CN104316906B - 基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，由信号发射组件和信号接收组件组成；信号发射组件包括两个参考声源换能器、信号发生器和功率放大器，信号接收组件由若干个水听器阵元组成。本发明通过在被测高速水下运动目标上设置双参考源，双参考源在不同时刻辐射不同频率的脉冲声波，由水听器阵对其信号进行采集，通过已知的各水听器精确位置、双参考源间距、脉冲信号参数信息等，即可得到直航水下航行器在不同时刻的航速、航向、与测噪点的间距等参数，使水下航行器噪声源识别结果更为精确。试验表明，此系统得到的航迹结果，其航向估计偏差可控制在1％以内，正横距离估计偏差可控制在9％以内。
Description
技术领域
本发明涉及运动目标航迹估计领域，具体为一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，主要用于对水下高速运动目标的航迹信息进行测试和分析，包括不同时刻运动目标的航速、航向、航深等参数。
背景技术
水下航行器的噪声源众多，生成机理复杂，为了有针对性地开展噪声控制，必须对噪声源进行分离和识别。实航水下航行器在工作过程中由于高速运动，接收到的辐射噪声将产生多普勒频移，对噪声源识别结果带来较大的误差。因此，需对水下航行器的航迹进行估计，以进行解多普勒解算，将运动目标看成静止声源进行分析。目前现用的技术主要使用单参考声源段进行航迹轨迹，可通过解算参考源的航向来估计航迹；也可加装GPS同步时钟设备对参考源发射和接收端进行时钟同步，通过接收延迟估算航迹。但此类方法解算航迹误差较大，同时要求目标作匀速直线运动，限制条件较多，工程可实施性不高。
发明内容
为满足水下高速运动目标航迹估计的需求，本发明提出一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，在实航水下航行器上两个位置加装脉冲参考声源，双参考源在不同时刻辐射不同频率的脉冲声波，由水听器阵对其信号进行采集，通过已知的各水听器精确位置、双参考源间距、脉冲信号参数信息等，即可得到直航水下航行器在不同时刻的航速、航向、与测噪点的间距等参数，使水下航行器噪声源识别结果更为精确，为进一步的对运动目标进行噪声测试及噪声源部位识别提供支撑。
本发明的技术方案为：
所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：由信号发射组件和信号接收组件组成；所述信号发射组件包括两个参考声源换能器、信号发生器和功率放大器；两个参考声源换能器安装在被测高速水下运动目标上，且沿被测高速水下运动目标轴向，两个参考声源换能器的间距不小于0.5m；信号发生器连接功率放大器，功率放大器分两路分别输出至两个参考声源换能器；两个参考声源换能器在不同时间发射脉冲信号，两个参考声源换能器发出脉冲信号的时间间隔t满足t<T/2-W，且两个参考声源换能器发出的脉冲信号的频率间隔不少于1kHz；对于每个参考声源换能器发出的脉冲信号，要求脉冲信号的周期T不小于脉冲宽度W的10倍，脉冲信号的强度比被测高速水下运动目标辐射噪声在该脉冲信号对应频段内的连续谱能量高至少10dB；所述信号接收组件由若干个水听器阵元组成，阵元间距大于两个参考声源换能器发出的脉冲信号的波长。
所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：参考声源换能器发出的脉冲信号为正弦波脉冲，脉冲宽度小于水面或水底的一次反射时延。
所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：靠近被测高速水下运动目标尾部的换能器先发射信号，靠近被测高速水下运动目标头部的换能器后发射信号。
所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：两个参考声源换能器安装在被测高速水下运动目标的同一侧。
所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：信号接收组件的位置水深不小于50m；信号接收组件吊放在水下20m的位置。
所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：信号接收组件中的水听器选择圆柱型球头水听器。
有益效果
本发明在被测高速水下运动目标上设置双参考源，双参考源在不同时刻辐射不同频率的脉冲声波，由水听器阵对其信号进行采集，通过已知的各水听器精确位置、双参考源间距、脉冲信号参数信息等，即可得到直航水下航行器在不同时刻的航速、航向、与测噪点的间距等参数，使水下航行器噪声源识别结果更为精确。试验表明，此系统得到的航迹结果，其航向估计偏差可控制在1％以内，正横距离估计偏差可控制在9％以内。
附图说明
图1：本发明在被测高速水下运动目标上的安装示意图。
其中：1.水下航行器，2.高频换能器，3.中频换能器，4.参考源装置段，5.水听器阵列。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
