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沿海浅水区是反潜战一个新的水域

飞航导弹 2000年第11期 41-44页

作者：臧晓京

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复杂水声环境下强直达干扰抑制技术研究

复杂水声环境下强直达干扰抑制技术研究

作者：孙筱逸哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

多基地组网声纳系统兼顾主被动声纳高探测性能和良好隐蔽性的优势,逐渐获得更多的关注和研究。多基地组网声纳系统的接收端在接收目标回波的同时不可避免会接收到己方舰艇所发射的直达信号,如何抑制强直达干扰是提高多基地组网探测性能... 详细信息

多基地组网声纳系统兼顾主被动声纳高探测性能和良好隐蔽性的优势,逐渐获得更多的关注和研究。多基地组网声纳系统的接收端在接收目标回波的同时不可避免会接收到己方舰艇所发射的直达信号,如何抑制强直达干扰是提高多基地组网探测性能亟待解决的问题。本文将针对接收端水听器配置为单阵元、水平阵列、垂直阵列几种不同应用情景分别给出相应的强直达干扰抑制方案。当接收基地为单阵元,采用自适应干扰对消技术能够有效抑制强直达干扰,以实现弱目标探测的目的。文中介绍干扰对消和自适应技术原理。分析传统LMS、NLMS以及基于Sigmond函数变形的变步长VSSNLMS算法的稳态误差、收敛速度等自适应指标。采用VSSNLMS自适应干扰对消技术与相干检波技术相结合,实现强直达干扰信号较目标回波强20dB时的弱目标探测。当接收基地为水平阵列,采用在干扰来向设置零陷的波束形成技术抑制强直达干扰。分别采用基于最小二乘零阶、高阶零点约束和基于二阶锥规划零点约束准则设计加权向量,在干扰信号来向设置足够宽的零陷对强直达干扰进行抑制。三种算法各具优劣,实际应用中常使用零阶零点约束在目标方位及目标方位附近设计多个零点的方法对强直达干扰进行抑制。分析信干比、信噪比、目标与干扰相对角度差、阵元随机扰动对弱目标探测的影响。在信噪比高于0dB,目标与干扰间间隔大于主瓣宽度,采用零陷波束形成,能够探测小于强直达干扰40dB的弱目标回波信号。当接收基地为垂直阵列,采用时反声屏蔽技术抑制强直达干扰。使用基于射线声学理论模型设计的Bellhop仿真工具箱获得信道冲激响应。验证多元垂直阵列被动时反定位技术利用信道空间结构差异实现水下目标探测的有效性。给出被动时反屏蔽技术理论推导,采用被动时反屏蔽技术能够抑制强度超过目标回波30dB的强直达干扰信号,实现弱目标定位。

关键词：多基地声纳强直达干扰抑制干扰抵消零陷波束形成时反屏蔽

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多声纳协同探测性能分析及参数优化研究

多声纳协同探测性能分析及参数优化研究

作者：邹佳运哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

多基地声纳系统因为其相较于单基地声纳更好的探测覆盖能力而成为了海洋防卫探测的重要装备。多基地声纳系统的应用场景及任务需求的多样化,使得参与探测的平台和声纳也在向多样化发展,不同类别的平台及搭载的声纳构成了异构多基地探测... 详细信息

