[发明专利]基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法和装置。

背景技术

海面与水下定位导航是一切海洋开发活动与海洋高技术发展的基本前提，水下运动载体或设备平台是海洋开发的重要工具，在实际应用中为了确定其在水下的位置，常需要定位。由于电磁波在水中衰减严重，陆地上的GPS系统不适用于水下目标的定位。声波在水中具有良好的传播特性，目前的水下定位一般以声波为媒介，主要有长基线定位系统、短基线定位系统与超短基线定位系统等。在假定水下声速已知的情况下，长基线定位系统通过回波往返时延得到被测目标与测量系统间的距离，采用球面交汇法确定被测目标的相对位置。短基线通过测量声波到达各阵元的时间差来确定距离差再利用组成短基线的阵元间距，采用双曲线交汇法确定目标位置。超短基线定位系统由多个水声接收器组成阵列，各阵元间的距离小于声波波长的一半，因此精确时差测量比较困难，常通过阵元间的相位差来测量入射角，再利用直线相交来进行定位，在这几种定位系统中长基线的定位精度最高，短基线次之。

精确的时间差测量是长基线和短基线定位系统的基础。为确定目标在大地坐标系下的坐标，长基线定位系统要求各阵元已知自身在大地坐标系下的坐标，其工作步骤：请求定位的目标通过一个单频信号向海底水声收发器发出测距请求，组成长基线定位系统的各水声收发器在收到请求信号后采用不同的频率发送应答信号，该信号包含了应答器的位置信息，请求定位目标通过应答信号的位置信息及发送请求信号与接收应答信号的时延来估算自身位置。水声信道是一个极其复杂的时变-频变-空变随机窄带信道，具有高衰减、强多径干扰、多普勒频偏严重、可用频带窄等特点，这些特点特别是强多径干扰对单频脉冲信号的水声信号的接收和检测造成一定的干扰，严重地影响了水声定位系统的精度。而组成长基线定位系统的阵元间距要求大于100m，布放于海底的不同位置，需要繁琐的校准工作，这些都限制了基于回波往返时延的定位方法的应用。

超短基线定位系统阵元间的间距要求小于半个波长，具有体积小的优点，但系统通过测量阵元间的相位差来估算入射角，再利用直线相交来进行定位，具有精度不高的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法，针对实际应用中，所定位的目标可能以一定径向速度远离或者靠近测量系统，采用短基线系统进行测量，利用对称三角调频信号时频域的对称性对信号进行处理估算回波往返时延，具有长基线定位精度高的优点，又具有短基线体积小的特点，本发明在确定水下目标在大地坐标系下位置的同时还可确定水下目标的运动速度。本发明不仅能从水上(海面、岸上或者是空中)对水下运动目标进行跟踪定位，还能实现水下目标的自动化定位与导航。

本发明的基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法包括以下步骤：

(1)船载水声收发器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号s(t)，安装于水下运动目标上的水声收发器对所接收到信号进行放大转发；

所述对称三角调频信号s(t)

其中B’、f0、T分别为信道带宽、调频的中心频率、扫频周期，A和为信号幅度和初始相位，所发射调频信号的频率f为

(2)船载测量装置上的水声接收器阵列接收回波信号，由于直达波传播的路径小于界面反射的回波，与这些回波相比直达波最先达到水声接收器阵列，利用阵列信号处理器对接收信号进行处理，估计直达波和界面反射回波的来波方向；

(3)利用来波方向信息调整水声接收器阵列中各阵元的权值，使波束主瓣对准直达波，而在界面反射回波到达方向上形成零陷，从而抑制多径回波的干扰，提高信噪比。加权处理后水声接收器阵列的输出信号S_r(t)为

其中K_r为衰减因子。

若声波在水中的传播速度为c，目标距离测量系统为r处并以径向速度为v(远离测量系统的速度为正)运动，测量系统回波往返时延为τ，则将其代入S_r(t)，接收信号与发射信号进混频，经低通滤波器后取出频率较低部分得到S_I(t)