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水声技术杨坤德等深海声传播信道和目标被动定位研究现状

水声技术▏杨坤德等:深海声传播信道和目标被动定位研究现状冷战结束之后,国际水声界的理论和实验研究偏重于浅海,国内水声界的工作也主要集中在我国周边近海的大陆架浅海环境。
但是最近十几年,为了争夺海洋资源,国际上的“蓝色圈地”运动深入深海。
我国海洋科技特别是深海领域起步较晚,与发达国家相比,在装备和技术体系的建设方面存在巨大差距。
《“十三五”海洋领域科技创新专项规划》将深海探测技术研究列为重点任务之一,深海环境中的目标远程探测已经成为当前的研究热点。
研究基于水声传播物理特征的信号处理技术是推动水声装备进一步创新发展的重要途径。
只有将海洋环境复杂性考虑在内,新型声呐才有可能达到最优的技术性能。
从这个角度来说,深海声呐技术取得跨越式发展的重要途径之一,在于对深海环境水声传播特性的深入挖掘。
总而言之,水声物理模型、信号处理技术与海洋环境紧密结合是水声技术发展的必然趋势。
一、深海声传播信道深海最大的特点是其独有的海洋分层现象及其产生的不同声传播模式,这些声传播模式与声呐的工作原理密切相关。
图1为低纬度地区一个典型深海声速剖面下声传播路径示意图。
声速剖面为典型的3层结构:表面等温层(形成表面波导)、温跃层和深海等温层。
在深海等温层,当某深度上的声速与海面声速相同时,该深度称为临界深度。
声线由表面波导底部出射,出射角度为0º~5º,传播路径如图1中所示。
下面分析每种深海信道及其在目标探测中的应用。
图1 低纬度地区典型深海声速剖面下声传播路径示意图⒈表面波导表面波导是由海洋表面等温层导致声速剖面微弱正梯度形成的,表面波导可实现水声的远距离传播,因此,表面波导特性及其声传播受到了广泛关注。
Baker和Schulkin基于实验数据给出了表面波导中近距离声传播损失的经验公式;Duan等分析了声呐在表面波导中主动发射和被动接收时的最优深度,以及表面波导中声波的波达角问题。
夏季的表面波导层很薄并且不稳定,存在强烈的时空变异性,是不稳定的信道。
2024年水声定位系统市场环境分析

2024年水声定位系统市场环境分析1. 引言水声定位系统是一种利用水中传播的声波进行定位的技术。
随着水下资源的开发和海洋工程的不断发展,水声定位系统在海洋勘探、水下通信、海洋科学研究以及海洋生态监测等领域中发挥着重要的作用。
本文将对水声定位系统市场环境进行分析,以便更好地了解市场的发展前景和竞争态势。
2. 市场规模分析水声定位系统市场规模的增长主要受到海洋工程和海洋资源开发的推动。
近年来,随着深海矿产资源的发现和勘探技术的进步,海洋工程领域对水声定位系统的需求不断增加。
此外,水下通信、海洋科学研究和海洋生态监测等领域也对水声定位系统有着高需求。
根据市场调研数据显示,水声定位系统市场规模从20XX年的X亿美元增长至20XX年的X亿美元,年复合增长率为X%。
3. 市场竞争分析3.1 主要参与者水声定位系统市场的竞争非常激烈,主要参与者包括:•公司A:该公司是市场领导者,具有较强的研发能力和技术实力。
他们提供高性能的水声定位系统,广泛应用于海洋工程和海洋科学研究领域。
•公司B:该公司是市场上的领先供应商之一,具有丰富的经验和专业团队。
他们的产品在水下通信和海洋生态监测方面表现优秀。
•公司C:该公司是新兴参与者,致力于研发创新的水声定位系统。
虽然在市场份额上还没有明显优势,但其技术有潜力在未来取得突破。
3.2 竞争优势分析主要参与者之间的竞争优势主要体现在以下几个方面:•技术优势:公司A拥有较强的研发能力和技术实力,能够不断提供高性能的水声定位系统。
公司B则在水下通信和海洋生态监测方面具有较为突出的技术优势。
•品牌认知度:公司A作为市场领导者,其品牌认知度较高,具有一定的市场份额。
公司B也通过多年的市场推广,逐渐提高了自己的品牌认知度。
•服务质量:公司A和公司B都注重服务质量,通过提供高效的售后服务和故障排除能力来满足客户的需求。
4. 市场趋势分析4.1 技术进步随着科技的不断发展,水声定位系统的技术不断进步。
水声定位基本原理与发展趋势

一、水声定位技术简介自从1912年在美国出现了第一台水声测深仪以后,开始有了水声助航设备。
二战中,对水下目标的探测和测量受到了重视,并在战后得到了迅速的发展。
