多普勒效应对水下高速运动目标被动定位的影响及其抑制方法
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
频率 ｆｚ Ｈ１ 目标噪声信号 功率谱
声时 域波 形可 以描 述 为 ： Ｊ
（ ＝１ 口 ） ｘ） Ｓ ｌ （｝ ＋ １） ） ＋ ｆＳ （
连续 分量 、线 谱分量 对 应 的时域 波形 。
（） １
频率 ２ ）
其中，ａ ｔ为周期调制波形； （ 和 Ｓ（ 分别为 （ ） ｆ ） ） ｔ
根据 上述 公式 ，将 仿真 产生 的线 谱 与连续 谱信
号 相叠加 后 ，通过 一个 参数 与舰 船 目标信 号相 匹配 的低通滤 波 器 ， 可得 到仿 真 的舰船 噪 声信 号 ， 图 ｌ 如
所示 。
对 性 的给 出了抑制 多普 勒效 应 影响 的方法 ，并进 行
了仿 真分 析 。
２ １ 年 第 ３期 ０２
声学 与 电子工程
总 第 １ ７ 期 ０
多普 勒 效 应 对 水 下 高速 运 动 目标 被 动 定位 的 影 响及 其 抑 制 方 法
梁 文 磊 陈励 军
（ 东南大学信 息科 学与工程学院 ，南京 ，２ ０ ９ ） １ ０ ６
摘 要 为改 善 水 Ｆ高 速 运 动 目标 被 动 定 位 精 度 ，通 过 仿 真 分析 给 出抑 制 多普 勒效 应 的方 法 。 首先 介 绍
换 ， 且进 行信 息变 换 。 文采 用 的是 Ａ 而 本 ＣＴ水声 信
２ ２
梁文磊 等：多普勒效应对水下 高速运动 目 标被动定位 的影响及其抑制方法
号 处理 工 具箱 中 的 Ｂ Ｌ ＨＯ Ｅ Ｌ Ｐ声线模 型 来构 建水 声
信 道模 型 的 ，通 过 给定 声环 境 参数 就可 仿真 获得 二 维 声线 的传 播参 数 。图 ２所 示 为 Ｂ Ｌ Ｈ Ｅ Ｌ ＯＰ信 道 模 型 的仿 真示 意 图，其 中 Ｄ 表 示 直达 波 ，Ｓ Ｂ１表 示 Ｏ 零次 海 面反 射一 次海 底 反射 ， １ 表 示 一次海 面 反 Ｓ Ｂ１ 射 一 次海 底 反射 ，其 他类 同。
图 １仿 真 噪 声 谱 示 意 图
线 谱分量 可 以通 过直 接把 一组 谐波信 号叠加 于
连续 谱 噪声 上来 实现 ，这 些谱 波 以一组 可 以反 映实 际 目标 特征 的 参数来 选 定 ， ｉ阶 谐波 组形 式 为 ： 第 ］
１２ 传播 信 道建模 仿 真 ． 海洋 及其 边 界构 成对水 下 声传 播非 常复 杂 的信 道［１ ２ 。水 声信 道 不 仅 对 目标辐 射 信 号进 行 能 量 变 ， ５
２高速 运动 目标 的多普勒效应
由于 被动 定位 的实现 主 要依靠 基 阵 阵元 接 收信 号 间 的时延 差估 计 ，因此 估计 时延 差 的精度 将直 接
决定被 动 定位 的精度 。如 果 目标 与接 收基 阵之 间存
在 相对 位移 ，则 基 阵所 接 收到 的信 号将 受到 多普 勒 效应 的影 响。对 于水 下高速 运 动 目标 ，多普 勒效应 将对 信 号 问的相 关性产 生 很大 的影 响［ １ 这 种影 响 ｇ。 ， ９
声信 号 。
本 文对 水 Ｆ目标 噪 声信 号 和水 声传 播信道 进 行 建 模仿 真 ，并通 过仿 真 的五元 十字 阵对 接收 到 的 目
标 噪 声仿真 信 号进 行处 理 ， 到对 目标 定位 的 目的 。 达 ｝ 分析 了多普勒 效应 对 目标被 动定位 的影 响，针 ！ 要
了 本 的水下信号模型和水 卜 声传播信道模 型，分析 了多普勒效应对被动定位的影响，给出抑制方案 。随
后 分 析 了所 给 出 办 案 的性 能 ， 并 且 通 过 仿 真 ， 分 析 了 出 现 误 差 的 原 因 ，得 到 了 提 高 定 位 精 度 的关 键 凶 素 。
仍 真结果表 叫，该方 案可 以有效抑制 多普勒效应对被动定位的影响 ，具有较强的实用 性。