为了解算水下航行器1在不同时刻的航迹参数，为噪声测试或噪声源部位识别提供精确的航速、航向、与测噪点的间距等信息，本实施例采用基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统实现水下航行器1的航迹估计。
该系统由信号发射组件和信号接收组件组成。
所述信号发射组件包括两个参考声源换能器、信号发生器和功率放大器。本实施例中在水下航行器1的头部加装高频换能器1，在参考源装置段4加装中频换能器3，沿水下航行器1的轴向，两换能器中心间距大于0.5m，且位于水下航行器1的同一侧。参考源装置段4中除了加装中频换能器3外，还装有信号发射装置，包括小型的信号发生器、功率放大器和电池。信号发射装置电源均通过电池进行供电，信号发生器连接功率放大器，功率放大器分两路分别输出至两个参考声源换能器。本实施例中参考声源换能器还受水下航行器1控制信号控制，保证当水下航行器1入水后，参考声源换能器才上电工作，防止烧毁仪器。
所述信号接收组件采用水听器阵列进行信号采集，一般在距航迹100m内的位置进行噪声测试。信号接收组件由若干个水听器阵元组成，阵元间距大于两个参考声源换能器发出的脉冲信号的波长，各阵元的坐标精确已知。本实施例中，信号接收组件的水听器阵列放置在距航迹50m左右的位置，平行于航迹进行噪声测试。水听器阵列设计为阵元个数为7，阵元间距为1m，阵列孔径为6m的水听器直线阵。信号接收组件的位置水深不小于50m，水听器直线阵吊放在水下20m的位置，以减少水底和水面声反射对脉冲信号的影响。水听器选择圆柱型球头水听器，安装在直线长杆上时，水听器球头尽量远离安装杆，以减少声反射。
两个参考声源换能器在不同时间发射脉冲信号，两个参考声源换能器发出脉冲信号的时间间隔t满足t<T/2-W，且两个参考声源换能器发出的脉冲信号的频率间隔不少于1kHz；对于每个参考声源换能器发出的脉冲信号，要求脉冲信号的周期T不小于脉冲宽度W的10倍，脉冲信号的强度比被测高速水下运动目标辐射噪声在该脉冲信号对应频段内的连续谱能量高至少10dB。且为了避免或减少多途效应，参考声源换能器发出的脉冲信号为正弦波脉冲，脉冲宽度小于水面或水底的一次反射时延。
本实施例中，脉冲周期选择200ms～250ms，脉宽选择10ms～20ms，两脉冲信号的间隔选择50ms。水下航行器表面辐射噪声主要集中在6kHz以内的频段，因此本实施例中，双参考源装置的辐射脉冲频率范围避开水下航行器主要的辐射噪声频段，选择6kHz～10kHz频段，其中高频换能器2辐射脉冲选择9kHz～10kHz频段，中频换能器3辐射脉冲频率选择6kHz～7kHz频段。两换能器需在不同时间发射信号，靠近尾段的换能器先发射信号，靠近头段的换能器后辐射信号，从而加大两换能器实际信号发射间距，避免由于运动造成的信号发射位置重叠，更易于航迹估计中的航向估计。
Claims (6)
1.一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：由信号发射组件和信号接收组件组成；所述信号发射组件包括两个参考声源换能器、信号发生器和功率放大器；两个参考声源换能器安装在被测高速水下运动目标上，且沿被测高速水下运动目标轴向，两个参考声源换能器的间距不小于0.5m；信号发生器连接功率放大器，功率放大器分两路分别输出至两个参考声源换能器；两个参考声源换能器在不同时间发射脉冲信号，两个参考声源换能器发出脉冲信号的时间间隔t满足t<T/2-W，且两个参考声源换能器发出的脉冲信号的频率间隔不少于1kHz；对于每个参考声源换能器发出的脉冲信号，要求脉冲信号的周期T不小于脉冲宽度W的10倍，脉冲信号的强度比被测高速水下运动目标辐射噪声在该脉冲信号对应频段内的连续谱能量高至少10dB；所述信号接收组件由若干个水听器阵元组成，阵元间距大于两个参考声源换能器发出的脉冲信号的波长。
2.根据权利要求1所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：参考声源换能器发出的脉冲信号为正弦波脉冲，脉冲宽度小于水面或水底的一次反射时延。
3.根据权利要求1所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：靠近被测高速水下运动目标尾部的换能器先发射信号，靠近被测高速水下运动目标头部的换能器后发射信号。
4.根据权利要求1所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：两个参考声源换能器安装在被测高速水下运动目标的同一侧。
5.根据权利要求1所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：信号接收组件的位置水深不小于50m；信号接收组件吊放在水下20m的位置。
6.根据权利要求5所述一种基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统，其特征在于：信号接收组件中的水听器选择圆柱型球头水听器。
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