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)實現(xiàn)條件所限而無法實現(xiàn)，同時采

3、用單部二維聲納僅能實現(xiàn)二維測量，綜合考慮技術(shù)要求以及技術(shù)實現(xiàn)等諸多因素，本文根據(jù)水下高速目標(biāo)成像的試驗任務(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)的實時性以及易于實現(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，給出了具體的實現(xiàn)方案，并依據(jù)該方案實現(xiàn)了該系統(tǒng)，測量系統(tǒng)的水池試驗表明：
　　 (1)兩部二維成像聲納的成像性能滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(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，