1958年,美国华盛顿大学应用物理实验室在达波湾建成了三维坐标跟踪水下武器靶场。
这种水下定位跟踪技术在六十年代后期得到广泛应用,成为鱼雷靶场的主要测试方法。
迄今为止,国内外水下武器靶场使用的水下定位跟踪系统有多种类型,按其安装方式可分为固定式跟踪系统、活动式(船载)跟踪系统和轻便式跟踪系统。
固定式跟踪系统的水下测量设备大多数固定在海底,其范围大、费用高,只能在固定海区使用;活动式跟踪系统的全部设备都固定安装在活动平台上,试验时随活动平台开往试验海区;轻便式跟踪系统的体积和重量相对较小,可以随时布放和回收,并可通过飞机、车辆和船只从一个试验区运送到另一个试验区。
这三种水下定位跟踪系统虽然在结构上有较大差别,但在原理上均是依赖于几何原理的水声学定位方法。
根据接收基阵的基线可以将水声定位技术分为三类:长基线(LongBase-Line)、短基线(Short Base-Line)、超短基线(Ultra Short Base-Line)。
表1.1列举了这三种水声定位技术的典型基线长度。
目标声源到各个基元间的距离确定目标的位置。
短基线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米的量级,利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的时间差,解算目标的方位和距离。
超短基线定位系统的基阵长度一般在几个厘米到几十厘米的量级,它与前两种不同,利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。
若按照工作方式来划分,以上三种定位系统都可以选择使用同步信标工作方式或应答器工作方式。
采用同步信标工作方式,要求在待测目标或测量船上都安装高精度同步时钟系统,信标按规定的时刻定时发射信号,并据此确定目标位置。
应答器工作方式要求在应答和测量船上都安装询问(应答)发射机和接收机。
通常所说的水声定位系统所测得的目标位置统)结合起来进行坐标变换,就能得到水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。
水下动目标被动跟踪研究

水下动目标被动跟踪研究一、本文概述随着海洋资源的日益开发和利用,水下动目标被动跟踪技术已成为水下探测和海洋工程领域的重要研究方向。
该技术通过接收和分析水下动目标自身发出的声波、电磁波等信号,实现对目标的被动跟踪和识别,具有隐蔽性好、抗干扰能力强等优势。
本文旨在深入探讨水下动目标被动跟踪技术的研究现状、基本原理、关键技术及其发展趋势,以期为相关领域的理论研究和实际应用提供有益参考。
文章首先将对水下动目标被动跟踪技术的研究背景和意义进行阐述,明确研究的重要性和紧迫性。
接着,介绍被动跟踪的基本原理和关键技术,包括信号处理、目标特征提取、跟踪算法等,并分析各种技术的优缺点及适用范围。
在此基础上,文章将重点分析当前水下动目标被动跟踪技术面临的挑战和难题,如水下环境的复杂性、信号的衰减与干扰、多目标跟踪等问题,并提出相应的解决策略和方法。
文章将展望水下动目标被动跟踪技术的发展趋势和前景,探讨新技术、新材料和新方法在水下动目标被动跟踪领域的应用前景,以及未来研究方向和挑战。
通过本文的综述和分析,希望能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的启示和参考,推动水下动目标被动跟踪技术的不断创新和发展。
二、水下动目标被动跟踪理论基础水下动目标的被动跟踪是一项复杂而关键的技术,其理论基础涉及声学、信号处理、估计理论等多个领域。
被动跟踪主要是通过接收和分析目标发出的声信号或者其它形式的辐射信号,来估计和预测目标的位置、速度和运动轨迹。
声波传播理论:水下环境的声学特性对被动跟踪具有重要影响。
声波在水中的传播受到水温、盐度、压力等多种因素的影响,这些因素会导致声波速度的变化和信号的衰减。
因此,对声波传播特性的准确理解是实现水下被动跟踪的基础。
信号处理技术:水下被动跟踪需要对接收到的微弱信号进行有效的处理,以提取出有用的信息。
这包括信号的预处理、特征提取、目标识别等步骤。
通过信号处理技术,可以将目标信号与背景噪声区分开来,提高跟踪的准确性和鲁棒性。
水中目标被动定位技术综述

21 0 0年 7月 源自舰船科学
技
术
Vo . 2,No 7 13 .
