水声定位实时抗距离模糊方法

　　1　引言

　　水声跟踪定位系统的工作原理是在海底或海面布设水声测量阵元，通过测量目标声源主动或被动应答发出的声信号传播到各个接收阵元的时延(对同步系统)或时延差(对异步系统)，采用球面交汇(对同步系统)或双曲面交汇(对异步系统)来确定目标在发射信号时刻的水平位置[1～2]。

　　当目标与测量阵元相距较远，而测量周期又较短时，就会出现传播时延测量的不确定性。本周期收到的声信号可能是前一个周期甚至几个周期前发出的，可能相差若干个重复周期，从而导致跟踪定位轨迹变形、搬移，称为“距离模糊”。

　　由于存在距离模糊，可用于信号分组的信息量相对较少，给各阵元测量数据正确分组带来了较大的困难。然而对于水声跟踪定位系统，特别是导航系统来说，必须保证定位解算的实时性和定位轨迹的唯一性和正确性。因此，实时抗距离模糊是一个关键的技术难题，必须解决。

　　2　距离模糊形成机理

　　2.1　水声跟踪定位工作原理[2]

　　在海底或海面布设N个测量阵元，水下目标作定深航行，目标声源周期性地发射声信号，各接收阵元接收测量声信号传播时延，利用球面交汇或双曲面交汇求解。时延测量水声定位的基本数学模型为

　　其中(xi，yi，zi)和ti分别是第i个阵元的空间位置和第i个阵元接收到信号时刻相对于接收机时钟的时间(系统记录时延)。(x，y，z)和ts分别为声源(目标)空间坐标和信号发射时刻相对于接收机时钟的时间。

　　对同步式定位系统，声源发射信号和接收机时钟同步，即ts=0。式(1)可写为

　　这是一个球面交汇模型，未知量为(x，y，z)。三个球面交于两点，一般讲，四个球面即可确定空间唯一点。

　　当目标深度z先验已知时，式(2)蜕化为“圆交汇模型”。两个圆相交于两点(相切时为一点)，若有第三个方程，即可确定平面上一个唯一的点。

　　对异步定位系统，声源时钟与测量系统时钟不同步，ts为未知量，异步定位模型即式(1)。

　　由于声源到两个阵元的距离差为定值，对应的二次方程确定一个双曲面，称为“双曲面交汇模型”。方程含有四个未知量(x，y，z)和ts，只要M≥4即可用该模型同时求出时钟偏差ts和目标的三维空间位置。

　　2.2　距离模糊产生机理分析

　　在水声跟踪定位系统中，产生距离模糊的原因是既要满足大范围导航定位要求，又要提高系统导航定位帧率引起的，由于系统定位测量周期较短，使得声源信号隔了一个或多个测量周期才到达远处的测量阵元。