132222 dddTTccdY222/RXX22yx总的均方误差ddTTccdXXRXmxaaa12121222cos2023-11-1514n第一项：声速引起的误差第一项：声速引起的误差n第二项：测时误差引起的误差第二项：测时误差引起的误差n第三项：阵元间距不准引起的误差第三项：阵元间距不准引起的误差n第四项：相位测量误差引起的误差，与角度第四项：相位测量误差引起的误差，与角度mx,my有关：有关：o当当

7、 接近接近 90（即信标或应答器在基阵的下方）时，相位差很小，（即信标或应答器在基阵的下方）时，相位差很小，前前3项影响很小，相位测量误差起主要作用。项影响很小，相位测量误差起主要作用。o随随mx,my 减小，前减小，前3项影响加大项影响加大o当信标或应答器在靠近基阵所在平面当信标或应答器在靠近基阵所在平面(即角度很小即角度很小)时，因有反射声时，因有反射声影响，精度也难保证。影响，精度也难保证。21222222122222dddTTccdX22yxmcos2d2023-11-1515n 注意：衡量相对定位误差时，两个相对误差公式计算注意：衡量相对定位误差时，两个相对误差公式计算的量值随的量值

8、随m m的减小的趋势是不同的。的减小的趋势是不同的。n 在只考虑相位差测量误差时在只考虑相位差测量误差时 n 例：例：f020kHz，d=0.04m，c=1500m/s，h=4000m，1 表表3.1 在不同在不同下，相位差测量相对误差下，相位差测量相对误差2121222121222222 ddccTTXXXaaax12012121222cosdfcdRmxxmxdcos212dRcosRXa212mx2023-11-1516n“跳象限跳象限”的现象：随的现象：随m m的减小，的减小，o 定位精度难以保证定位精度难以保证o 存在水面反射，使直达声和反射声相加之后总和信号的相位发存在水面反射，使

9、直达声和反射声相加之后总和信号的相位发生变化。结果，使得计算的不正确。例如，信标本应在第生变化。结果，使得计算的不正确。例如，信标本应在第I象象限，而计算结果可能是限，而计算结果可能是X、Y均为负值，误为第均为负值，误为第IV象限。结果，象限。结果，使载体相对于信标的位置轨迹不连续。这就是所谓的使载体相对于信标的位置轨迹不连续。这就是所谓的“跳象限跳象限”现象。现象。n“跳象限跳象限”的情况主要由水面反射引起，可通过信号的情况主要由水面反射引起，可通过信号处理的方法解决。处理的方法解决。o 以前采用单频信号时，对信号处理的手段未进行较深入地研究，以前采用单频信号时，对信号处理的手段未进行较深入

10、地研究，存在此种问题。存在此种问题。o 现在采用宽带信号，信号处理的手段也较高，现在采用宽带信号，信号处理的手段也较高，“跳象限跳象限”的问的问题可以解决。题可以解决。2023-11-1517n 不考虑声速和阵元间距误差的情况下不考虑声速和阵元间距误差的情况下o 定位误差与阵元间距定位误差与阵元间距d成反比，成反比，d大则误差减小；大则误差减小；o 与测距精度和测相精度成正比，测距精度和测相精度高则误差与测距精度和测相精度成正比，测距精度和测相精度高则误差小。小。n 增加增加d的限制的限制o 当当d/2，阵元间最大相位差将会落在区间，阵元间最大相位差将会落在区间-,之外，结之外，结果造成相位差

11、测量模糊，致使位置解算发生错误。因此，果造成相位差测量模糊，致使位置解算发生错误。因此，d必必须须/2。121222dRRdXa2023-11-1518n 测时误差为测时误差为o 改善测时误差可增加接收机输出信号改善测时误差可增加接收机输出信号/噪声比和带宽噪声比和带宽 o 当采用当采用CW脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，o 而匹配滤波器输出信而匹配滤波器输出信/噪比为噪比为 o 因此有因此有n 测相误差为测相误差为o 改善角度测量精度的方法是提高信改善角度测量精度的方法是提高信/噪比噪比 SNRBt1mxsin12SNRdTB/100nKTnESN