多基地声纳系统因为其相较于单基地声纳更好的探测覆盖能力而成为了海洋防卫探测的重要装备。多基地声纳系统的应用场景及任务需求的多样化,使得参与探测的平台和声纳也在向多样化发展,不同类别的平台及搭载的声纳构成了异构多基地探测系统。多基地声纳系统与海洋环境存在耦合关系,合理地设定声纳探测系统的工作参数,使声纳系统最佳地适应当前海洋环境,以达到最好目标探测性能和最大的探测范围。本文旨在利用群智能优化算法解决多基地声纳探测系统的参数优化问题,给出探测效能最佳的决策建议。为了评估当前参数设置下探测系统的性能,构建了一个完备的异构多基地声纳探测系统效能评估模型。基于双基地声纳方程,将多基地声纳系统拆分为多组双基地声纳系统,通过对异构声纳系统的有效源级仿真、统计模型及Bellhop射线声学模型的传播损失仿真、对噪声干扰的主要噪声源的噪声谱进行仿真分析、在小斜率模型的基础上结合海底有效混响区域建立多基地混响模型等声纳参数的建模仿真,得到接收信噪比,经过信号处理获得增益后,根据接收机特性曲线得到声纳系统对目标的检测概率,将各双基地系统的检测概率结果融合,从而获得多基地系统的探测能力评估模型。并依据该模型,对影响多基地声纳探测性能的阵位、声纳工作模式、频段等参数进行探究。依据评估模型对声纳参数进行群智能优化。以和声搜索、改进和声搜索及粒子群算法为例对探测系统阵位参数进行了优化,对比算法性能并提出了一种和声-粒子群混合算法,其收敛速度快于和声搜索,优化速度及全局搜索能力优于粒子群算法。为适应多样化的优化任务需求,提出了利用层次分析法思想将多优化准则合一的多准则优化方法,并以“点覆盖下的优化覆盖”问题为例给予验证。最后,提出了一种简单可行的离散变量连续化方法,将离散变量与连续变量统一,使得本适用于连续变量优化的算法同样适用于离散变量优化,以声纳的工作模式及工作频段为例完成了离散变量优化,并实现了与阵位连续变量的联合优化。

关键词：多基地声纳声纳数学模型效能评估参数优化和声搜索

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水下无人多声源无扰协同感知技术研究

水下无人多声源无扰协同感知技术研究

作者：张曼吟哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

双/多基地声纳系统的探测性能通常优于单基地声纳系统,但同时双/多基地声纳系统需要面对多声源信号场冲突的问题,例如多基地声纳的接收平台可能会同时接收到来自不同发射平台信号的目标回波,此时这些目标回波彼此成为互扰,影响多基地声... 详细信息

双/多基地声纳系统的探测性能通常优于单基地声纳系统,但同时双/多基地声纳系统需要面对多声源信号场冲突的问题,例如多基地声纳的接收平台可能会同时接收到来自不同发射平台信号的目标回波,此时这些目标回波彼此成为互扰,影响多基地声纳系统探测性能。为了减少回波互扰对探测带来的影响,本文主要从码域信道复用和空域信道复用两方面开展研究。基于码域信道复用原理,在信号之间具有的弱互相关性的基础上,分别基于常规高辨识度原则和低截获原则对多声源信号进行设计。通过模糊函数和Q函数分析了所设计信号的时延、频移分辨力和抗混响能力。利用双基地主动检测模型分析对比了接收平台对各种信号的主动检测能力,仿真结果表明接收平台对m序列探测信号、Tent混沌信号和改进型Logistic混沌信号的主动检测能力较好。利用未知参量水声脉冲被动检测模型分析对比了各种信号的低截获能力,通过利用熵检测法、瞬时相关积分法、时频分析法三种方法对各种类型信号进行检测,不同形式信号在不同检测方法下的有不同的低截获性能。通过对信号的自相关函数、互相关函数进行仿真分析,发现m+Costas组合信号和改进型Logistic混沌信号都有较好的弱互相关性,可以作为多基地多源分辨信号。为实现多基地声纳的空间复用技术,本文利用非均匀布阵来减小阵列波束输出的旁瓣级从而减小干扰对探测的影响。基于空域信道复用原理,本文先研究了常规阵型声纳基阵的空间增益,分析了基阵的波束输出主要性能参数,如主瓣宽度、最大旁瓣级。利用粒子群算法对圆阵阵元的位置进行了优化,使用相同的阵元个数,实现了在主瓣宽度一定的条件下旁瓣级较低的优化。此外,采用仿生端射阵实现声纳的近场空域滤波,与常规阵列相比,端射波束的峰值所指方向不随着距离的变化而发生改变。最后,将所设计的多声源分辨信号与优化后的阵列相结合,构建了多声源无扰协同感知模型,研究了不同入射信号个数、不同来波方向、信号具有不同信噪比的声纳系统输出结果。仿真结果表明本文研究的多声源无扰协同感知模型可以减少多声源回波互扰对多基地探测性能的影响。

