声纳浮标_采用两种被动定位法的声纳浮标接收器基阵设计

　　摘要:以矢量水听器的三元纯方位被动定位和测时差被动定位两种方法为基础,针对算法特点和声纳浮标的使用特点,分别设计了两种方法所采用的水下换能器基阵结构。两种基阵结构相似,部分重合,可根据实际工作条件任意选择算法,也可两种算法相互间自行切换。此种相互补偿的设计可以提高水下目标被动定位的精度和可靠性。
　　关键词:声纳浮标 被动定位 纯方位 测时差
　　
　　引言
　　 在现代海上作战中,潜艇是打击目标的重要兵力之一,特别是装备武器的高度现代化,使得潜艇的威力越来越大。因此,对于海军乃至空军来讲,反潜作战永远是现代海战的重要样式之一。在反潜作战中,最基本的要求就是能够及时对潜艇进行搜索、发现、跟踪,直至消灭。用于完成这一任务的观察器材很多,如雷达、光电设备、声纳、声纳浮标、磁探仪等等。其中,声纳浮标是一种效果好、受地域限制小、使用方便的探潜设备,备受各国军方高度重视。
　　 目前,声纳浮标的配置基本上分为两种:一种声纳浮标本身只含有一个传感器,只提供一路观测信号输出和自身的位置信息,这种声纳浮标的定位精度低,一般只用来承担警戒任务。另一种声纳浮标本身含有多个传感器,构成阵列,这类声纳浮标一般采用拖曳声纳的处理方法,但由于采用的是小体积的换能器柔性连接,定位精度还有待提高。本文尝试在不同条件下分别采用三元单站纯方位被动侧向的三角基阵和采用测时差定位的倒“Y”字形基阵提高目标定位精度。
　　
　　目标定位的基本方法
　　2.1 单站纯方位被动定位
　　 单站纯方位被动定位方法是根据目标方位信息来估计其位置的。已知阵元1和2的坐标分别为(x1,y1,)和(x2,y2),如图1所示。测得目标S的方位角分别为θ1和θ2,根据三角关系,目标S的坐标公式为:
　　 其中d是两个阵元之间的距离。单站纯方位被动定位方法需要解决的关键问题是目标的方位信息,可以利用水下目标测向方法进行解决。目前通常采用矢量水听器测量声压和振速,进行水下目标的定向和定位。要求实现一定的目标定向精度、距离和满足一定的运动速度,同时还要求适应各种水下工作状况。利用平均声强器和旋转波束的目标测向方法,可以有效抗干扰的同时进行目标的准确测向。但是,在实际情况下,方位角的测量过程中,由于目标和阵元之间的距离导致方位角测量数据必然存在时延。同时,目标方位角的测量过程中,虽然误差较小,但也难免对定位结果产生干扰。诸多实验表明:加入方位角测量的时延和较小的测量偏差之后,目标的跟踪误差会明显增大。因此,必须提高精度和抗干扰能力。
　　2.2 三元纯方位目标定位
　　 采用一种相对成熟的三元阵测量法,两两构成3个纯方位测量阵,对水下目标联合定位。基阵剖面图如图2所示,1,2,3三点为三个矢量水听器。声纳浮标布防之前,水听器收于母体(M)中。当声纳浮标入水到达预定深度后,水听器通过机械臂由母体展开,形成稳固的等边三角形,这样阵元间距d已知。水听器通过机械臂将数据传给母体,经过一系列滤波和计算之后将目标信息通过水上无线电天线春送给机载设备。
　　 根据纯方位测量原理,ij测量系中,目标坐标为:
　　 其中θij-i和θij-j是ij测量系内阵元i和j对目标的方位角。则θ12-1=θ1,θ12-2=θ2,θ13-1=4π/3+θ1,θ13-2=θ2-5π/6,θ23-1=θ2-4π/3,θ23-3=θ2+2π/3.在将其转换成基准坐标内坐标:
　　cosαij为基准坐标系沿y轴顺时针方向转换到ij测量系的夹角,且已知α12=0,α13=π/3,α23=2π/3。最后将测量系坐标之间的转换结果作为目标的定位坐标。此结果比仅用两个阵元组成的基阵定位效果更精确。但在定位过程中必须对测量方位角进行时延量进行补偿,方法是根据目标到各阵元的距离和声速,对测量信号进行时间修正。
　　测时差定位法