能够根 据具 体舰 船进行 设 置 的参 数 。连续 谱 噪声 可
讲嚣
此 多普勒 效应 成 为制约 被动 声 呐定位 精度 的重 要 因
素之 ‘ 。
以用 宽平 稳 随机 过 程 来 拟 合， 常 是将 高 斯 白噪 声 通 信 号通 过 一 个 Ｉ 滤 波器 ，来 得到 一 定频带 内的噪 一 Ｉ Ｒ
：３ 喝 ｘ １ ０ ＂
。
ＢＥＬ Ｈ０Ｐ Ｔｍｅ ｅ ￣ － ＿ Ｌ ｉ Ｄ ｌｙ Ａｍｐｉ ｄ ｌｕ ｅ ｌ ＇
直接 表现 为通 过 各 阵元 接 收信 号与 参考 阵元做 互相
１仿 真 模 型 及 分 析
１ １ 目标辐 射 噪声 信号 建模 仿真 ．
舰 船 、潜艇和 鱼 雷是 良好 的水下 声源 【 ］ 船 ｌ 。舰 ＇ ２ 辐 射 噪声 谱主 要 由有连 续谱 的宽 带噪 声和 具有 非连 续 离 散线 谱 的单频 噪声 混合 叠加 而成 。舰 船辐射 噪
１ 皿］ ＝ 二 ＝ ＝
பைடு நூலகம்
＝ ｎ ｃ ｃ ∑ｉＬ ＋）］ 兀 ｌ） ｌ等 Ｊ ［哮 ｝＿ ２ ＋２
＝
ａｎ ｉ ｉＳｎ
ｎ＝ｌ
作 过程 中容 易暴 露 ，因此 隐蔽 性极 强 的被 动 声呐逐 渐 成 为水 声应用 的热 点 。水下 或水 面 目标高速 运 动 时 ，接 收 到 的 目标 信号将 受 到多普 勒效 应 的影 响而
产 牛 失真 ，对 定位 结果 和精 度产 生较 大 的影响 。 因
式 中， 为第 ｉ阶谐 波 组所包 含 的谐波 分 量数 ， 是［ ２ ］ 的均匀 随机量 ， 值 由谱 分析 参数给 出， ０， 兀 上 每 一组谐 波有 独立 的 随机 漂 移相位 （ ， 和 是 ）
关 键 词 噪 声 信 号； 被 动 定 位 ； 时 延估 计 ； 多普 勒 效 应 ； 定位 精 度
海 洋 声学 主要 利用 声波在 水下 可 以远距 离低 损 耗 的传播 特性 ，通 过声 电转 换和信 号 处理等 技 术 ，
完成 水下 的 目标探 测和 通讯 等任 务 。主动 声呐 在工
声时 域波 形可 以描 述 为 ： Ｊ
（ ＝１ 口 ） ｘ） Ｓ ｌ （｝ ＋ １） ） ＋ ｆＳ （
连续 分量 、线 谱分量 对 应 的时域 波形 。
（） １
频率 ２ ）
其中，ａ ｔ为周期调制波形； （ 和 Ｓ（ 分别为 （ ） ｆ ） ） ｔ
根据 上述 公式 ，将 仿真 产生 的线 谱 与连续 谱信
号 相叠加 后 ，通过 一个 参数 与舰 船 目标信 号相 匹配 的低通滤 波 器 ， 可得 到仿 真 的舰船 噪 声信 号 ， 图 ｌ 如
所示 。
对 性 的给 出了抑制 多普 勒效 应 影响 的方法 ，并进 行
了仿 真分 析 。
２ １ 年 第 ３期 ０２
声学 与 电子工程
总 第 １ ７ 期 ０
多普 勒 效 应 对 水 下 高速 运 动 目标 被 动 定位 的 影 响及 其 抑 制 方 法
梁 文 磊 陈励 军
（ 东南大学信 息科 学与工程学院 ，南京 ，２ ０ ９ ） １ ０ ６
摘 要 为改 善 水 Ｆ高 速 运 动 目标 被 动 定 位 精 度 ，通 过 仿 真 分析 给 出抑 制 多普 勒效 应 的方 法 。 首先 介 绍
换 ， 且进 行信 息变 换 。 文采 用 的是 Ａ 而 本 ＣＴ水声 信
２ ２
梁文磊 等：多普勒效应对水下 高速运动 目 标被动定位 的影响及其抑制方法
号 处理 工 具箱 中 的 Ｂ Ｌ ＨＯ Ｅ Ｌ Ｐ声线模 型 来构 建水 声
信 道模 型 的 ，通 过 给定 声环 境 参数 就可 仿真 获得 二 维 声线 的传 播参 数 。图 ２所 示 为 Ｂ Ｌ Ｈ Ｅ Ｌ ＯＰ信 道 模 型 的仿 真示 意 图，其 中 Ｄ 表 示 直达 波 ，Ｓ Ｂ１表 示 Ｏ 零次 海 面反 射一 次海 底 反射 ， １ 表 示 一次海 面 反 Ｓ Ｂ１ 射 一 次海 底 反射 ，其 他类 同。
