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

1、水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量技術(shù)無(wú)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(duì)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量，通常采用的手段有內(nèi)測(cè)和外測(cè)兩種方式，其中內(nèi)測(cè)方式是在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自身內(nèi)部安裝速度、姿態(tài)等相關(guān)傳感器來(lái)感知運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)軌跡；而外測(cè)方式通常采用超短基線、短基線、長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)以及水下光學(xué)或聲學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行軌跡測(cè)量。除了光學(xué)和聲學(xué)成像以外，無(wú)論哪種測(cè)量方法都需要

2、在運(yùn)動(dòng)物體上安裝相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備，然而在很多特定情況下運(yùn)動(dòng)物體上不具備相關(guān)設(shè)備的安裝條件，因此無(wú)法借助基于合作信標(biāo)或是內(nèi)測(cè)方式的測(cè)量手段；而基于光學(xué)測(cè)量設(shè)備的外測(cè)方法的測(cè)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(dòng)目標(biāo)軌跡測(cè)量誤差較大甚至無(wú)法測(cè)量；借助主動(dòng)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(cè)量場(chǎng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采

3、用單部二維聲納僅能實(shí)現(xiàn)二維測(cè)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(duì)二維成像聲納測(cè)量水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維軌跡測(cè)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?jī)?nèi)容如下：
　　 闡述了論文的研究背景及其意義，對(duì)國(guó)內(nèi)外的測(cè)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(jiǎn)要的

4、概述；基于國(guó)內(nèi)外成像聲納的研究現(xiàn)狀及水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)測(cè)量的特定需求，引出本文所需研究的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 針對(duì)強(qiáng)混響背景下的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)成像技術(shù)，首先闡述了常規(guī)波束形成(即時(shí)延求和波束形成技術(shù))的基本原理和性能，為了滿足測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)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(shí)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(duì)系統(tǒng)近場(chǎng)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(cè)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(chǎng)成像質(zhì)量與成像實(shí)時(shí)性的要求。其次，由于系統(tǒng)需工作在強(qiáng)混響條件下，同時(shí)高速運(yùn)動(dòng)的體目標(biāo)導(dǎo)致目標(biāo)回波信號(hào)不再是簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，從而解決動(dòng)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(duì)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(dòng)目標(biāo)三維運(yùn)動(dòng)軌跡解算技術(shù)進(jìn)行了研究。針對(duì)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(cè)量系統(tǒng)的誤差源，建立了測(cè)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(cè)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(cè)量要求。
　　 最后對(duì)測(cè)量系統(tǒng)安裝與工作的要

7、求對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)高速目標(biāo)的成像算法能夠有效地抑制背景混響的影響，