S P S ENCE AND HI CI TECHNOL OGY
J 1 ,2 1 u. 0 0
水 中 目标 被 动 定位 技 术综 述
熊 鑫 章 新 华 , ,高成 志 ,卢 海 杰 ,兰 英
Absr c : Co a e t he a t e l c t n,he p si e l c to a e n wi ey r s a c e n s d t a t mp r o t c i o ai v o t a sv o a in h s b e d l e e r h d a d u e b c u e o t o d c y t i e a s fi g o r p i t I e e ty a , n te ba e o h r d to a eh d fp s ie l c t n:h s c y. n r c n e r o h s fte ta iin lm t o so a sv o ai o te
关键词 : 被 动定位 ;声呐 ;目标 运动 分析 ;匹配场处理 ;聚焦 波束形成
中 图 分 类 号 : U 6 .7 T 5 66 ;B 6 文献标 识码 : A 文 章 编 号 : 1 7 7 4 ( 0 0 0 0 4 0 D :0 3 0 /.sn 17 7 4 . 0 0 0 . 2 6 2— 6 9 2 1 )7— 10— 4 Ol 1. 4 4 ji . 6 2— 6 9 2 1 . 7 0 8 s
m eh ds to . K e r s: y wo d p s ie lc to a sv o ai n; s n r T A ;M F ;fc s d b a o mi g oa; M P o u e e mf r n
水声被动定位技术及其发展趋势

水声被动定位技术及其发展趋势水声被动定位技术是利用水声信号在水中传播的特性来实现目标的定位和跟踪的一种技术。
该技术主要基于接收到的来自目标发出的声波信号、水声信道的特性以及接收器间的相对位置来确定目标的位置。
被动定位系统不需要目标进行任何操作,它可以在目标感知不到的情况下对目标进行定位。
水声被动定位技术可以应用于海洋资源勘探、军事侦察、海上安全监测等众多领域。
随着科技的发展,水声被动定位技术也在不断地发展和完善。
第一代水声被动定位技术主要依赖声目标发射的信号,通过测量信号的到达时间和方位角度,得到目标位置信息。
这种技术缺点是只能定位单个目标,定位精度受到信号质量和环境噪声的影响较大。
第二代水声被动定位技术是基于多传感器的概念,多个接收器同时接收到来自空间中多个目标的信号,通过分析信号的相位差、信号强度差等信息来定位多个目标。
这种技术可以有效地提高定位精度和目标跟踪能力,但是需要更加复杂的算法和数据处理能力。
第三代水声被动定位技术又称“自适应”水声被动定位技术,主要应用于复杂电磁环境中。
自适应算法可以根据环境信噪比和目标信号特征来调整各传感器的参数和权重,以提高定位精度和抑制环境噪声。
自适应技术还引入了目标信号的自动识别和跟踪功能,大大提高了系统的自动化程度。
未来,水声被动定位技术将面临新的挑战和机遇。
随着深海勘探的发展,需要更加精确的水声定位技术来支持深海遥控设备的操作;水下自主机器人的大规模应用也需要更加高效的目标自动识别和跟踪算法。
同时,随着水声通信技术的不断发展,水声被动定位技术也可以结合水声通信技术来实现更加智能化的水下传感器网络。
因此,水声被动定位技术在水下大数据应用、远程控制和水下通信等方面也将会得到更加广泛的应用和研究。
关于水声被动定位技术及其发展趋势

关于水声被动定位技术及其发展趋势导读:世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发。
