1、2023-5-1312023-5-132n 发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有几厘米几十厘米的水听器基阵，称为声头。几厘米几十厘米的水听器基阵，称为声头。n 声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型水面船的一侧。水面船的一侧。n 非同步信标方式非同步信标方式 n 应答器方式应答器方式 n 响应器方式响应器方式n 带有深度的应答器带有深度的应答器/响应器方式响应器方式 2023-5-133测量声线测量声线 已知已知将测得的斜距、将测得的斜距、入射角与深度组入射角与深度组合，从而提高定合，从而提高定位精度
2、。位精度。2023-5-134n 3个水听器摆成个水听器摆成L型。型。n 信标位置信标位置(Xa,Ta,Za）n 3个水听器按个水听器按L型布型布置，间距为置，间距为d。d2023-5-135R与信标的坐标与信标的坐标Xa,Ya及深度的关系为及深度的关系为2222hXYRaa2aXmyaRY222cos而而从而解得从而解得mymxmyahY22coscos1cosmymxmxahX22coscos1cosmx,my是通过相位差测量而得到的是通过相位差测量而得到的 mxR22cos2023-5-136mcos2dd2cos121mxd2cos131my因此有因此有两个水听器接收信号的相位差两个水
3、听器接收信号的相位差与与信号入射角信号入射角m的关系为的关系为由于基阵尺寸甚小，可认为是远场接收的情由于基阵尺寸甚小，可认为是远场接收的情况，即入射到所有基元的声线平行。况，即入射到所有基元的声线平行。20tfctcosdm2023-5-137算法小结算法小结d2cos121mxd2cos131my mymxmyahY22coscos1cosmymxmxahX22coscos1cos先测得两换先测得两换能器接收信能器接收信号的相位差，号的相位差，然后利用公然后利用公式解算信标式解算信标在船坐标系在船坐标系下的位置坐下的位置坐标。标。2023-5-138 2113111tantantanmxmy
4、aaconconXY22aaYXr，r在某些场合，要求目标的坐标，要以水平距离和水平面内的目在某些场合，要求目标的坐标，要以水平距离和水平面内的目标方位角给出。标方位角给出。在水平面内以极坐标形式给出在水平面内以极坐标形式给出mymxmyahY22coscos1cosmymxmxahX22coscos1cosd2cos121mxd2cos131my2023-5-139应答器Tn 若使用应答器代替信标若使用应答器代替信标RTcTR,21RcTR mxaRXcosmyaRYcosmymxaRhZ22coscos1若使用若使用响应器响应器d2cos121mxmymxmxahX22coscos1cos
5、2023-5-13102023-5-1311dRRXa2cos12mxdRRYa2cos13my2/1222132222122441ddRZamcos2dddRdRdRRdXa21212121212222ddRRXXaa12122023-5-1312位置相对位置相对定位精度定位精度n 斜距斜距R和和的相对误差的相对误差：由：由 和和n 代入上式可得代入上式可得斜距相对斜距相对定位精度定位精度 ddRRXXaa1212cTR 0/fcccTTRRcccf01ddccTTXXaa12122ddTTccdRXa12121222dRXa2122023-5-1313o 结论：信标或应答器在基阵的下方时，
6、定位误差结论：信标或应答器在基阵的下方时，定位误差主要来源于相位测量误差。主要来源于相位测量误差。21222222122222 dddTTccdX21322222132222 dddTTccdY222/RXX22yx总的均方误差ddTTccdXXRXmxaaa12121222cos2023-5-1314n第一项：声速引起的误差第一项：声速引起的误差n第二项：测时误差引起的误差第二项：测时误差引起的误差n第三项：阵元间距不准引起的误差第三项：阵元间距不准引起的误差n第四项：相位测量误差引起的误差，与角度第四项：相位测量误差引起的误差，与角度mx,my有关：有关：o当当 接近接近 90（即信标或应