关键词：多基地声纳信号设计低截获优化布阵端射阵

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主动声纳目标模拟器信号处理技术研究

主动声纳目标模拟器信号处理技术研究

作者：左春丽哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着世界各国对海洋资源的渴求与水下军事装备的智能化发展,被动声纳在反潜方面越来越困难,多平台声纳协同探测已然成为热门的水声研究方向。随着水下装备和武器平台隐身技术的不断发展,收发合置的主动声纳易暴露自身位置,因而配置灵活... 详细信息

随着世界各国对海洋资源的渴求与水下军事装备的智能化发展,被动声纳在反潜方面越来越困难,多平台声纳协同探测已然成为热门的水声研究方向。随着水下装备和武器平台隐身技术的不断发展,收发合置的主动声纳易暴露自身位置,因而配置灵活隐蔽性强的多基地声纳系统成为优选。以多基地声纳系统探测研究为背景,设计了一套基于OMAP-L138的硬件平台和嵌入式工控机ARK-3510的信号处理软件平台组合搭建而成声纳目标模拟器试验装置,该装置可以辅助多基地协同探测试验的完成。论文主要从多基地声纳实际工作体制出发对目标模拟器进行总体设计,开展了目标模拟器的信号处理相关研究,并在该系统设计平台进行了算法实现。首先,从多基地声纳工作体制出发,对目标模拟器试验装置进行设计,主要包括目标模拟器的功能设计和参数要求两方面。声纳系统试验要求目标模拟器能够实时、保真转发声源信号,同时又要克服模拟器信号检测引起的时延,给出了一种双收单转发的模拟器工作模式。结合多基地协同探测技术指标从总体上对目标特性参数进行分析论证,尤其是对探测系统范围和定位精度对目标参数范围的要求进行计算,保证模拟器技术指标可以满足多基地声纳试验的需求。其次,完成对目标模拟器信号处理过程的技术研究,从目标模拟器对主动声纳信号的接收、处理、转发等过程分别进行分析。对模拟器水听器接收信号进行处理,检测主动声纳发射探测信号的到达时刻,模拟目标散射特性对接收信号进行时频分析,补偿所测系统时延在下一信号周期将处理后的接收信号进行转发,实现模拟水下真实目标之目的。同时对多基地条件下目标的目标强度值设定进行理论分析,使模拟器能真实有效的模拟水下目标。最后,在嵌入式工控机Linux系统软件平台使用C语言进行算法实现。设计软件总体结构,使用多进程控制实现网络通信模块、串口通信模块以及数据处理模块的同时运行,并将模拟器接收数据与工作状态信息进行存储。所研制的目标模拟器已经应用在多平台协同探测海上试验中,海上试验数据的处理结果验证了目标模拟器的功能。

关键词：目标模拟器多基地声纳目标强度

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多站直线阵信号检测与定位技术研究

多站直线阵信号检测与定位技术研究

作者：王琦哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着计算机技术和信号处理技术的快速发展,多基地声纳系统的研究和实现已经成为热点方向。多基地声纳兼具主被动声纳的优势,相比单双基地声纳,具有配置灵活隐蔽性强等优点。而且多基地声纳系统应用数据融合技术既可以增加探测距离,又可... 详细信息

随着计算机技术和信号处理技术的快速发展,多基地声纳系统的研究和实现已经成为热点方向。多基地声纳兼具主被动声纳的优势,相比单双基地声纳,具有配置灵活隐蔽性强等优点。而且多基地声纳系统应用数据融合技术既可以增加探测距离,又可以提高目标的定位精度,适用于更加复杂的水声环境中。本文针对接收站采用直线阵的情况,重点对多基地声纳系统的直线阵时域波束形成技术、探测范围分析以及三种定位方法的定位精度等问题进行研究。首先,接收站均采用直线阵接收信号,为了获得无畸变的目标回波信号进行目标参数估计,本文分析了时域常规波束形成器和时域恒定束宽波束形成器。时域常规波束形成器的重点是分数时延滤波器的实现,给出了时域和频域两类实现方法,数值仿真分析两类方法实现的误差以及性能对比。针对偏离主轴入射信号波束输出信号畸变的问题,文中选择并分析了两种恒定束宽波束形成器,数值仿真给出设计误差和性能分析,均可以保证波束输出的目标回波信号不畸变。其次,多基地声纳系统的探测范围分析主要采用能量约束法和定位误差法,存在忽略声吸收损失和很难进行信息融合的缺点。针对多个单接收站采用恒虚警检测器的融合检测问题,在保证虚警概率恒定的条件下,应用两类分布式融合检测算法分析多基地声纳系统的探测范围,采用检测概率0.9等值线覆盖面积衡量检测性能,文中仿真分析了噪声背景下单接收站恒虚警检测器的性能以及两类融合检测算法的性能差异。最后,研究了一发两收的多基地声纳系统配置下三种定位方法的精度分析,给出定位误差的数学表达式和数值仿真分析结果,并选取目标直线和圆的运动轨迹进行特征分析。选取部分双基地声纳实验数据进行处理,结果验证了双基地系统的可靠性和定位方法的有效性。

