基于多基元的水下目标高精度测速方法

　　1引言

　　测速和定位是两个互相关联而又不同的概念。对水下目标运动速度测量目前主要有两种方式，利用多普勒测速和位置平均法测速。利用多普勒计程仪测速受目标颠簸、波束宽度、波束倾角等因素的影响，测速精度不高，而且对频率的分辨率、测量时延的准确性要求很高[1]，难以满足现有水下目标测量任务的需要。而一般平均法测速利用定位系统测得的位置，用求平均方式得到目标的速度，要取得高精度需较长的平滑时间，而瞬时速度却因位置的误差难以得到高精度。

　　本文根据水下测控基阵提供的目标时延信息，提出一种新的测量水下目标速度的方法，并做了误差分析、实测数据验证，其测量精度达到0.2kn。

　　2基本原理

　　在水里布放的测量基阵如图1所示， 图中O1、O2、O3、O4为测量基元)。目标S安装声源，发出同步CW脉冲信号，利用双曲面定位原理完成对目标的定位，而目标速度投影和单位时间内在各测量基元径向上位移等价，联合利用信号传播时延差及位置解确定目标的运动速度。

　　2.1利用时延差测量目标径向速度

　　在水下阵测量系统中，目标在运动过程中按设定的同步周期连续地发射CW脉冲信号。由于其与测量基元的相对运动，使得发射信号前后两次到达接收机的时延差不再是系统同步周期，而是存在偏差△t。设系统同步周期为T0，目标在同步周期内作直线运动，存在关系式：

　　式中，△ri为一个同步周期内目标在径向上靠近或远离测量基元i的距离;vi为目标的径向速度;T0为系统同步周期。 设测时精度△t为0.1ms，同步周期T0为2s，则测速精度约为0.15kn。当系统同步周期增大时，速度测量将会更加精确(假定在本周期内目标直线运动)。通过式(1)可以得到一个周期内的目标相对于单个测量基元的径向速度vi， 而目标的速度由各个基元联合计算测到。

　　2.2结合位置测量计算目标速度

　　根据双曲面交汇定位模型， 设目标位置为x、y、z，阵元i的位置为xi、yi、zi，两者之间距离为ri，三者之间满足基本关系式[2]：

　　联合利用各阵元测距信息(ri=cti，ti为时延)，可以求出目标位置(x，y，z)。 对式(2)求全微分有

　　两边同除时间微元dt，有

　　其中，vi为目标相对于阵元i的径向速度，vx、vy、vz为目标速度矢量的三个正交分量，它们相对于指北坐标系。

　　ri对应信号的传播时延，vi对应信号的时延差。为了求解速度变量，利用式(2)进行定位，求出目标位置x、y、z，再由式(4)解出速度矢量vx、vy、vz。系统采用同步工作方式，考虑三维问题，利用三个阵元(i=1，2，3)，(4)式中令