一种基于超短基线的高精度多目标水声定位技术研究

　　水下定位技术是解决水下作业的前提和关键。当前,大多海洋工程,如海洋油气开发、深海矿藏资源调查、海底光缆管线路由调查与维护等,需要声学定位系统对水下拖体进行导航定位,海洋灾害性地质研究、水下考古探测等,也需要声学定位系统为其资料提供准确的空间位置。我国只有少数机构在进行水声定位技术的研究,与国外的发展水平还有一定的差距,到目前为止,没有成熟的产品,大部分都只限于国外引进,如/大洋一号0综合海洋科学考察船装备的就是Posidonia6000超短基线定位系统。法国Ixea、英国Sonardyne、挪威Simrad等公司的商用超短基线定位系统产品均具有一定的多目标定位能力,区别多目标的方式多采用划分窄频带,其优点是简单易行,但未能充分利用可用的工作带宽,作用距离有限,并且支持的多目标数目有限。

　　本文提出一种基于COSTAS阵列[1~5]的多目标水声定位技术,它具有宽带信号的特征,并且支持的目标个数可以进行扩展,因此更适合水声使用。本文首先介绍了超短基线定位的基本原理,在此基础上对COSTAS跳频信号进行了分析和仿真,最后给出了利用COSTAS跳频信号进行多目标水声定位的试验结果。

　　1 超短基线定位原理

　　超短基线定位系统确定水下目标位置是通过测量信号的到达方位和距离来定位的,而测向任务是通过测量信号到达接收基阵基元之间的相位差来实现的,它是超短基线定位系统的关键。一般来说,最少需要三个接收基元构成平面接收阵才能够作为超短基线阵进行目标的三维定位。其定位原理几何图如图1所示,取/北东地0直角坐标系(x,y,z)。

　　设目标位于S处,其坐标为[x,y,z]。2个正交的直线阵分别置于x轴和y轴上,阵的中心为坐标原点。

　　目标径矢为OS,它的方向余弦为:

　　式中:α为径矢OS与x轴的夹角;β为径矢OS与y轴的夹角;R为目标斜距;Sc为S在xOy平面上的投影,它与x轴的夹角θ为目标水平方位角;θ为:

　　式中: r为目标水平斜距;z为目标深度。

　　式(1)~(5)为定位计算的基本公式。可按上述诸式计算目标的位置参数。

　　基阵的尺寸很小,在平面波近似下,有:

　　式中: c为水中声速;L为阵元间距;τx为x轴两阵元接收信号时延差;τy为y轴两阵元接收信号时延差。

　　将式(6)(7)代入式(1)(2),得到:

　　式中:R=c.Δt/2,Δt为从发送信号到接收到信号的时间差。

　　因此,实际的测量值为τx,τy,c和Δt,这样就得到了目标的位置。

　　2 COSTAS跳频信号分析