关键词：多基地声纳分布式融合检测探测范围分数时延滤波器 GDOP

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多基地有源探测关键技术研究

多基地有源探测关键技术研究

作者：周奕辰哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着降噪技术和大推力、低转速螺旋桨技术以及消声瓦的发展,舰艇的目标强度以及辐射噪声强度均有所下降,使得传统的单基地声呐,以及纯被动型声呐在水下目标探测方面的诸多瓶颈愈发凸显,由此衍生出了多基地有源声呐系统。多基地有源声呐... 详细信息

随着降噪技术和大推力、低转速螺旋桨技术以及消声瓦的发展,舰艇的目标强度以及辐射噪声强度均有所下降,使得传统的单基地声呐,以及纯被动型声呐在水下目标探测方面的诸多瓶颈愈发凸显,由此衍生出了多基地有源声呐系统。多基地有源声呐系统兼具主、被动声呐的优点,在隐蔽性、探测范围、抗干扰能力、配置方式灵活性上均有显著提高。然而其接收基地在工作过程中会受到直达波的影响,所搭载的拖曳阵在拖曳过程中不可避免地会受到拖船运动、海流等实时因素的影响,导致阵形发生畸变。因此本文围绕多基地有源探测模式下,拖曳阵阵形校准以及直达波抑制两个关键技术进行具体研究。首先,对双/多基地有源声呐基本理论进行研究,介绍了双基地声呐系统的配置方式,定义双基地声呐系统配置中的参数;对双基地声呐系统中的多普勒原理进行介绍;介绍了双基地有源声呐的声呐方程,依据声呐方程对目标回波的信噪比及其与直达波的信干比进行推导,进一步分析了双/多基地声呐探测范围及直达波掩蔽区域范围。其次,针对双基地有源模式下接收基地的柔性水平阵阵形参数估计的问题,提出了一种利用直达波作为校准源对接收基地进行阵形参数估计的方法。对于可能出现的回波干扰,利用FRFT进行直达波的提取,并在信号提取的基础上,实现了对阵形的参数估计,并利用拖曳船辐射噪声的近场空间谱解决了阵形估计的模糊问题。该算法相比于传统参数估计方法,抑制了信号干扰,提高了阵形参数的估计精度,且对噪声及干扰影响、入射角度误差、多普勒频移具有较强的宽容性,并通过实际数据处理结果验证了阵形参数估计方法的可行性。最后,针对直达波干扰抑制问题,本文首先对空域滤波类算法进行仿真分析,发现在抑制直达波的同时,其产生的扇形盲区会同时影响该区域内的目标检测,为减少直达波抑制的盲区;利用声屏蔽方法实现点屏蔽,但该方法基于对直达波声信道的精准估计生成对应信道的屏蔽因子,难以实际应用;因此本文提出了一种利用直达波与目标回波间的多普勒差异实现直达波的抑制和目标回波的检测,并利用多普勒敏感信号在空间多普勒频移域实现了直达波的抑制,最终通过多通道滤波器对目标回波的时延及多普勒信息实现准确估计。

关键词：多基地声纳有源探测阵形校准直达波抑制

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多基地水声目标定位跟踪技术研究

多基地水声目标定位跟踪技术研究

作者：张敬宜哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着世界各国对海洋资源的日益重视,水下目标定位与跟踪技术研究愈发重要。现阶段声隐身技术的发展,传统收发合置主动声纳系统以及纯被动声纳系统无法满足日益复杂的水下环境目标监测,因此多基地声纳系统应运而生。多基地声纳系统配置... 详细信息

