[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

说明书

本发明公开了一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法，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。本发明相比于现有水声定位技术中不准确的声速测量方法导致较大的定位误差，本发明算法基于阵元与目标角度特征关系提出一种理论上可行的实时声速测量方法，它能够较精确地即时确定目标探测路径上的声速，对于进一步提高水声定位技术的定位精度具有较大的意义。

技术领域

本发明涉及水下目标的定位及测速领域，尤其涉及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。

背景技术

水声定位系统是典型的声呐系统，它可以用于水下特定区域内的目标进行精确定位、导航、探测和识别。根据接收阵列基线长度的不同，水声定位系统可分为长基线定位系统、短基线定位系统和超短基线定位系统等。超短基线水声定位系统是基于信号相位差估计的定位方法，其要求各接收器之间的距离小于信号波长的一半，基阵尺寸非常小，一般只有厘米量级，适用于较小的载体，同时定位距离较小，定位精度不及长基线和短基线定位系统。长基线和短基线水声定位系统都是基于时间差估计的定位方法，短基线定位系统包括3个以上的基元构成，其基线长度一般为几米到几十米之间，通常工作在船底或布置在船舷上，利用声信号在基元与目标之间的传播时间差来进行计算，进而得到测量目标的方位和距离信息，推算出目标的坐标。短基线定位系统与长基线相比的优点是系统组成简单，便于移动和操作。与超短基线相比其定位精度较高、并且不需要安装误差校准。

影响短基线定位系统测量精度的主要因素有短基线基阵的时延测量精度和声速的测量精度，目前对于声速的测量方法主要分两种：一种是直接法，另外一种是间接法。直接法是用水声设备直接在海洋现场测量海水声速，它可分为时差法、共振声谱法、驻波干涉法与相位比较法等方法。而间接法则是根据海水中的深度、温度和盐度三个主要影响海水声速大小的因素，经过成百上千次的分析和实践，提出一种经验公式，利用此经验公式来测量海水声速。根据经验公式的不同，间接法可分为Del Grosso声速算法、Wilson声速算法和Chen-Millero-Li声速算法三种声速算法。直接法和间接法虽然原理简单且操作较方便，但它们都需要在目标位置已知的情况下才能对某一条探测路径上的声速进行测量，而在水下目标定位中，目标位置都未知的且是用来估计的；同时间接法只能测量某一海域的平均声速，对于一个声速分布不均匀的海水环境，它的测量误差会明显增加。

为了克服在传统短基线定位系统中声速测量中存在的局限性，本发明使用多个收发双工阵元，利用从目标反射回来的声波在两个阵列中形成的方向角间的关系，得到水下目标定位中探测路径声速与时间间隔的关系式(与时差法测声速不同的是，本方法无需预先获得收发两端的距离信息，即相当于对未知距离的探测路径进行实时的声速测量)，然后再计算出探测的实时声速的大小，实现了对水下声速的精准测量，相当于利用加入更多阵元消除了由声速偏差带来的目标定位误差。同时为了测量水下目标的运动速度，根据由目标相对运动导致多个阵元接收信号产生不同的多普勒频移，本发明方法进一步估计出了目标在水下的三维运动速度。

发明内容

本发明的目的在于通过对水面阵元的结构排布以及根据由目标相对运动导致多个阵元接收信号产生不同的多普勒频移，提供一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法。本发明能够消除短基线定位系统中由声速带来的误差，进一步估计出了目标在水下的运动速度以及进一步提高对单个目标进行定位测量的精度。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种用于未知声速环境的水下目标定位及测速方法，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；