12、RTt2023-11-1519n1、2（或（或3、4）号和）号和5、6（或（或7、8）号阵元测得的相位差为号阵元测得的相位差为n利用利用1、4号和号和5、8号阵元测得的相号阵元测得的相位差应为位差应为n目标位置坐标为目标位置坐标为n由由mxdcos221mydcos265mxDcos241myDcos285 DRRxmx2cos41DRRymy2cos85 414122DRRDXa位置测量误差减小到原来的位置测量误差减小到原来的d/D=1/N倍倍，即方位测量精度提高即方位测量精度提高N倍倍 2023-11-1520n 由由n D=Nd=8d,XaXa位置测量误差减小到位置测量误差减小到原来的原

13、来的d/D=1/N倍倍，o 即方位测量精度提高即方位测量精度提高N倍倍 n 若原阵元间距为若原阵元间距为d=/2，n 则则n 因此，要用小间距的两个基元辅助因此，要用小间距的两个基元辅助判断，两个大尺度基元的相位差。判断，两个大尺度基元的相位差。414122DRRDXa)8 ,8(412023-11-1521n 需要考虑的问题需要考虑的问题o 采用宽带信号，不能用测相的方法，必须采用测时采用宽带信号，不能用测相的方法，必须采用测时的方法，测量两个基元回波信号的的方法，测量两个基元回波信号的时延时延差。差。o 测时误差与采样间隔有关，当采样间隔被硬件的能测时误差与采样间隔有关，当采样间隔被硬件的

14、能力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度。力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度。2023-11-1522n 两阵元信号的时间差为两阵元信号的时间差为n 则位置坐标为则位置坐标为n 测量时延的方法：相关法、前沿法（精度不高）测量时延的方法：相关法、前沿法（精度不高）cdmmcosdRcRXmxmxacosdRcRYmymyacos 2023-11-1523n 假设接收信号的时延为假设接收信号的时延为t0，则输入信号为，则输入信号为n 参考信号为参考信号为n 其中其中=B/T=B/T 称为调频斜率，称为调频斜率，B为信号带宽。拷贝相关为信号带宽。拷贝相关器的输出为器的输出为 其它 ,0 ,s

15、in)(00200tTttttttAtsi其它 ,00 ,sin)(2TtttAtsr ,0 t-t ,cos1sin000002其它TttTttttttTAtRout2023-11-1524n 接收的时延值接收的时延值t0：为最大值出现的为最大值出现的时刻时刻。n 相对定位误差：相对定位误差：在只考虑时延测量对定位精度的影响在只考虑时延测量对定位精度的影响时，相对定位误差为时，相对定位误差为n 时延估计的精度：时延估计的精度：取决于采样频率取决于采样频率fs。n 采样间隔：采样间隔：令时延测量误差等于采样周期的一半，令时延测量误差等于采样周期的一半，即即 。采样间隔应满足。采样间隔应满足 ,

16、0 t-t ,cos1sin000002其它TttTttttttTAtRoutdtcRxxcdTxs22/sTt dRcRXmxmxacos2023-11-1525n 提高测时精度的方法：插值估计相提高测时精度的方法：插值估计相关峰的出现时刻关峰的出现时刻o 设拟合波形函数为设拟合波形函数为o 令令 则则 解得解得 tanrrAB cos22rrBAtr 1111sincosrrBArr2222sincosrrBArr 3333sincosrrBArr 212112sinsinsinrrAr211221sincoscosrrBrtBtAtrrrsincos)(2023-11-1526321312213sinsinsinrrrsT2312ssssssTrTTrTrTrTrsincossin2 sin2sinsin121232312cosrrrTs2312arccos21rrrTfs 3333sincosrrBArr2023-11-1527kt000)(rtr31k cos22rrBAtr310,t2023-11-1528n 设拟合曲线设拟合曲线o 求求k（k为非负的整数）为非负的整数）2