7、答器在基阵的下方）时，相位差很小，（即信标或应答器在基阵的下方）时，相位差很小，前前3项影响很小，相位测量误差起主要作用。项影响很小，相位测量误差起主要作用。o随随mx,my 减小，前减小，前3项影响加大项影响加大o当信标或应答器在靠近基阵所在平面当信标或应答器在靠近基阵所在平面(即角度很小即角度很小)时，因有反射声时，因有反射声影响，精度也难保证。影响，精度也难保证。21222222122222dddTTccdX22yxmcos2d2023-5-1315n 注意：衡量相对定位误差时，两个相对误差公式计算注意：衡量相对定位误差时，两个相对误差公式计算的量值随的量值随m m的减小的趋势是不同的。
8、的减小的趋势是不同的。n 在只考虑相位差测量误差时在只考虑相位差测量误差时 n 例：例：f020kHz，d=0.04m，c=1500m/s，h=4000m，1 表表3.1 在不同在不同下，相位差测量相对误差下，相位差测量相对误差2121222121222222 ddccTTXXXaaax12012121222cosdfcdRmxxmxdcos212dRcosRXa212mx2023-5-1316n“跳象限跳象限”的现象：随的现象：随m m的减小，的减小，o 定位精度难以保证定位精度难以保证o 存在水面反射，使直达声和反射声相加之后总和信号的相位发存在水面反射，使直达声和反射声相加之后总和信号的
9、相位发生变化。结果，使得计算的不正确。例如，信标本应在第生变化。结果，使得计算的不正确。例如，信标本应在第I象象限，而计算结果可能是限，而计算结果可能是X、Y均为负值，误为第均为负值，误为第IV象限。结果，象限。结果，使载体相对于信标的位置轨迹不连续。这就是所谓的使载体相对于信标的位置轨迹不连续。这就是所谓的“跳象限跳象限”现象。现象。n“跳象限跳象限”的情况主要由水面反射引起，可通过信号的情况主要由水面反射引起，可通过信号处理的方法解决。处理的方法解决。o 以前采用单频信号时，对信号处理的手段未进行较深入地研究，以前采用单频信号时，对信号处理的手段未进行较深入地研究，存在此种问题。存在此种问
10、题。o 现在采用宽带信号，信号处理的手段也较高，现在采用宽带信号，信号处理的手段也较高，“跳象限跳象限”的问的问题可以解决。题可以解决。2023-5-1317n 不考虑声速和阵元间距误差的情况下不考虑声速和阵元间距误差的情况下o 定位误差与阵元间距定位误差与阵元间距d成反比，成反比，d大则误差减小；大则误差减小；o 与测距精度和测相精度成正比，测距精度和测相精度高则误差与测距精度和测相精度成正比，测距精度和测相精度高则误差小。小。n 增加增加d的限制的限制o 当当d/2，阵元间最大相位差将会落在区间，阵元间最大相位差将会落在区间-,之外，结之外，结果造成相位差测量模糊，致使位置解算发生错误。因
11、此，果造成相位差测量模糊，致使位置解算发生错误。因此，d必必须须/2。121222dRRdXa2023-5-1318n 测时误差为测时误差为o 改善测时误差可增加接收机输出信号改善测时误差可增加接收机输出信号/噪声比和带宽噪声比和带宽 o 当采用当采用CW脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，o 而匹配滤波器输出信而匹配滤波器输出信/噪比为噪比为 o 因此有因此有n 测相误差为测相误差为o 改善角度测量精度的方法是提高信改善角度测量精度的方法是提高信/噪比噪比 SNRBt1mxsin12SNRdTB/100nKTnESNRTt2023-5-1319n1、2
12、（或（或3、4）号和）号和5、6（或（或7、8）号阵元测得的相位差为号阵元测得的相位差为n利用利用1、4号和号和5、8号阵元测得的相号阵元测得的相位差应为位差应为n目标位置坐标为目标位置坐标为n由由mxdcos221mydcos265mxDcos241myDcos285 DRRxmx2cos41DRRymy2cos85 414122DRRDXa位置测量误差减小到原来的位置测量误差减小到原来的d/D=1/N倍倍，即方位测量精度提高即方位测量精度提高N倍倍 2023-5-1320n 由由n D=Nd=8d,XaXa位置测量误差减小到位置测量误差减小到原来的原来的d/D=1/N倍倍，o 即方位测量精
13、度提高即方位测量精度提高N倍倍 n 若原阵元间距为若原阵元间距为d=/2，n 则则n 因此，要用小间距的两个基元辅助因此，要用小间距的两个基元辅助判断，两个大尺度基元的相位差。判断，两个大尺度基元的相位差。414122DRRDXa)8 ,8(412023-5-1321n 需要考虑的问题需要考虑的问题o 采用宽带信号，不能用测相的方法，必须采用测时采用宽带信号，不能用测相的方法，必须采用测时的方法，测量两个基元回波信号的的方法，测量两个基元回波信号的时延时延差。差。o 测时误差与采样间隔有关，当采样间隔被硬件的能测时误差与采样间隔有关，当采样间隔被硬件的能力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度
