基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，由信號(hào)發(fā)射組件和信號(hào)接收組件組成；信號(hào)發(fā)射組件包括兩個(gè)參考聲源換能器、信號(hào)發(fā)生器和功率放大器，信號(hào)接收組件由若干個(gè)水聽器陣元組成。本發(fā)明通過在被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上設(shè)置雙參考源，雙參考源在不同時(shí)刻輻射不同頻率的脈沖聲波，由水聽器陣對(duì)其信號(hào)進(jìn)行采集，通過已知的各水聽器精確位置、雙參考源間距、脈沖信號(hào)參數(shù)信息等，即可得到直航水下航行器在不同時(shí)刻的航速、航向、與測(cè)噪點(diǎn)的間距等參數(shù)，使水下航行器噪聲源識(shí)別結(jié)果更為精確。試驗(yàn)表明，此系統(tǒng)得到的航跡結(jié)果，其航向估計(jì)偏差可控制在1％以內(nèi)，正橫距離估計(jì)偏差可控制在9％以內(nèi)。
【專利說明】基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)領(lǐng)域，具體為一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，主要用于對(duì)水下高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的航跡信息進(jìn)行測(cè)試和分析，包括不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的航速、航向、航深等參數(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]水下航行器的噪聲源眾多，生成機(jī)理復(fù)雜，為了有針對(duì)性地開展噪聲控制，必須對(duì)噪聲源進(jìn)行分離和識(shí)別。實(shí)航水下航行器在工作過程中由于高速運(yùn)動(dòng)，接收到的輻射噪聲將產(chǎn)生多普勒頻移，對(duì)噪聲源識(shí)別結(jié)果帶來較大的誤差。因此，需對(duì)水下航行器的航跡進(jìn)行估計(jì)，以進(jìn)行解多普勒解算，將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)看成靜止聲源進(jìn)行分析。目前現(xiàn)用的技術(shù)主要使用單參考聲源段進(jìn)行航跡軌跡，可通過解算參考源的航向來估計(jì)航跡；也可加裝GPS同步時(shí)鐘設(shè)備對(duì)參考源發(fā)射和接收端進(jìn)行時(shí)鐘同步，通過接收延遲估算航跡。但此類方法解算航跡誤差較大，同時(shí)要求目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，限制條件較多，工程可實(shí)施性不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為滿足水下高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)的需求，本發(fā)明提出一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，在實(shí)航水下航行器上兩個(gè)位置加裝脈沖參考聲源，雙參考源在不同時(shí)刻輻射不同頻率的脈沖聲波，由水聽器陣對(duì)其信號(hào)進(jìn)行采集，通過已知的各水聽器精確位置、雙參考源間距、脈沖信號(hào)參數(shù)信息等，即可得到直航水下航行器在不同時(shí)刻的航速、航向、與測(cè)噪點(diǎn)的間距等參數(shù)，使水下航行器噪聲源識(shí)別結(jié)果更為精確，為進(jìn)一步的對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行噪聲測(cè)試及噪聲源部位識(shí)別提供支撐。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0005]所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:由信號(hào)發(fā)射組件和信號(hào)接收組件組成；所述信號(hào)發(fā)射組件包括兩個(gè)參考聲源換能器、信號(hào)發(fā)生器和功率放大器；兩個(gè)參考聲源換能器安裝在被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上，且沿被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軸向，兩個(gè)參考聲源換能器的間距不小于0.5m ;信號(hào)發(fā)生器連接功率放大器，功率放大器分兩路分別輸出至兩個(gè)參考聲源換能器；兩個(gè)參考聲源換能器在不同時(shí)間發(fā)射脈沖信號(hào)，兩個(gè)參考聲源換能器發(fā)出脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔t滿足t〈T/2-W，且兩個(gè)參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)的頻率間隔不少于IkHz ;對(duì)于每個(gè)參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)，要求脈沖信號(hào)的周期T不小于脈沖寬度W的10倍，脈沖信號(hào)的強(qiáng)度比被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射噪聲在該脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)頻段內(nèi)的連續(xù)譜能量高至少1dB ;所述信號(hào)接收組件由若干個(gè)水聽器陣元組成，陣元間距大于兩個(gè)參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)的波長(zhǎng)。