图 １仿 真 噪 声 谱 示 意 图
线 谱分量 可 以通 过直 接把 一组 谐波信 号叠加 于
连续 谱 噪声 上来 实现 ，这 些谱 波 以一组 可 以反 映实 际 目标 特征 的 参数来 选 定 ， ｉ阶 谐波 组形 式 为 ： 第 ］
１２ 传播 信 道建模 仿 真 ． 海洋 及其 边 界构 成对水 下 声传 播非 常复 杂 的信 道［１ ２ 。水 声信 道 不 仅 对 目标辐 射 信 号进 行 能 量 变 ， ５
２高速 运动 目标 的多普勒效应
由于 被动 定位 的实现 主 要依靠 基 阵 阵元 接 收信 号 间 的时延 差估 计 ，因此 估计 时延 差 的精度 将直 接
决定被 动 定位 的精度 。如 果 目标 与接 收基 阵之 间存
在 相对 位移 ，则 基 阵所 接 收到 的信 号将 受到 多普 勒 效应 的影 响。对 于水 下高速 运 动 目标 ，多普 勒效应 将对 信 号 问的相 关性产 生 很大 的影 响［ １ 这 种影 响 ｇ。 ， ９
声信 号 。
本 文对 水 Ｆ目标 噪 声信 号 和水 声传 播信道 进 行 建 模仿 真 ，并通 过仿 真 的五元 十字 阵对 接收 到 的 目
标 噪 声仿真 信 号进 行处 理 ， 到对 目标 定位 的 目的 。 达 ｝ 分析 了多普勒 效应 对 目标被 动定位 的影 响，针 ！ 要
了 本 的水下信号模型和水 卜 声传播信道模 型，分析 了多普勒效应对被动定位的影响，给出抑制方案 。随
后 分 析 了所 给 出 办 案 的性 能 ， 并 且 通 过 仿 真 ， 分 析 了 出 现 误 差 的 原 因 ，得 到 了 提 高 定 位 精 度 的关 键 凶 素 。
仍 真结果表 叫，该方 案可 以有效抑制 多普勒效应对被动定位的影响 ，具有较强的实用 性。
能够根 据具 体舰 船进行 设 置 的参 数 。连续 谱 噪声 可
讲嚣
此 多普勒 效应 成 为制约 被动 声 呐定位 精度 的重 要 因
素之 ‘ 。
以用 宽平 稳 随机 过 程 来 拟 合， 常 是将 高 斯 白噪 声 通 信 号通 过 一 个 Ｉ 滤 波器 ，来 得到 一 定频带 内的噪 一 Ｉ Ｒ
：３ 喝 ｘ １ ０ ＂
。
ＢＥＬ Ｈ０Ｐ Ｔｍｅ ｅ ￣ － ＿ Ｌ ｉ Ｄ ｌｙ Ａｍｐｉ ｄ ｌｕ ｅ ｌ ＇
直接 表现 为通 过 各 阵元 接 收信 号与 参考 阵元做 互相
１仿 真 模 型 及 分 析
１ １ 目标辐 射 噪声 信号 建模 仿真 ．
舰 船 、潜艇和 鱼 雷是 良好 的水下 声源 【 ］ 船 ｌ 。舰 ＇ ２ 辐 射 噪声 谱主 要 由有连 续谱 的宽 带噪 声和 具有 非连 续 离 散线 谱 的单频 噪声 混合 叠加 而成 。舰 船辐射 噪
１ 皿］ ＝ 二 ＝ ＝
பைடு நூலகம்
＝ ｎ ｃ ｃ ∑ｉＬ ＋）］ 兀 ｌ） ｌ等 Ｊ ［哮 ｝＿ ２ ＋２
＝
ａｎ ｉ ｉＳｎ
ｎ＝ｌ
作 过程 中容 易暴 露 ，因此 隐蔽 性极 强 的被 动 声呐逐 渐 成 为水 声应用 的热 点 。水下 或水 面 目标高速 运 动 时 ，接 收 到 的 目标 信号将 受 到多普 勒效 应 的影 响而
产 牛 失真 ，对 定位 结果 和精 度产 生较 大 的影响 。 因
式 中， 为第 ｉ阶谐 波 组所包 含 的谐波 分 量数 ， 是［ ２ ］ 的均匀 随机量 ， 值 由谱 分析 参数给 出， ０， 兀 上 每 一组谐 波有 独立 的 随机 漂 移相位 （ ， 和 是 ）
关 键 词 噪 声 信 号； 被 动 定 位 ； 时 延估 计 ； 多普 勒 效 应 ； 定位 精 度
海 洋 声学 主要 利用 声波在 水下 可 以远距 离低 损 耗 的传播 特性 ，通 过声 电转 换和信 号 处理等 技 术 ，
完成 水下 的 目标探 测和 通讯 等任 务 。主动 声呐 在工