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福德正神声纳原理_声纳系统测距方法

福德正神声纳原理_声纳系统测距方法

  声纳道理 声纳编制测距法子 任课先生:杨益新 电子邮件:办公电线 声纳编制的重要使命之一是正在测向的同时杀青对 宗旨间隔的测定。 主动声纳测距:诈骗宗旨的回波或者是应答信号。 被动声纳测距:诈骗宗旨声源发出的信号或噪声。 本章分主动测距和被动测距来研究。 杨益新 2 第一节 主动测距法子 1。脉冲测距法 根基道理:诈骗采纳回波和发射脉冲信号间的光阴差来 测距的法子。 诈骗脉冲法测距时,脉冲反复 周期务必大于最大宗旨间隔所 对应的信号往返光阴,不然会 崭露所谓的间隔含糊。 杨益新 3 脉冲测距法的间隔区分力与脉冲宽度相闭。间隔分 辨力是指正在统一宗旨,声纳能区分两个宗旨的最 小间隔差。 能区分两个宗旨的前提为: t2 t1 ≥ τ 能区分最小宗旨间距为: 要进步间隔区分力务必使脉宽减小。 脉冲测距法的测距偏差: 杨益新 4 相对偏差为: 可睹,测距偏差由测时偏差和声速偏差惹起。一般声 速衡量偏差是重要要素。 利益:使用规模遍及,可用于对众个宗旨举行测距,对 固定宗旨也可能举行间隔衡量。 2。调频信号测距法 根基道理:发射调频信号,诈骗收发信号的频差来衡量间隔。 (一)线性调频信号测距 杨益新 5 设发射机贯串、周期地发射瞬时频率为下式展现的 线性调频信号: 宗旨间隔为R时,采纳信号光阴延迟 杨益新 6 当宗旨和声纳间无相对径向运动时,当 2R ≤t ≤T c 发射信号与采纳信号混频后的差频为 2R 当 T ≤t ≤T + c 差频为: 杨益新 7 可睹, 和 均是间隔R的函数。只消测出这两个 频率,就可算计出宗旨间隔。 当发射信号周期足够大, 杨益新 8 差频分量的瞬时频率满意: 此时, 老是小于 ,可用截止频率为 的低通 和高通滤波器分辩让这两个频率分量的信号通过,即 可揣摸出这两个频率分量,从而测出宗旨间隔。 界说单元间隔的频率数值 进步间隔区分力,务必加大调反复偏,减小调频信号周期。 存正在众普勒频移时,此法子不实用。 (二)三角波调频测距 杨益新 9 第二节 窄带信号的含糊函数 1。信号的众普勒频移 声纳与宗旨间的相对运动会使采纳的信号波形产生转化, 呈现为信号频率的偏移,称之为众普勒频移。福德正神 t1 vt1 / 2 t2 vt2 / 2 杨益新 vT 10 脉冲前沿回到发射点的光阴和宗旨间隔之间的闭连: L= vt1 1 + ct1 2 2 t1 = 2L / c 1+ x x = v/c 脉冲后沿回到发射点的光阴和宗旨间隔之间的闭连: vt2 1 L= + ct2 + vT 2 2 2 L / c 2 xT t2 = 1+ x 2 xT 1+ x 脉冲前后沿往返光阴差值为: t1 t2 = 采纳到的脉冲宽度为 T1 = T (t1 t2 ) = T 2 xT 1 x = T = αT 1 + x 1 + x 杨益新 11 2v 当 x 1 时, α ≈ (1 x ) ≈ 1 2 x = 1 c 2v δ= α = 1 δ c 2 结论:声纳与宗旨间的相对运动使得脉宽为T的发射信 号经宗旨反射后,正在采纳点变为脉宽为 αT 的信号。 当存正在撒布延迟 τ 时,采纳信号为 1 1 (t τ ) ≈ sT [(1 + δ )(t τ )] sr (t ) = sT (t τ ) = sT 1 δ α 当信号为窄带时,发射信号的复解析展现式为 ~ sT (t ) = a (t )e j 2πf0t 杨益新 12 ~ 采纳信号为: r (t ) = a [(1 + δ )(t τ )]exp[ j 2πf 0 (1 + δ )(t τ )] s 宗旨与声纳的相对运动有两个方面的影响,即信号复 包络的光阴比例变更和载频的搬动。 复包络的最大失真产生正在脉冲信号的后沿,光阴过失为 t = T 2 v / c 信号带宽为B,信号复包络的变更保留正在1/B秒内,那么这种 影响可能轻视不计。此时央求: 2vT 1 c B c BT 2v 这种景况下,众普勒频移可能简略地以为是载频偏移 杨益新 13 ~ sr (t ) = a [(t τ )]exp[ j 2πf 0 (1 + δ )(t τ )] ~ = a [(t τ )]exp[ j 2πf 0 (t τ )] exp[ j 2πf 0δ (t τ )] = s(t τ ) exp( j 2πξ (t τ )) 个中 ξ 为众普勒频移。 ξ = f 0δ = f 0 2v c 2。信号的含糊函数 信号 s(t ) 的含糊函数界说为: χ (τ , ξ ) = ∞ ∞ s(t ) s * (t + τ )e j 2πξt dt ∫ (一)与成婚滤波器的闭连 h ( t ) = s * ( t0 t ) 成婚滤波器的脉冲反应函数: 杨益新 t≥0 14 成婚滤波器关于时延 τ 0 和频移 ξ 0的回波的反应为 y (τ ) = ∫ sr (t )h (t τ )dt ∞ ∞ ∞ = ∫ sr (t )s * [t + (t0 + τ 0 τ )]e j 2πξ0t dt ∞ y (τ ) = χ (t0 + τ 0 τ ,ξ 0 ) 通过探究信号含糊函数的特征,可能明白声纳编制成婚滤波 统治的成效。 (二)与含糊函数相闭的观念 1、信号的含糊图 杨益新 15 2、信号的含糊度图 3、固有区分力 固有光阴区分力(间隔区分力) 固有频移区分力(速率区分力) ρτ = 2τ 0 ρ ξ = 2ξ 0 4、衡量精度 ετ = τ 0 ε ξ = ξ0 杨益新 16 (三)含糊函数的性子 杨益新 17 3。常用主动声纳信号的含糊函数 (一)单频矩形脉冲(CW) Ae j 2πf0t t ∈ [0, T ] s(t ) = 其它 0 S ( f ) = AT sin[π ( f f 0 )T ] π ( f f 0 )T 界说信号带宽B为频谱峰值 把握第一零点间距的一半 1 B= T 杨益新 18 含糊函数 T = 0.1 sin[πξ (T τ )] χ (τ , ξ ) = (T τ ) πξ (T τ ) τ ≤ T 杨益新 19 T = 0.005 杨益新 20 (二)线性调频信号(LFM) A exp[ j ( 2πf 0t + πkt 2 )] s(t ) = 0 f (t ) = f 0 + kt k = F /T f(t)为瞬时频率,F为调频带宽。 频谱函数:等高度特征 含糊函数: sin[π ( kτ + ξ )(T τ )] χ (τ , ξ ) = (T τ ) π ( kτ + ξ )(T τ ) τ ≤ T t ∈ [ T / 2, T / 2] 其它 杨益新 21 T = 0.01 k = 80000 F = 800 杨益新 22 第三节 被动测距法子 1。概述 根基法子:方位法和时差法 杨益新 23 方位法 寻常而言,本法子测距偏差较大。现正在常用时差法。 2。时差法被动测距的几何道理 如图5-13,正在直线上布放三个等间距的阵元或三个子阵, 间距为d。要衡量的是点声源宗旨与中央阵元B的间隔与方 位角 α 杨益新 24 诈骗余弦定理,可得 杨益新 25 1 1 2 诈骗级数打开: (1 + x ) = 1 + x x + 2 8 d r 时,可能获得: 1 2 , 略去 1 / r 3 以上的高次项,两式相加获得: 杨益新 26 是以 宗旨间隔为 诈骗平面波近似,可能获得 + 测距偏差: 1)随机偏差 2)阵元职位偏差 杨益新 27 第四节 水声被动定位:成婚场统治 正在被动景况下,当源 处于采纳基阵的远场 时,只也许测向,无 法定位,除非利用两 个以上区别职位布放 的采纳阵,诈骗几何 闭连来定位。 声源 采纳阵A 采纳阵B 杨益新 28 被动定位:成婚场统治 能否诈骗单个采纳基阵来确定宗旨的职位(间隔、深 度、方位)? Matched Field Processing — MFP 诈骗水声信道的特性 杨益新 29 信道的感化 正在水声情况中,被动定位有特殊的前提:水声信道 因为信道的感化,采纳阵上的信号是信源直 达波及若干次反射波的叠加(众径),或者 说,衡量点的声场是众个撒布波正在这一点上 的叠加,与声源职位参数、情况参数相闭。 假如咱们已知采纳数据和信道特征,明确可能 反上演源的消息。 与以往的阵统治法子区别,须要正在信号统治算法中加 入声撒布模子,以忖度源的职位。 杨益新 30 成婚场统治的根基道理 海洋顶用于点声源三维定位的成婚场统治是惯例一维 平面波波束酿成的一个扩展。正在平面波波束酿成中, 对整个的观测宗旨,将衡量场(数据)与平面波模子 下的扫描向量举行成婚,从而正在方位上扫描基阵;而 扩展的成婚场波束酿成器则对整个的源职位,将基阵 上的衡量场与渴望场(由撒布模子和情况参数盘算推算得 到)的拷贝向量举行成婚。 所谓成婚,是指盘算推算衡量场和渴望场之间的某种相 闭,闭联水准最高处,即以为是最佳成婚点,该点 的源参数可看作是源的切实参数的揣摸。 杨益新 31 DEPTH SSP 水声信道 情况 消息 撒布模子 阵列数据 (幅度相位) M F P 深 度 间隔 杨益新 32 声场撒布模子 睹:F. B. Jensen, W. A. Kuperman, M. B. Porter, H. Schmidt, Computational Ocean Acoustics, Springer-Verlag, 2000 典范声场撒布盘算推算模子: 射线模子 简正波模子 掷物方程模子 杨益新 33 简正波模子 射线 成婚统治器 线性统治器 (Bartlett统治器) 非线性统治器 (最常用的是MVDR) 杨益新 35 海上试验验证: 杨益新 36 本章小结 主动测距法子 窄带信号的含糊函数 被动测距法子 水声被动定位 杨益新 37

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