基于二維成像聲納的水下運(yùn)動目標(biāo)定位技術(shù)研究.pdf

1、水下運(yùn)動目標(biāo)的測量技術(shù)無論在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景，對水下運(yùn)動目標(biāo)的三維運(yùn)動軌跡測量，通常采用的手段有內(nèi)測和外測兩種方式，其中內(nèi)測方式是在運(yùn)動目標(biāo)自身內(nèi)部安裝速度、姿態(tài)等相關(guān)傳感器來感知運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動過程中的狀態(tài)信息，然后通過事后數(shù)據(jù)提取和事后處理方式推算出目標(biāo)的運(yùn)動軌跡；而外測方式通常采用超短基線、短基線、長基線定位系統(tǒng)以及水下光學(xué)或聲學(xué)成像系統(tǒng)對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行軌跡測量。除了光學(xué)和聲學(xué)成像以外，無論哪種測量方法都需要

2、在運(yùn)動物體上安裝相應(yīng)的測量設(shè)備，然而在很多特定情況下運(yùn)動物體上不具備相關(guān)設(shè)備的安裝條件，因此無法借助基于合作信標(biāo)或是內(nèi)測方式的測量手段；而基于光學(xué)測量設(shè)備的外測方法的測量效果受環(huán)境影響很大，尤其是水體的渾濁度直接影響光學(xué)成像的質(zhì)量，進(jìn)而造成動目標(biāo)軌跡測量誤差較大甚至無法測量；借助主動的高分辨成像聲納可以克服以上手段或需求所面臨的問題，雖然高分辨的三維成像聲納是最佳選擇，但是由于測量場所以及當(dāng)前與之相關(guān)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)條件所限而無法實(shí)現(xiàn)，同時采

3、用單部二維聲納僅能實(shí)現(xiàn)二維測量，綜合考慮技術(shù)要求以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)等諸多因素，本文根據(jù)水下高速目標(biāo)成像的試驗(yàn)任務(wù)需求，對二維成像聲納測量水下運(yùn)動目標(biāo)的三維軌跡測量的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并完成了成像聲納設(shè)備系統(tǒng)的研制，較好地解決了特定環(huán)境下的高速目標(biāo)的成像與跟蹤問題，本文具體研究內(nèi)容如下：
　　 闡述了論文的研究背景及其意義，對國內(nèi)外的測掃聲納、前視聲納、聲透鏡聲納和合成孔徑聲納的發(fā)展?fàn)顩r及其主要的產(chǎn)品性能技術(shù)指標(biāo)和成像效果進(jìn)行簡要的

4、概述；基于國內(nèi)外成像聲納的研究現(xiàn)狀及水下運(yùn)動目標(biāo)測量的特定需求，引出本文所需研究的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 針對強(qiáng)混響背景下的高速運(yùn)動目標(biāo)的實(shí)時成像技術(shù)，首先闡述了常規(guī)波束形成(即時延求和波束形成技術(shù))的基本原理和性能，為了滿足測量系統(tǒng)的實(shí)時觀測要求，常規(guī)的波束形成算法不能滿足要求，為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時性以及易于實(shí)現(xiàn)的要求，研究了基于FFT的波束形成技術(shù)；針對系統(tǒng)近場工作的要求，拓展了傳統(tǒng)的基于中心波束不同距離的多點(diǎn)聚焦的FFT波束形成算

5、法，給出了一種寬波束(本測量系統(tǒng)的掃描扇面為90度)條件下的多波束、不同距離聚焦的FFT波束形成算法，有效地解決了近場成像質(zhì)量與成像實(shí)時性的要求。其次，由于系統(tǒng)需工作在強(qiáng)混響條件下，同時高速運(yùn)動的體目標(biāo)導(dǎo)致目標(biāo)回波信號不再是簡單的多普勒頻移而是多普勒擴(kuò)展，而基于FFT的波束形成技術(shù)本質(zhì)上是窄帶的相移波束形成，因此不再適應(yīng)高速標(biāo)成像要求；利用高速運(yùn)動的體目標(biāo)回波的寬帶特性，本文提出了利用寬帶波束形成算法進(jìn)行對目標(biāo)進(jìn)行成像，從而解決動目標(biāo)的

6、多普勒效應(yīng)引起的成像位置偏移問題以及強(qiáng)混響背景下的高速目標(biāo)的有效成像問題。
　　 對本文所采用的基于兩部高分辨二維成像聲納的水下運(yùn)動目標(biāo)三維運(yùn)動軌跡解算技術(shù)進(jìn)行了研究。針對二維成像聲納的成像特點(diǎn)提出了一種基于解集合交匯思想的三維軌跡解算技術(shù)，分析了測量系統(tǒng)的誤差源，建立了測量系統(tǒng)的解算模型，推導(dǎo)了不同誤差源條件下的系統(tǒng)綜合測量誤差，理論和仿真分析了本文所提出的解算算法能夠滿足測量要求。
　　 最后對測量系統(tǒng)安裝與工作的要

7、求對系統(tǒng)的接收聲納與發(fā)射聲納的軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了具體的實(shí)現(xiàn)方案，并依據(jù)該方案實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)，測量系統(tǒng)的水池試驗(yàn)表明：
　　 (1)兩部二維成像聲納的成像性能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)(即距離和方位分辨力)；
　　 (2)本文提出的基于兩部二維成像聲納的目標(biāo)三維位置解算技術(shù)的測量精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；
　　 (3)水池條件下模擬的高速目標(biāo)成像結(jié)果表明：本文的提出針對高速目標(biāo)的成像算法能夠有效地抑制背景混響的影響，