14、。力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度。2023-5-1322n 两阵元信号的时间差为两阵元信号的时间差为n 则位置坐标为则位置坐标为n 测量时延的方法：相关法、前沿法（精度不高）测量时延的方法：相关法、前沿法（精度不高）cdmmcosdRcRXmxmxacosdRcRYmymyacos 2023-5-1323n 假设接收信号的时延为假设接收信号的时延为t0，则输入信号为，则输入信号为n 参考信号为参考信号为n 其中其中=B/T=B/T 称为调频斜率，称为调频斜率，B为信号带宽。拷贝相关为信号带宽。拷贝相关器的输出为器的输出为 其它 ,0 ,sin)(00200tTttttttAtsi其它
15、 ,00 ,sin)(2TtttAtsr ,0 t-t ,cos1sin000002其它TttTttttttTAtRout2023-5-1324n 接收的时延值接收的时延值t0：为最大值出现的为最大值出现的时刻时刻。n 相对定位误差：相对定位误差：在只考虑时延测量对定位精度的影响在只考虑时延测量对定位精度的影响时，相对定位误差为时，相对定位误差为n 时延估计的精度：时延估计的精度：取决于采样频率取决于采样频率fs。n 采样间隔：采样间隔：令时延测量误差等于采样周期的一半，令时延测量误差等于采样周期的一半，即即 。采样间隔应满足。采样间隔应满足 ,0 t-t ,cos1sin000002其它Tt
16、tTttttttTAtRoutdtcRxxcdTxs22/sTt dRcRXmxmxacos2023-5-1325n 提高测时精度的方法：插值估计相提高测时精度的方法：插值估计相关峰的出现时刻关峰的出现时刻o 设拟合波形函数为设拟合波形函数为o 令令 则则 解得解得 tanrrAB cos22rrBAtr 1111sincosrrBArr2222sincosrrBArr 3333sincosrrBArr 212112sinsinsinrrAr211221sincoscosrrBrtBtAtrrrsincos)(2023-5-1326321312213sinsinsinrrrsT2312ssss
17、ssTrTTrTrTrTrsincossin2 sin2sinsin121232312cosrrrTs2312arccos21rrrTfs 3333sincosrrBArr2023-5-1327kt000)(rtr31k cos22rrBAtr310,t2023-5-1328n 设拟合曲线设拟合曲线o 求求k（k为非负的整数）为非负的整数）212112sinsinsinrrAr211221sincoscosrrBrtanrrAB cos22rrBAtr31kkt02023-5-1329n 自自适应陷波滤波器是具有一对正交权值的自适应滤适应陷波滤波器是具有一对正交权值的自适应滤波器。参考信号为波
18、器。参考信号为n 采用采用LMS算法的算法的 权值迭代公式为权值迭代公式为 n 误差序列为误差序列为)(sinsincoscos )(cos)(knkAkAknkAkxxxxkAkrrSsin)(kAkrrCcos)()()(2)()1(krkekWkWSSS)()(2)()1(krkekWkWCCC)()()(kykxke)()()()()(krkWkrkWkyCCSS2023-5-1330n 比较比较x(k)与与y(k)，可得，可得n 因此有因此有n 自适应陷波器的带宽为自适应陷波器的带宽为)()()()()(krkWkrkWkyCCSS)(sinsincoscos)(knkAkAkxxx
19、sin)(rxSAAkWcos)(rxCAAkW)()(tankWkWCS)/(22秒弧度SrTABkAkrrSsin)(kAkrrCcos)(2023-5-1331n 算法构成算法构成n 两个信号的初相位：利用前面的结论两个信号的初相位：利用前面的结论)()(tankWkWCS)()(tan1111kWkWCS)()(tan2212kWkWCS2023-5-1332n 两个信号的相位差两个信号的相位差 n 相位差的均值相位差的均值o 利用一阶递归滤波器对各个权值进行平均利用一阶递归滤波器对各个权值进行平均o 或直接对各权值进行平均或直接对各权值进行平均o 相位差的均值相位差的均值)()(ta
