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基于多站址信息综合的水下探测定位技术研究

作　者: 凌青
导　师: 田坦
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 多基地声纳定位精度混响散射
分类号: TB566
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

多站址综合检测系统(双、多基地声纳)由于其收发设备分置，因而在水下目标的检测和定位方面，具有很多独特的优点。目前，对于双/多基地声纳的研究，已经引起人们极大的关注。本文依据双/多基地声纳的工作特点，对双/多基地声纳应用中的各种定位方法进行了研究；并通过仿真，对各种方法进行了性能评估和比较。本文的主要研究内容包括以下几个方面：1．从双基地声纳的几何关系出发，列出了双基地声纳方程。对声纳方程中各参数的物理意义及影响因素进行了详细讨论。在对双基地声纳定位原理和定位误差分析的基础上，采用定位精度的几何解释(GDOP)来表示双基地声纳的定位误差。2．针对双基地声纳水下目标定位问题，讨论了二维目标定位的六种基本方法以及优化方法。通过数值仿真，对基本方法中的四种方法的定位性能进行了研究讨论，给出了双基地声纳定位误差的几何分布图。同时，通过对系统各个因素，如系统的各观测量的测量误差、站址误差、基线长度、声速波动等参数对算法性能的影响，得出了各方法定位误差的分布规律；为了充分利用双基地声纳系统的观测数据，提高系统的定位精度，采用加权最小二乘方法对系统的数据进行优化处理，仿真结果表明该方法定位精度明显高于基本方法的定位精度，能有效的改善发射站和接受站侧边区的定位精度，且定位性能受站址测量误差的影响较小。3．讨论了当双基地声纳系统可同时获得三个观测量时，对水下目标进行空间三维定位的四种方法。通过数值仿真，讨论了各方法的定位性能，做出定位误差的几何分布图。通过对系统各个因素算法定位性能的影响，得出了各方法定位误差的分布规律；将仿真结果进行对比，得出结论：距离信息对算法的定位性能影响较小，系统的定位性能主要受角度观测信息的影响较大。实际应用中，努力提高角度测量精度是提高双基地声纳系统定位精度的最有效的办法之一；与二维情况相比，系统实现三维空间目标定位的定位精度略有下降，这是由于引入了高度信息而使系统的误差增大所导致的。4．把双基地声纳系统的定位方法推广到多基地声纳系统的研究中，讨论了多基地声纳系统利用距离信息进行定位的定位原理，并对不同站址布局下，系统的误差分布特点进行了研究，得出最优的站址布局方案。同时，以某型声纳为实例，讨论了多基地声纳的配置方案。5．针对影响声纳性能的混响，对各种类型混响产生的机理进行了分析，研究了混响的相关特性和统计特性，并提出几种混响抑制方法。重点研究了双基地声纳的各种散射模型(海底散射模型、海面散射模型、体积散射模型)，通过对各种影响因素的分析，给出了各种模型的明确表达式，并对模型进行了仿真分析。模型仿真结果表明，影响双基地声纳混响的因素众多，每个因素在对双基地混响的贡献是不一样的，双基地角度的配置和界面性质变化对混响的影响很大，而声速的变化对混响的影响可以忽略不计。本文研究所得出的结论可为双基地声纳进一步的实验研究和双基地声纳的设计提供参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-19
  1.1 前言  13-17
    1.1.1 研究目的  13-14
    1.1.2 国内外发展状况  14-17
  1.2 本论文研究的主要内容  17-19
第2章双基地声纳定位理论  19-30
  2.1 引言  19
  2.2 双基地声纳的几何关系  19-20
  2.3 双基地声纳方程  20-22
  2.4 双基地声纳的作用距离  22-23
  2.5 双基地声纳配置  23-24
  2.6 双基地声纳定位  24-29
    2.6.1 双基地声纳定位原理  24-27
    2.6.2 双基地声纳定位误差的表示方法  27-29
  2.7 本章小结  29-30
第3章双基地声纳二维定位方法及误差分析  30-59
  3.1 引言  30-31
  3.2 双基地声纳系统模型及定位误差  31-33
    3.2.1 双基地声纳系统模型  31
    3.2.2 影响定位误差的因素  31-33
  3.3 利用发射站信息的定位方法分析  33-38