匹配场声源定位是国际上新兴的水声定位方法。
水下GPS技术的设计灵感来自于GPS,该技术可以用于潜艇定位。
动目标分析,水声被动定位技术及其发展趋势。
关键词:被动定位,匹配场,水下GPS,动目标分析 1.引言声纳按照工作方式一般分为主动声纳和被动声纳。
对于被动声纳,由于它不发射声波,它具有很好的隐蔽性,且具有作用距离远、不容易被发现等优点,在军事领域中有着很好的应用前景。
近年来,世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发,被动定位技术受到广泛的重视。
随着水中兵器作用距离和打击精度的提高,对被动声纳的定位性能提出了更高的要求,远程定位问题引起人们的广泛关注,出现了多种新型的定位方法。
2.传统被动声纳定位技术及面临的问题2.1 传统的被动定位技术传统的水声被动定位技术是六十年代研究开发出来的,这类定位技术利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲间的时间差或相位差对水面、水中目标进行定位,其典型代表就是三子阵法和球面内插法。
三子阵被动测距方法是己经实用化了的被动定位技术,它是六十年代后期出现的噪声测距方法。
它利用时延估计技术求出到达三个基阵的相对时延,然后得到目标的方位和距离。
但是,三子阵定位方法对水声信道进行了简化,三子阵系统是在同一平面内进行定位的,它不考虑信道声速的垂直分布,也不考虑信道的多途效应。
,动目标分析。
,动目标分析。
不过这种定位方法算法简单,而且对近距离声源定位能达到较高的精度,目前在工程上已经得到广泛应用。
2.2 传统被动声纳定位技术面临的问题传统被动定位方法在理论和实际应用中都存在很大的缺陷,主要表现在以下两个方面。
2.2.1 远程定位精度不高传统的被动定位方法,利用球面波或柱面波波前曲率的变化,通过测量各基元的相对时延,估计目标的距离和方位。
测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关,其中时延测量精度是关键,然而对于有限的基阵孔径,随着声纳探测距离的增加,波前曲率的变化越来越小,加上信道传播起伏的影响,时延的精确测量以及距离信息的提取变得越来越困难,因此传统的定位方法难以实现远程定位。
水下声学通信与定位技术研究

水下声学通信与定位技术研究水下声学通信与定位技术研究一、引言地球表面约 70%被水覆盖,其中海洋蕴含着丰富的资源并在全球气候调节、交通运输等诸多方面扮演着极为关键的角色。
随着人类对海洋探索与开发活动的日益频繁,水下声学通信与定位技术作为实现水下信息传输与目标位置确定的核心手段,正受到越来越广泛的关注与深入的研究。
水下环境与陆地环境存在着显著差异。
水对电磁波具有强烈的吸收作用,导致电磁波在水下传播时衰减迅速,传播距离极为有限。
而声波在水中却能够相对稳定地传播较长距离,因此成为水下信息传输与目标探测的主要载体。
水下声学通信与定位技术基于声波在水中的传播特性,通过合理设计声学系统、信号处理算法等,致力于实现高效、可靠的水下信息交互以及精准的目标位置确定,这对于海洋资源开发、海洋科学研究、水下事应用等多个领域都具有不可替代的重要意义。
二、水下声学通信技术(一)水下声学通信原理水下声学通信主要是利用声波在水中的传播来传递信息。
发送端将待传输的信息(如数据、语音、图像等)进行编码和调制,加载到声波信号上,然后通过换能器将电信号转换为声波信号向水中发射。
声波在水中传播,经过一定的传播路径后到达接收端。
接收端的换能器将接收到的声波信号转换为电信号,再经过解调、解码等处理过程,恢复出原始的信息。
在这个过程中,声波在水中的传播特性对通信效果有着至关重要的影响。