20、n1111kWkWCS)()(tan2212kWkWCS1212112tantan1tantantan212121211tanSSCCCSSCWWWWWWWW)()1(1)()1(kWkWNkWkWNkkWNW1)(1212121211tanSSCCCSSCWWWWWWWW2023-5-1333n 进行标校的目的：解决系统误差进行标校的目的：解决系统误差o 针对系统误差进行校准针对系统误差进行校准o 转动基阵使利用相位差估计器测得的其中两个基元相位差为转动基阵使利用相位差估计器测得的其中两个基元相位差为0，此相位差为理论入射相位差减系统相位差。同时记录垂，此相位差为理论入射相位差减系统相位差。
21、同时记录垂直的另外两基元的接收相位差。直的另外两基元的接收相位差。o 再次转动基阵约再次转动基阵约180（垂直），再次使两个基元相位差为（垂直），再次使两个基元相位差为0，同时记录垂直的另外两基元的接收相位差。，同时记录垂直的另外两基元的接收相位差。o 利用公式求解出系统的相位差。利用公式求解出系统的相位差。o 定位时，在时间测量，计算信号入射角时，扣除这一附加相定位时，在时间测量，计算信号入射角时，扣除这一附加相位差。位差。2023-5-1334 o 设理论相位差值为设理论相位差值为 21(0)21(0)和和23(0)23(0)o 由电路和水听器造成的相由电路和水听器造成的相 对相位误差为对
22、相位误差为21(e)和和23(e)o 利用相位差估计器测得的两个相位差为利用相位差估计器测得的两个相位差为 21 21 21(0)21(0)21(e)21(e),2323 23(0)23(0)23(e)23(e)n 调整调整调整基阵角度调整基阵角度，使上式为，使上式为0 0。即。即n 此时测得另两阵元间的相位差为此时测得另两阵元间的相位差为0)sin(2)()(2121ed)(2323)cos(2)(ed2023-5-13351)无高精度的机械转动系统时无高精度的机械转动系统时n 将基阵转动大约将基阵转动大约180度，度，再次调整基阵角度使测得再次调整基阵角度使测得的的1、2号阵元间的相位号阵
23、元间的相位差为差为0，此时两次坐标轴，此时两次坐标轴间的夹角为间的夹角为 。于是。于是有有0)sin(2)()(2121ed)(2323)cos(2)(ed-2023-5-1336n 由由(1)、(3)式，可得式，可得)3(0)sin(2)()(2121ed)4()cos(2)()(2323ed)1(0)sin(2)()(2121ed)2()cos(2)()(2323edn由由(2)(4)式，可得式，可得22323)(23e2023-5-133722323)(23e)(2323)cos(2)(ed)(2121)sin(2)(ed)(2323)cos(2)(ed)(21)(2121)sin(2)
24、sin(2)(eedd22121)(21e因此可直接得到因此可直接得到2023-5-1338 基阵未转动时测量的两阵元间的相位差为基阵未转动时测量的两阵元间的相位差为考虑到考虑到hdi，而，而x也很小，经一阶近似后有也很小，经一阶近似后有因而理论相位差（近似值）为因而理论相位差（近似值）为 阵中心)()0(eiririr2/1222/122hxdhxdRirirRiRrxddhddhRiririr12122xddhddhRiriririr121222)0(2023-5-1339将基阵围绕中心转动将基阵围绕中心转动180度之度之后，再次测得两阵元的相位差，后，再次测得两阵元的相位差，记为记为 ，
25、有，有与基阵未转动时同样的方法，可得与基阵未转动时同样的方法，可得ir)()0(eiririrxddhddhRiriririr121222)0(RiRd阵中心2023-5-1340阵中心RiRd)2()()0(eiririr)4(121222)0(xddhddhRiriririr)1()()0(eiririr)3(121222)0(xddhddhRiriririr式式(1)+式式(2)得得)5(2)0()0()(iriririreir22)(12iririreirddh式式(3)和式和式(4)代入式（代入式（5）得得2023-5-1341n 进行标校的目的：解决系统误差进行标校的目的：解决系统
