多普勒声学全向信标的理论与试验研究

创新性地提出一种新体制的水下导航声纳- - 多普勒声学全向信标，用于水下人或物体自身定位。本项目旨在解决它的关键理论问题，并开展试验研究验证系统可行性。①研究发射换能器阵形设计问题，通过建立辐射信号模型优化阵形设计和参数选择，解决空间采样率与阵元遮挡的矛盾；②通过分析多普勒声学全向信标的测向误差，研究系统设计中的理论问题，分析各误差源对测向精度的影响；③研究多普勒声学全向信标高精度测向中的理论问题，包括：相干噪声背景下的高精度测向算法、多径水声信道的信道畸变补偿以及运动误差补偿。借鉴无线定位和传统水声定位技术中的相位差估计方法和干涉信号处理中的干涉相位估计方法来进行高精度测向算法研究；借鉴通信中的信道均衡技术校正由于信道畸变带来的信号失真，提高测向精度。本项目研究将为多普勒声学全向信标的开发和应用奠定重要的理论和试验基础。

针对传统长基线水下导航系统布放回收复杂、使用成本高、难以同时为多个目标导航等问题，本项目提出了一种新概念的水下导航声纳——多普勒声学全向信标，研究了连续型和离散型两种多普勒声学全向信标的理论问题，并研制了离散型多普勒声学全向信标的试验系统，开展了水池和湖上试验，验证了理论研究的结论。.1）建立了连续型多普勒声学全向信标的信号模型，分析了其测向精度和多径条件下的俯仰方向信号分辨能力，研究表明：测向精度与旋转半径、中心频率均成反比，与旋转速度无关，同时仰角减小时测向精度提高，俯仰方向分辨能力变弱。.2）建立了离散型多普勒声学全向信标的信号建模，并推导出了一种高精度的时延估计算法，该算法利用时延和相位信息，可提高时延估计精度，并推导了其实现高精度时延估计的条件，为系统设计提供依据。采用相对时延测角+距离测量的位置解算方法，并考虑到发射阵元间隔较大，远场条件较苛刻，提出了近场条件的位置解算方法，保证系统的估计精度。对系统的定位误差进行了分析，研究结果表明，定位误差与声速测量、距离测量和时延差测量误差有关，同时，与目标所在张角有关，张角越大定位误差越小。提出采用时频2维Rake接收机实现了信道均衡和运动补偿，利用多径效应来提高信噪比，并补偿发射端和接收端之间的相对运动所引起的多普勒频移。提出一种新的姿态和位置偏差校准算法，解决了姿态偏差初值选择误差所带来的非线性发散问题。.3）设计并研制了离散型多普勒声学全向信标试验系统，系统发射端和接收端组成，发射端由发射换能器阵、信号源、发射机、姿态测量设备组成。接收端由接收换能器、接收机、数据采集与处理、显示端以及RTK组成。编制了信号处理软件和显控软件，能实现实时信号处理、测量位置实时显示和GPS位置实时比对。.4）完成了水池试验和湖上试验，试验结果表明，研制的系统能够实现了30m水深、最大作用距离为360米的定位，测向精度达到0.16度。