例如,声波的传播速度在海水中约为1500m/s 左右,且会随着水温、盐度、深度等因素的变化而发生改变。
此外,声波在传播过程中会发生衰减、散射、多径传播等现象。
衰减会导致信号强度随着传播距离的增加而逐渐减弱,限制了通信的有效距离;散射会使信号向不同方向扩散,造成信号能量的分散;多径传播则会使同一信号经过不同路径到达接收端,产生时延扩展和信号失真,这些因素都给水下声学通信带来了巨大的挑战。
(二)水下声学通信调制技术为了提高水下声学通信的效率和可靠性,多种调制技术被应用于水下通信系统中。
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关于水声被动定位技术及其发展趋势
导读:世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发。
匹配场声源定位是国际上新兴的水声定位方法。
水下GPS技术的设计灵感来自于GPS,该技术可以用于潜艇定位。
动目标分析,水声被动定位技术及其发展趋势。
关键词:被动定位,匹配场,水下GPS,动目标分析 1.引言声纳按照工作方式一般分为主动声纳
和被动声纳。
对于被动声纳,由于它不发射声波,它具有很好的隐蔽性,且具有作用距离远、不容易被发现等优点,在军事领域中有着很好的应用前景。
近年来,世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发,被动定位技术受到广泛的重视。
随着水中兵器作用距离和打击精度的提高,对被动声纳的定位性能提出了更高的要求,远程定位问题引起人们的广泛关注,出现了多种新型的定位方法。
2.传统被动声纳定位技术及面临的问题
传统的被动定位技术
传统的水声被动定位技术是六十年代研究开发出来的,这类定位技术利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲间的时间差或相位差对水面、水中目标进行定位,其典型代表就是三子阵法和球面内插法。
三子阵被动测距方法是己经实用化了的被动定位技术,它是六十年代后期出现的噪声测距方法。
它利用时延估计技术求出到达三个基阵的相对时延,然后得到目标的方位和距离。
但是,三子阵定位方法对水声信道进行了简化,三子阵系统是在同一平面内进行定位的,它不考虑信道声速的垂直分布,也不考虑信道的多途效应。
,动目标分析。
,动目标分析。
不过这种定位方法算法简单,而且对近距离声源定位能达到较高的精度,目前在工程上已经得到广泛应用。
传统被动声纳定位技术面临的问题
传统被动定位方法在理论和实际应用中都存在很大的缺陷,主要表现在以下两个方面。
远程定位精度不高
传统的被动定位方法,利用球面波或柱面波波前曲率的变化,通过测量各基元的相对时延,估计目标的距离和方位。
测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关,其中时延测量精度是关键,然而对于
有限的基阵孔径,随着声纳探测距离的增加,波前曲率的变化越来越小,加上信道传播起伏的影响,时延的精确测量以及距离信息的提取变得越来越困难,因此传统的定位方法难以实现远程定位。
此外,由于海洋中的声速分布是不均匀的,特别在远距离定位时,声速的不均匀分布使传统的定位算法存在较大的误差。
为此,研究人员必须寻求新的被动定位方法。
定位效果受声场环境影响大
由于海水介质的不均匀性,在海水信道中由于温度、盐度、压力的不同,导致了海水介质中各点的声学特性差异很大,特别是不同深度层的声学特性差异很大,导致了声波在海洋中的传播非常复杂,声传播受海洋信道的影响比人们想象的要大得多。
要提高声纳的探测效果,必须要充分研究海洋信道特点。
3. 匹配场被动定位技术
匹配场声源定位是国际上新兴的水声定位方法,它根据海洋声信道性,在声场建模的基础上,运用一定的匹配场处理算法反演声源位置。
