[发明专利]一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法和装置

权利要求书

1.一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法，其特征在于，具体步骤包括：

(1)放置收发双工阵元及水下目标，发射探测信号；

(2)阵元对到达目标后进行反射的回波进行接收探测；

(3)求取探测路径实时声速；

(4)求取目标在各个维度的坐标，整合得到目标的实时三维坐标；

(5)根据多普勒频移对目标进行速度测量；

在所述步骤(3)中，用l₀,l₁,l₂,l₃,l₄分别表示阵元S₀,S₁,S₂,S₃,S₄到目标的直线距离，计算方式分别为：

其中，c表示待测的声波传播速度值；Δt₀、Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄分别表示第0、1、2、3、4路信号从发射到重新被接收所经历的时间间隔；阵元S₀,S₁,S₂和目标T处于同一平面；对于阵元S₀,S₁和目标T组成的三角形，得到：

对于阵元S₁,S₂和目标T组成的三角形，得到：

经过整理，得到关于角α的表达式：

具体地，同理得到阵元S₀,S₃,S₄和目标T所组成平面中角β的表达式：

将公式(1)代入公式(2)和(3)，得到声速c关于阵元间距以及时间间隔的表达式：

其中，表示计算的声速估计值，d表示相邻阵元的间距。

2.根据权利要求1所述的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法，其特征在于，所述步骤(1)中，为了让阵元在接收时能够区分不同信号，5路发射阵元分别选择不同频率的单频信号同时发射，第i路阵元发射的信号表示为：

s_i(t)＝A_icos(2πf_it),0＜t＜T_s,i＝0，1,2,3,4

其中，A_i表示探测信号的幅度，T_s表示信号的时长，f_i表示信号的频率。

3.根据权利要求1所述的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，由于回波信号包含了5路发射信号的探测回波，而实际期望的接收信号只是阵元i的回波信号；为了获得期望信号，每个阵元连接了一个以其发射信号频率为中心频率的带通滤波器，经过带通滤波器后所得到的第i路信号d_i(t)表示为：

d_i(t)＝β_iicos(2π(f_i+f_di)(t-Δt_i))+n_i(t),i＝0,1,2,3,4

其中，β_ii表示第i路发射的信号由待探测目标反射后到达阵元i时的接收信号幅度，f_di表示由阵元i和目标T相对运动产生的多普勒频移，f_i表示信号的频率，Δt_i表示阵元i的发射-接收时间间隔，n_i(t)表示平稳的高斯白噪声且噪声的方差为σ²。

4.根据权利要求1所述的一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，根据坐标系中阵元与该目标(x,y,z)的位置关系，联立方程，得到该目标坐标与阵元坐标以及时间间隔的方程组为：