[0006]所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)為正弦波脈沖，脈沖寬度小于水面或水底的一次反射時(shí)延。
[0007]所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:靠近被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)尾部的換能器先發(fā)射信號(hào)，靠近被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)頭部的換能器后發(fā)射信號(hào)。
[0008]所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:兩個(gè)參考聲源換能器安裝在被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的同一側(cè)。
[0009]所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:信號(hào)接收組件的位置水深不小于50m ;信號(hào)接收組件吊放在水下20m的位置。
[0010]所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:信號(hào)接收組件中的水聽器選擇圓柱型球頭水聽器。
[0011]有益效果
[0012]本發(fā)明在被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上設(shè)置雙參考源，雙參考源在不同時(shí)刻輻射不同頻率的脈沖聲波，由水聽器陣對(duì)其信號(hào)進(jìn)行采集，通過已知的各水聽器精確位置、雙參考源間距、脈沖信號(hào)參數(shù)信息等，即可得到直航水下航行器在不同時(shí)刻的航速、航向、與測(cè)噪點(diǎn)的間距等參數(shù)，使水下航行器噪聲源識(shí)別結(jié)果更為精確。試驗(yàn)表明，此系統(tǒng)得到的航跡結(jié)果，其航向估計(jì)偏差可控制在I %以內(nèi)，正橫距離估計(jì)偏差可控制在9 %以內(nèi)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1:本發(fā)明在被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上的安裝示意圖。
[0014]其中:1.水下航行器，2.高頻換能器，3.中頻換能器，4.參考源裝置段，5.水聽器陣列。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明:
[0016]為了解算水下航行器I在不同時(shí)刻的航跡參數(shù)，為噪聲測(cè)試或噪聲源部位識(shí)別提供精確的航速、航向、與測(cè)噪點(diǎn)的間距等信息，本實(shí)施例采用基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水下航行器I的航跡估計(jì)。
[0017]該系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)射組件和信號(hào)接收組件組成。
[0018]所述信號(hào)發(fā)射組件包括兩個(gè)參考聲源換能器、信號(hào)發(fā)生器和功率放大器。本實(shí)施例中在水下航行器I的頭部加裝高頻換能器I，在參考源裝置段4加裝中頻換能器3，沿水下航行器I的軸向，兩換能器中心間距大于0.5m，且位于水下航行器I的同一側(cè)。參考源裝置段4中除了加裝中頻換能器3外，還裝有信號(hào)發(fā)射裝置，包括小型的信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和電池。信號(hào)發(fā)射裝置電源均通過電池進(jìn)行供電，信號(hào)發(fā)生器連接功率放大器，功率放大器分兩路分別輸出至兩個(gè)參考聲源換能器。本實(shí)施例中參考聲源換能器還受水下航行器I控制信號(hào)控制，保證當(dāng)水下航行器I入水后，參考聲源換能器才上電工作，防止燒毀儀器。
[0019]所述信號(hào)接收組件采用水聽器陣列進(jìn)行信號(hào)采集，一般在距航跡10m內(nèi)的位置進(jìn)行噪聲測(cè)試。信號(hào)接收組件由若干個(gè)水聽器陣元組成，陣元間距大于兩個(gè)參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)的波長(zhǎng)，各陣元的坐標(biāo)精確已知。本實(shí)施例中，信號(hào)接收組件的水聽器陣列放置在距航跡50m左右的位置，平行于航跡進(jìn)行噪聲測(cè)試。水聽器陣列設(shè)計(jì)為陣元個(gè)數(shù)為7，陣元間距為lm，陣列孔徑為6m的水聽器直線陣。信號(hào)接收組件的位置水深不小于50m，水聽器直線陣吊放在水下20m的位置，以減少水底和水面聲反射對(duì)脈沖信號(hào)的影響。水聽器選擇圓柱型球頭水聽器，安裝在直線長(zhǎng)桿上時(shí)，水聽器球頭盡量遠(yuǎn)離安裝桿，以減少聲反射。