匹配场定位技术充分利用了海洋信道特点来反演声源位置,因此它可以有效消除信道对定位的影响,它的定位精度比传统的被动定位精度高。
匹配场被动定位原理
匹配场定位的被动原理图如图1所示。
匹配场定位首先将水听器阵列接收到的数据经过傅立叶变换后计算频域协防方差矩阵。
假设声场中某一位置有目标,已知海洋声场环境参数时,利用现有的声场模型可以计算出该目标声源产生声信号在接收水听器阵列处的声场值,通常称之为拷贝场向量。
最后将拷贝场向量和测量信号的协方差矩阵进行匹配运算从而输出定位模糊表面,如果实际目标位置与假设声源位置一致,则匹配处理器有最大值输出,这样从定位模糊表面上可以读出目标的位置。
图1 匹配场定位原理图。
匹配场被动定位关键技术及发展趋势
匹配场定位有两个重要环节,一是拷贝声场的计算,二是匹配处理器的设计。
拷贝声场可利用现有的声场模型计算得到。
,动目标分析。
现有的声场模型主要有简正波模型、声线模型、抛物方程模型等。
其中,最常用的2种传播模型是射线模型和简正波模型。
射线模型具有简捷、直观的特点,适用于描述深海声场。
在浅海存在严重的多途和较强的海底散射,射线模型不再适用。
简正波模型考虑了各种海底边界的影响,适用于研究浅海、低频的声传播问题。
目前声传播模型的研究主要集中在快速、高精度的声场模型的研究上。
匹配处理器就是将拷贝场与实测声场进行匹配运算的算法,从理论上来说,匹配场处理器是传统的阵列信号处理的波束形成概念的推广,因此,很多传统
的阵列处理方法都可以用于匹配场处理,而且人们已经证明其中的很多方法是很有效的。
按照匹配场处理器的权向量是否与测量数据有关,将其分为线性匹配处理器(CMFP)和自适应匹配处理器(AMFP)。
常用的MFP处理器
有线性处理器(Bartlett)、最小方差估计器(MV)和匹配模处理器(MMP)。
随着人们对传播理论研究的深入以及阵处理技术的飞速发展,匹配场处理技术的研究取得了一些突破性的进展。
近年来,匹配场处理技术逐渐走向实用阶段,宽带、稳健自适应、高分辨率的匹配场处理技术成为研究热点,以试验研究带动理论研究成为主要的研究方法。
,动目标分析。
4.水下GPS定位
水下GPS技术的设计灵感来自于GPS,该技术可以用于潜艇定位,进行爆炸军火处理,还能用于水雷对抗许多领域。
水下GPS利用空间GPS系统在海洋中布放一系列声纳浮标,形成格,在水面用空间GPS,在水下用水声通信。
法国的ASCA公司已经开发了用水下全球定位系统进行搜索与救援的系统,它可以利用水下的GPS信号确目标的三维坐标。
,动目标分析。
该系统可以用于跟踪水下的飞机或潜艇中黑匣子的声波发器,从而找到目标。
系统包括GPS浮标,控制站及声波发送器。
浮标下有水听器,浮标通过水面上的三个天线与指挥、控制、通信等系统。
利用目标发射的信号与浮标接收信号的时间延迟得到浮标和目标的相对位置,同时,利用分GPS接收机能精确测量出浮标的精确位置。
空间GPS技术已相当成熟。
,动目标分析。
5.结束语
由于传统的被动定位方法在理论和实际应用中都存在一些问题,研究人员致力于研究新的被动定位方法,其中匹配场被动定位技术充分利用了海洋信道,在远距离复杂水文条件下,其定位精度较高,有着诱人的应用前景,随着研究的不断深入,这项技术正逐步走向实用阶段,但匹配场的模型精确性,匹配算法的计算速度以及匹配场的定位的稳健性问题还急需解决。
水下GPS技术系统使用条件相对苛刻,不适用于非合作被动目标的探测,工程应用受到了一定的限制。
参考文献:
杨坤德,等.水声信号的匹配场处理技术研究[D].西北工业大学,20XX,06.
周俊山,陶进绪等.一种基于MUSIC算法的匹配场定位方法[J].电子技术,20XX,01:21~23.。