时延/时延差组合定位模型抗距离模糊技术

　　1 引言

　　主动式水声定位系统大多数使用同步声脉冲测距技术。使用脉冲探测目标时, 只要计算从发射起到目标应答回波达到接收点的时间延迟再换算成距离即可[1]。但当信号的传播时延大于脉冲重复周期时, 将会引起时延测量的不确定性, 可能相差若干个重复周期, 由此引起的测距多值性称为距离模糊[2,3]。

　　现有设备抗距离模糊多采用硬件方法, 如哈尔滨工程大学水声工程学院研制的MATS系统[5]通过对声信标的改造, 用两种不同频率的信号分别代表帧同步码和游标码, 借助于长周期帧同步码来判定模糊区间; 再如英国的SMARTRACK系统采用在每个接收阵元上加装超短基线水声定位系统来解决模糊问题。无论是对信源还是对接收机的改造均使系统趋于复杂。距离 模糊也是脉冲多普勒雷达(PD雷达)所必须面对的问题。PD雷达的脉冲重复频率(PRF)很高, 通常会产生距离模糊。为解决此问题,PD雷达最常用的一种方法是孙子定理算法[2,4], 基本原理是利用多重脉冲重复频率, 顺序测出各个重复频率对应的无模糊距离, 再将这些测量值加以比较或计算处理, 得到真实距离。显然, 多重脉冲重复频率无疑给发射和接受设备带来额外的负担。在雷达和水声领域还有脉冲调频抗模糊方法[2,3,6], 只要调频周期大于系统作用距离对应的信号传播时间, 就可以利用收发信号的差频抗模不适用于不同的试验条件。哈尔滨工程大学水声工程学院研制的GRAT系统首次采用了软件抗距离模糊的方法: 举手表决法和参考位置标示法。但前者抗模糊主要利用真解的一致性, 冗余阵元是必需的。后者抗模糊依赖目标初始就位点这一先验信息[7]。

　　对于没有冗余阵元可利用和无先验信息可利用的情况, 并且在有连续虚警和漏报时这两种软件抗距离模糊方法就显得过于局限了。

　　为此, 本文提出了一种的软件抗距离模糊方法,即时延测量定位与时延差测距方式相结合的抗距离模糊方法, 旨在用单脉冲的时延信息实现无模糊定位和跟踪, 无需任何先验信息和冗余阵元。此方法已应用在某水声定位系统中, 并通过湖上和海上试验, 验证了理论和工程上的可行性和稳定性。

　　2 时延测量定位模型和距离模糊

　　主动水声定位系统主要是利用水下合作目标发射的脉冲信号到达各个阵元的时延(或时延差)信息进行方位及距离( 或距离差) 的测量, 从而实现对目标进行定位的。每一阵元时间测量确定声源所在一个球面, 即[3]:

　　式(1) 中(xi, yi, zi)和ti分别是第i个基元的空间坐标和接收到信号的时刻相对于接收机时钟的时间, (xs, ys, zs)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, 当ts≠0 时或ts已知时, 系统为同步工作方式, 公式(1)为球面交汇模型。当其中ts≠0且ts未知时, 系统为非同步工作方式。c为声波在水中的传播速度。