基于二维成像声纳的水下运动目标定位技术研究

摘要

水下运动目标的测量技术无论在军事领域还是在民用领域均具有广阔的应用前景，对水下运动目标的三维运动轨迹测量，通常采用的手段有内测和外测两种方式，其中内测方式是在运动目标自身内部安装速度、姿态等相关传感器来感知运动目标的运动过程中的状态信息，然后通过事后数据提取和事后处理方式推算出目标的运动轨迹；而外测方式通常采用超短基线、短基线、长基线定位系统以及水下光学或声学成像系统对运动目标进行轨迹测量。除了光学和声学成像以外，无论哪种测量方法都需要在运动物体上安装相应的测量设备，然而在很多特定情况下运动物体上不具备相关设备的安装条件，因此无法借助基于合作信标或是内测方式的测量手段；而基于光学测量设备的外测方法的测量效果受环境影响很大，尤其是水体的浑浊度直接影响光学成像的质量，进而造成动目标轨迹测量误差较大甚至无法测量；借助主动的高分辨成像声纳可以克服以上手段或需求所面临的问题，虽然高分辨的三维成像声纳是最佳选择，但是由于测量场所以及当前与之相关的技术实现条件所限而无法实现，同时采用单部二维声纳仅能实现二维测量，综合考虑技术要求以及技术实现等诸多因素，本文根据水下高速目标成像的试验任务需求，对二维成像声纳测量水下运动目标的三维轨迹测量的一些关键技术进行研究，并完成了成像声纳设备系统的研制，较好地解决了特定环境下的高速目标的成像与跟踪问题，本文具体研究内容如下：
　　 阐述了论文的研究背景及其意义，对国内外的测扫声纳、前视声纳、声透镜声纳和合成孔径声纳的发展状况及其主要的产品性能技术指标和成像效果进行简要的概述；基于国内外成像声纳的研究现状及水下运动目标测量的特定需求，引出本文所需研究的关键技术。
　　 针对强混响背景下的高速运动目标的实时成像技术，首先阐述了常规波束形成(即时延求和波束形成技术)的基本原理和性能，为了满足测量系统的实时观测要求，常规的波束形成算法不能满足要求，为了满足系统的实时性以及易于实现的要求，研究了基于FFT的波束形成技术；针对系统近场工作的要求，拓展了传统的基于中心波束不同距离的多点聚焦的FFT波束形成算法，给出了一种宽波束(本测量系统的扫描扇面为90度)条件下的多波束、不同距离聚焦的FFT波束形成算法，有效地解决了近场成像质量与成像实时性的要求。其次，由于系统需工作在强混响条件下，同时高速运动的体目标导致目标回波信号不再是简单的多普勒频移而是多普勒扩展，而基于FFT的波束形成技术本质上是窄带的相移波束形成，因此不再适应高速标成像要求；利用高速运动的体目标回波的宽带特性，本文提出了利用宽带波束形成算法进行对目标进行成像，从而解决动目标的多普勒效应引起的成像位置偏移问题以及强混响背景下的高速目标的有效成像问题。
　　 对本文所采用的基于两部高分辨二维成像声纳的水下运动目标三维运动轨迹解算技术进行了研究。针对二维成像声纳的成像特点提出了一种基于解集合交汇思想的三维轨迹解算技术，分析了测量系统的误差源，建立了测量系统的解算模型，推导了不同误差源条件下的系统综合测量误差，理论和仿真分析了本文所提出的解算算法能够满足测量要求。
　　 最后对测量系统安装与工作的要求对系统的接收声纳与发射声纳的软硬件结构进行了优化设计，给出了具体的实现方案，并依据该方案实现了该系统，测量系统的水池试验表明：
　　 (1)两部二维成像声纳的成像性能满足系统设计指标(即距离和方位分辨力)；
　　 (2)本文提出的基于两部二维成像声纳的目标三维位置解算技术的测量精度满足设计指标要求；
　　 (3)水池条件下模拟的高速目标成像结果表明：本文的提出针对高速目标的成像算法能够有效地抑制背景混响的影响，并且提高了系统高速目标成像的能力。