　　 基于矢量水听器的三元纯方位目标定位方法,在海况较好情况下,对目标定位比较准确,但如果环境恶劣,比如海浪影响较大时,对目标定位误差可能非常大。复杂环境下涌上叠加海浪,浪又叠加频率不同的细小震动,浮标则会随浪起伏。对采用上述三元定位方法中的声压水听器来说,此种噪声会造成水听器接收信号产生失真,最终影响对目标的定位精度。现介绍一种测时差定位方法,基阵布局和三元纯方位基本相同,可以在噪声干扰矢量水听器时作为替代方法。
　　时差定位基本算法
　　 测时差定位算法是一种基本的被动定位算法,它利用测量目标的辐射信号到达两个声呐浮标的时间差来完成定位。对于探测三维空间目标的测时差定位系统,至少需要3个不相关的时间差测量数据,所以为了确定空间中的一个目标,至少需要4个水听器组成基阵。基本算法:设声呐基阵由1个主站及N个辅站构成,各站空间位置为, j=0,1,…, n。j=0表示主站,j=1,2,...,n表示辅站。为目标位置。ri为目标与第j站之间的距离,∆ri是滴i站到目标与主站到目标之间的距离差,c为水中声音传播速度。则∆ri=c∆Ti (∆Ti为测得时间差)。
　　 由(a)式表达的n个方程构成一个非线性方程组,求解该方程组即可得出定位解。由此式可见,基阵中水听器个数不唯一,且基阵布局也可多种多样。实验证明,不同的基阵结构定位精度也有所不同,考虑定位精度、全方位搜索能力以及浮标体积、结构等因素,需要寻找一种适合声纳浮标使用特点的基阵布局。
　　基阵布局选择
　　 诸多因素中首要是目标定位精度,提高定位精度有3种途径:即增加测量站数目;延长测量站基线长度;优化设计布阵几何。对系统解算来讲,如果通过增加接收机将精度提高一倍,必须增加3倍的水听器数,显然不可取。同时测量基线长度受声呐浮标尺寸限制,可在声呐浮标机械强度允许的情况下,保证各站相对位置稳定可尽量增大基线的长度。因此,只有合理布阵、改善测量几何才是提高系统定位精度的方便而有效的途径。
　　 在确定的布阵数量和观测条件下,怎样使辐射源目标在受控区内的定位精度高,关键就是选择最优的站址布局方案。由于5、6个站的定位误差表达式很复杂,不便于分析,且考虑与三元纯方位定位方法之间易于切换。本文设计一种倒“Y” (基线夹角都为120°)字形基阵。其结构与前述三元纯方位法所采用的基阵基本一样。如图4,机械臂展开的三个水听器与母体本身携带的水听器(M)组成基阵。
　　
　　图4测时差算法基阵展开水平剖面示意图
　　 此种算法的优点在于基阵中的各水听器位置相对固定,在浮标震动速度远小于声音速度的情况下,信号时差仅取决于水听器之间的距离。所以在海况复杂时可替代三元纯方位法,而且可以为三元纯方位法提供时延量的补偿。但实验表明此种方法存在近程定位模糊问题,有待进一步解决。且噪声干扰小的条件下,测时差定位精度不如采用矢量测向的三元纯方位法精度高。
　　两种方法可以在浮标投放前手动设定选择何种方式,也可让浮标根据海况自行调整。从布局上看,两种方法相类似,对于体积不大的声纳浮标来说节省了宝贵的空间。
　　结语
　　 本文提出了两种声纳浮标对水下目标定位的方法,说明各自使用的基本原理和基阵布局,分析两种方法各自的利弊,在不同条件下可以相互补偿。对于单个声纳浮标来说,此种设计可以更加准确、更可靠的对水下目标进行定位,本方案还有待与进行实际试验的考察和改进。
　　
　　参考文献
　　[1] 宋新见,殷冬梅,惠俊英.基于矢量信号处理的水声定位系统[J].海洋工程,2001,21.110-114.
　　[2] 宋新见,惠俊英,殷冬梅,李艳梅.水下噪声目标被动测距技术研究[J].应用声学,2004,24.133-139.
　　 [3] 张颖颖,杜立彬,侯广利,张颖.基于矢量信号处理的水下目标定位和跟踪设计[A].计算机仿真,2008,1.310-313.
　　[4] 孙仲康,周一宇,何黎星.单多基地有源无源定位技术[M].北京:国防工业出版社,1996:37-7.
　　[5] 顾晓东,邱志明,袁志勇.多基地声呐接收机最优布阵的探讨[A].兵工学报,2008,3.287-290.
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文