    3.3.1 定位方法  33
    3.3.2 定位误差分析  33-35
    3.3.3 仿真结果分析  35-38
  3.4 利用接收站信息的定位方法分析  38-43
    3.4.1 定位方法  38
    3.4.2 定位误差分析  38-40
    3.4.3 仿真结果分析  40-43
  3.5 利用距离信息的定位方法分析  43-48
    3.5.1 定位方法  43-44
    3.5.2 定位误差分析  44-45
    3.5.3 仿真结果分析  45-48
  3.6 利用角度信息的定位方法分析  48-53
    3.6.1 定位方法  48-49
    3.6.2 定位误差分析  49-50
    3.6.3 仿真结果分析  50-53
  3.7 基于加权最小二乘的优化算法定位精度分析  53-58
    3.7.1 定位方法  53-55
    3.7.2 仿真结果分析  55-58
  3.8 本章小结  58-59
第4章双基地声纳三维定位方法及误差分析  59-77
  4.1 引言  59
  4.2 双基地声纳三维定位  59-76
    4.2.1 r_T、r_∑和θ_T  60-65
    4.2.2 r_T、r_∑和θ_R  65-69
    4.2.3 r_T、θ_T和θ_R  69-73
    4.2.4 r_∑、θ_T和θ_R  73-76
  4.3 本章小结  76-77
第5章多站址接收混响特性研究  77-93
  5.1 引言  77
  5.2 混响的概念  77-78
  5.3 混响的分类  78-88
    5.3.1 体积混响  79-83
    5.3.2 海面混响  83-85
    5.3.3 海底混响  85-88
  5.4 混响的统计特性  88-90
  5.5 混响抑制方法  90-92
  5.6 本章小结  92-93
第6章双基地散射模型理论研究  93-109
  6.1 双基地海底散射模型  93-98
    6.1.1 界面的不平整性散射  95-97
    6.1.2 沉积物体积散射  97-98
  6.2 双基地海面散射模型  98-102
    6.2.1 不平整性界面散射  100-101
    6.2.2 界面附近气泡层散射  101-102
  6.3 双基地体积散射模型  102-107
    6.3.1 单个鱼鳔散射模型  103-105
    6.3.2 海面附近的鱼层散射模型  105
    6.3.3 海底附近的鱼层散射模型  105-107
  6.4 本章小结  107-109
第7章双基地散射模型仿真研究  109-131
  7.1 海底散射模型仿真分析  109-120
    7.1.1 与角度的关系  109-115
    7.1.2 与频率的关系  115-116
    7.1.3 与声速的关系  116-117
    7.1.4 与海底界面性质的关系  117-120
  7.2 双基地海面散射模型仿真分析  120-128
    7.2.1 与角度的关系  120-125
    7.2.2 与频率的关系  125-126
    7.2.3 与声速的关系  126
    7.2.4 与风速的关系  126-128
  7.3 双基地体积散射模型仿真分析  128-129
  7.4 本章小结  129-131
第8章多基地声纳定位方法及配置方案实例  131-150
  8.1 引言  131-133
  8.2 多基地声纳利用距离信息定位  133-140
    8.2.1 定位原理  133-135
    8.2.2 定位误差分析  135-136
    8.2.3 仿真结果分析  136-140
  8.3 配置方案实例  140-148
    1.双基地利用接收站信息进行定位  141-144
    2.多基地利用距离信息进行定位  144-148
  8.4 单、双、多基地定位性能比较  148-149
  8.5 本章小结  149-150
结论  150-153
参考文献  153-158
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  158-159
致谢  159-160
个人简历  160

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