随着世界各国对海洋资源的日益重视,水下目标定位与跟踪技术研究愈发重要。现阶段声隐身技术的发展,传统收发合置主动声纳系统以及纯被动声纳系统无法满足日益复杂的水下环境目标监测,因此多基地声纳系统应运而生。多基地声纳系统配置灵活且兼具主动声纳和被动声纳特点,作用距离远,可有效提高水下环境探测性能。论文首先研究了多基地声纳系统阵型配置方法。通过卡西尼卵形线和等值信噪比曲线模型研究了多基地声纳系统探测性能,增加基地个数可提高系统探测覆盖范围。面向探测覆盖范围与定位精度对多基地声纳系统阵型构建,分析不同站址布局下、不同基地个数下探测覆盖范围与定位精度,得到指定条件下相对最优阵型配置。研究表明四基地四种站址布局中等边三角形布局相对最优,五基地三种站址布局中正方形布局为相对最优阵型。其次研究了多基地声纳系统定位方法。基于五基地正方形阵型配置并通过时延测量信息,研究基于波达时间、线性最小二乘、加权最小二乘和模拟退火多基地定位算法,分析目标位于不同位置和指定不同约束条件下的定位误差曲线,对上述算法定位性能进行比较,研究表明模拟退火定位算法相对最优。然后研究了多基地声纳系统跟踪方法。通过建立目标运动模型并基于上述阵型配置结果和相对最优定位算法所获得的目标初始位置信息,研究扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波和粒子滤波算法。研究表明非线性高斯系统下,粒子滤波性能最优,扩展卡尔曼滤波与无迹卡尔曼滤波算法将非线性模型线性化,仍可进行状态估计;非线性非高斯系统下,扩展卡尔曼滤波与无迹卡尔曼滤波算法性能较差,粒子滤波算法精度较高,具有更广泛的适用性。最后,针对粒子滤波算法存在粒子贫化问题,研究一种改进萤火虫及权值优化粒子滤波多基地跟踪算法。传统改进粒子滤波算法中扩展粒子滤波算法和无迹粒子滤波算法使用扩展卡尔曼滤波算法和无迹卡尔曼滤波算法改进使其受到高斯系统限制,论文结合萤火虫算法和权值优化理论得到一种改进萤火虫及权值优化粒子滤波跟踪算法,分析不同仿真参数下的算法性能并与传统改进算法对比。研究表明改进萤火虫及权值优化粒子滤波算法在非高斯系统下具有明显优势,可提高跟踪精度。

关键词：多基地声纳阵型配置目标定位目标跟踪跟踪优化

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水下机动目标跟踪技术研究

声学技术 2011年第1期30卷 68-73页

作者：张林琳杨日杰杨春英海军航空工程学院电子信息工程系中国人民解放军91528部队海军航空工程学院青岛分院

水下目标跟踪是海洋国土监视、反潜战等环境下的关键技术。以往的跟踪滤波算法主要基于卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波等算法,这些方法实现比较复杂,滤波精度不高。最近出现了不敏卡尔曼滤波、粒子滤波、转换瑞利滤波、双多基地跟踪算法等... 详细信息

水下目标跟踪是海洋国土监视、反潜战等环境下的关键技术。以往的跟踪滤波算法主要基于卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波等算法,这些方法实现比较复杂,滤波精度不高。最近出现了不敏卡尔曼滤波、粒子滤波、转换瑞利滤波、双多基地跟踪算法等,需要研究这些算法在水下目标跟踪中的性能。总结对比了国内外学者在此领域的研究成果,得出了这些滤波算法在水下目标跟踪中的优缺点。重点论述了纯角度跟踪和非线性滤波算法的发展、在水下目标跟踪中的应用以及多基地声纳跟踪水下目标技术的发展,回顾了机动目标跟踪和多目标数据互联算法。研究表明,非卡尔曼滤波算法能够更高精度地跟踪水下目标,双多基地声纳是今后发展的重点。为今后的研究提供参考。

关键词：水下目标跟踪纯角度跟踪多基地声纳数据互联