26、误差n 标校：针对系统误差进行校准标校：针对系统误差进行校准o 阵元相位误差阵元相位误差测量在水池进行测量在水池进行o 阵元间距误差阵元间距误差制作基阵时保证制作基阵时保证n 需要的传感器需要的传感器o 垂直参考设备测量基阵姿态角（纵、横摇垂直参考设备测量基阵姿态角（纵、横摇角），姿态传感器，姿态测量仪。角），姿态传感器，姿态测量仪。o 罗径测量船的航向角罗径测量船的航向角o 高精度高精度GPS测量船位测量船位PGPS2023-5-1342n 海上校准的基本过程海上校准的基本过程o 围绕应答器按某一航线航行，围绕应答器按某一航线航行，用超短基线测量应答用超短基线测量应答器的位置，同时记录器的位
27、置，同时记录GPS、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据o 进行坐标系的转换进行坐标系的转换n 将应答器在基阵坐标系中的位置转换为大地坐标系的位置将应答器在基阵坐标系中的位置转换为大地坐标系的位置o 每一次测量值与应答器的参考位置进行比较每一次测量值与应答器的参考位置进行比较o 利用高斯牛顿法解观测方程利用高斯牛顿法解观测方程 n 应答器的参考位置应答器的参考位置xRef用长基线的方法确定用长基线的方法确定RefEarthxxiArrayAlignAttGPSEarthxxxBB为由船坐标系向大地坐为由船坐标系向大地坐标系转换的标系转换的方向余弦矩方向余弦矩阵阵，它由船的航向角，它由船的航向
28、角、横摇角横摇角和纵倾角和纵倾角的正的正、余弦构成余弦构成。由基阵坐标系向船坐标系由基阵坐标系向船坐标系转换的方向余弦矩阵，称转换的方向余弦矩阵，称为为失配矩阵失配矩阵，它也由，它也由3 3个个角度（角度（,）的）的正、余弦构成。正、余弦构成。为用为用GPS测得的测得的大地坐标船位大地坐标船位（天线位置）（天线位置）应答器在基阵坐应答器在基阵坐标系中的位置标系中的位置 2023-5-1343 2023-5-1344n 针对系统误差进行校准针对系统误差进行校准o 阵元附加相位误差阵元附加相位误差-在水池进行在水池进行o 阵元间距误差阵元间距误差-制作基阵时保证制作基阵时保证o 海上校准：海上校准
29、：o 坐标系的转换坐标系的转换o 海上校准的基本过程海上校准的基本过程 o 校准结果校准结果2023-5-1345n 基阵系统测量的应答器位置为基阵系统测量的应答器位置为 xArray(Xa,Ya,Za)应答器的大地坐标为应答器的大地坐标为 PEarthPGPSBAtt xArray BAtt 3个姿态角的方向余弦矩阵。个姿态角的方向余弦矩阵。若在基阵安装时船的框架未与基阵框架配准，则须进行若在基阵安装时船的框架未与基阵框架配准，则须进行额外的旋转变换额外的旋转变换 BAlign-常数矩阵，由常数矩阵，由3个角度偏移量决定个角度偏移量决定 以应答器地理坐标为观测值，以（以应答器地理坐标为观测值
30、，以（,）为未知数，利）为未知数，利用参数估计法估计参数。用参数估计法估计参数。2023-5-1346n 海上校准的基本过程海上校准的基本过程o围绕应答器按某一航线航行，围绕应答器按某一航线航行，用超短基线测量应答器的位置，用超短基线测量应答器的位置，同时记录同时记录GPS、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据o 进行坐标系的转换进行坐标系的转换n将应答器在基阵坐标系中的位置转换为大地坐标系的位置将应答器在基阵坐标系中的位置转换为大地坐标系的位置o 每一次测量值与应答器的参考位置进行比较每一次测量值与应答器的参考位置进行比较o 计算计算 值，使其最小，求出失配值值，使其最小，求出失配值o 用
31、新的失配矩阵求应答器的大地坐标，并作为新的参考位置用新的失配矩阵求应答器的大地坐标，并作为新的参考位置n用长基线的方法确定应答器的参考位置用长基线的方法确定应答器的参考位置xRefRefEarthxxiArrayAlignAttGPSEarthxxxBBiiTiQ),(Align为由船坐标系向大地坐为由船坐标系向大地坐标系转换的标系转换的方向余弦矩方向余弦矩阵阵，它由船的航向角，它由船的航向角、横摇角横摇角和纵倾角和纵倾角的正的正、余弦构成余弦构成。由基阵坐标系向船坐标系由基阵坐标系向船坐标系转换的方向余弦矩阵，称转换的方向余弦矩阵，称为为失配矩阵失配矩阵，它也由，它也由3 3个个角度（角度（,）的）的正、余弦构成。正、余弦构成。为用为用GPS测得的测得的大地坐标船位大地坐标船位（天线位置）（天线位置）应答器在基阵坐应答器在基阵坐标系中的位置标系中的位置
