时空相关测速方法理论模型研究

    声学测速技术中,多普勒测速技术是一种行之有效且技术成熟的技术,因而多普勒速度计程仪成为迄今为止应用最广也最成功的自主导航设备之一.在工作水深不大时,可采用较高的工作频率,因而在保证基阵具有要求的波束宽度的情况下,阵尺寸通常不会太大.但是,当工作于深海海区时,必须采用较低的工作频率,仍要形成同样束宽的指向性波束,基阵尺寸必然增大.即使采用相控阵技术[1],在对深水跟踪时,基阵尺寸仍然较大.近些年来,已广泛开展了相关测速技术的研究相关测速声呐与多普勒测速声呐的机理不同,在满足同等精度的条件下,具有很多优点,如跟踪海底的深度大、抗摇摆性能好、换能器体积小、重量轻、发射功率低等.早期的声相关计程仪,多采用时间或空间相关法(采用相关系数内插确定相关峰的位置矢量)[2],采用常规的相关解算装置确定速度.为提高测速精度[3],提出了基于声传播机理构造海底回波的理论空间相关函数的方法[4],采用最大似然方法估计未知参数[5].但由于构造的理论相关函数比较复杂,很难通过求解方程得到精确解,必须通过参数搜索的方法确定未知参量.由于时空相关函数模型是相关测速的基础,本文首先较详细地推导了海底回波的时空相关理论函数,其次给出了舰船摇摆时的坐标修正方法.

    1 海底回波的时空相关理论模型

    理论模型是实际问题的一种逼近,由于相关测速的物理过程是很复杂的.因此,理论模型的推导需略去物理问题中一些较次要的因素,仅考虑其主要因素.这种假定在一定条件的限制下,有合理性的一面.其基本假设为:

    1)忽略二次反射声,即散射声的再次散射被认为是不重要的;

    2)不失一般性,假定水层是等声速层,因而声线是直线;

    3)散射点统计均匀地散布在海底上;

    4)海底由一系列相互独立的散射点构成,称为散射结构.散射结构在相关测速时间内是稳定的;

    5)散射点位于远场,也就是海底回波深度远大于接收基元的间隔;

    6)空间相关测速方法一般采用多个接收器,舰船坐标系与大地坐标系也是不一致的.为讨论问题的方便,文中只假定2个接收器A、B,在讨论模型时假定舰船坐标系与大地坐标系是一致的,在本文的后一部分给出了坐标修正公式;

    7)由于船速远小于声速,声波往返时间内接收阵运动很小,可以认为声线往返重合.

    设接收器A、B的坐标为A(A1x,A1y,A1z)、B(A2x,A2y,A2z).发射器向下发射信号,在时间t(=射后Oc,由接收器A(A1x,A1y,A1z)接收.再经过时间S(A、B2接收点的延时差),此发射信号经Oc点反射后由接收器B(A2x+2vxS,A2y+2vyS,A2z+2vzS)接收.由于在相关测速中,由一个发射器发射,多个接收器接收.从发射器到海底散射点的传播路径是相同的,由于接收位置的不同导致产生延时差,实际上S即是双程传播的程差.同一散射体散射的信号在A、B2点接收的相关值决定于信号到达2点的相位差.此相位差包括2部分传播程差和船速引起的声速多普勒变化.