[0020]兩個(gè)參考聲源換能器在不同時(shí)間發(fā)射脈沖信號(hào)，兩個(gè)參考聲源換能器發(fā)出脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔t滿足t〈T/2-W，且兩個(gè)參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)的頻率間隔不少于IkHz ;對(duì)于每個(gè)參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)，要求脈沖信號(hào)的周期T不小于脈沖寬度W的10倍，脈沖信號(hào)的強(qiáng)度比被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射噪聲在該脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)頻段內(nèi)的連續(xù)譜能量高至少10dB。且為了避免或減少多途效應(yīng)，參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)為正弦波脈沖，脈沖寬度小于水面或水底的一次反射時(shí)延。
[0021]本實(shí)施例中，脈沖周期選擇200ms?250ms,脈寬選擇1ms?20ms,兩脈沖信號(hào)的間隔選擇50ms。水下航行器表面輻射噪聲主要集中在6kHz以內(nèi)的頻段，因此本實(shí)施例中，雙參考源裝置的輻射脈沖頻率范圍避開水下航行器主要的輻射噪聲頻段，選擇6kHz?1kHz頻段,其中高頻換能器2福射脈沖選擇9kHz?1kHz頻段，中頻換能器3福射脈沖頻率選擇6kHz?7kHz頻段。兩換能器需在不同時(shí)間發(fā)射信號(hào)，靠近尾段的換能器先發(fā)射信號(hào)，靠近頭段的換能器后輻射信號(hào)，從而加大兩換能器實(shí)際信號(hào)發(fā)射間距，避免由于運(yùn)動(dòng)造成的信號(hào)發(fā)射位置重疊，更易于航跡估計(jì)中的航向估計(jì)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:由信號(hào)發(fā)射組件和信號(hào)接收組件組成；所述信號(hào)發(fā)射組件包括兩個(gè)參考聲源換能器、信號(hào)發(fā)生器和功率放大器；兩個(gè)參考聲源換能器安裝在被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上，且沿被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軸向，兩個(gè)參考聲源換能器的間距不小于0.5m;信號(hào)發(fā)生器連接功率放大器，功率放大器分兩路分別輸出至兩個(gè)參考聲源換能器；兩個(gè)參考聲源換能器在不同時(shí)間發(fā)射脈沖信號(hào)，兩個(gè)參考聲源換能器發(fā)出脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔t滿足t〈T/2-W，且兩個(gè)參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)的頻率間隔不少于IkHz ;對(duì)于每個(gè)參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)，要求脈沖信號(hào)的周期T不小于脈沖寬度W的10倍，脈沖信號(hào)的強(qiáng)度比被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射噪聲在該脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)頻段內(nèi)的連續(xù)譜能量高至少1dB ;所述信號(hào)接收組件由若干個(gè)水聽器陣元組成，陣元間距大于兩個(gè)參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)的波長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:參考聲源換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)為正弦波脈沖，脈沖寬度小于水面或水底的一次反射時(shí)延。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:靠近被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)尾部的換能器先發(fā)射信號(hào)，靠近被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)頭部的換能器后發(fā)射信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:兩個(gè)參考聲源換能器安裝在被測(cè)高速水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的同一側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:信號(hào)接收組件的位置水深不小于50m ;信號(hào)接收組件吊放在水下20m的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于雙參考源的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航跡估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:信號(hào)接收組件中的水聽器選擇圓柱型球頭水聽器。
【文檔編號(hào)】G01S5/18GK104316906SQ201410578705
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】王謙, 秦曉輝, 王紅衛(wèi), 郭君, 張志民 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇五研究所