多普勒效应对水下高速运动目标被动定位的影响及其抑制方法
对水下目标的多普勒直接定位
比值 代 入式 （ ） 则又 可 以分别 得 到 １ ， １ Ａ 一 ）＝ｒ （ （ ／ １—１ ｕ ／）
Ａ／ ／ （ 一 ）＝ｒ （ ２ ｕ一１ ）
的径 向距 离
简化 为仅基 于 多普 勒频 移或 实 测频 率值 的计 算 。
内 ， 普 勒变化 率 可 由相邻 测 量 节 点之 间 的多 普 勒 多
裂１ ． ． ｏ ． ｌ ０
． ．
｝囹 ．！ ＝
０ 詈 ２ ［ 】 …ｓ
即可解 出
Ｄ ：＇ ｉ０ ／ｓ ２ ２ｎ
标 速度和 航路捷 径 的精 确 计 算 公式 ， 其 仍 需 要 在 但
测量 得到航 路捷 径 点处 的频 率 和 时 间之后 ， 能 获 才 得 目标 的速度和距 离 ， 这就 意 味 着 其 实质 上 和 老方 法一样 ， 并不 是一 种实 时 的探 测方 法 。
收稿 日期 ：０ ０１ －２ ２ １ ．１ ０ 修 订 日期 ：０ ０１ — ２ １．１２ ９
１ 定 位 公 式
１ １ 测 量 模 型 ．
如图 １ 示 ， 所 当水 下 目标 以速度 从 左 向右匀 速移 动 时 ， 浮标 定周 期 的至 少 连续 三 次 检 测 目标 的 多普勒 频移 ：
＝
频 率值 ， 用 径 向速度 近似 代 替 真实 速 度 来 计算 目 并
标 的航路 捷径 距 离 ， 仅是 一 种 近 似 的方 法 。文 献 故 ［］ ２ 通过 引人 任 意两个 测 量 点 的时 问信 息 导 出 了 目
一
２
，
２
２
式中， Ａ＝ｃ ｏ 信 号 的波 长 ； ／ｒ为 角 速 度 ； ｌ 为 ｉ ０ ＝ｖ ９
为径 向距 离 ； ＝ｖｉＯ 分以得 到 勒频 移 方程 和多 普勒 变化 率 比值 代 ＝ （ｓ ＝ ｓ Ｖ ２ 。） ０ ｎ ０ ｔ ） 可 别将 多普
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。
被动定向浮标多普勒效应定位法
总第172期2008年第10期舰船电子工程Ship Electronic Enginee ring Vol.28No.10174 被动定向浮标多普勒效应定位法3宫 旭 蔡云祥(海军潜艇学院 青岛 266071)摘 要 使用被动定向浮标对目标实施定位跟踪是航空反潜的有效手段,但大多是利用浮标的方位特性定位,利用多普勒效应定位较少,研究也较少,考虑到浮标处理机尚不具备多普勒处理能力,这里提出利用人工法对目标实施定位跟踪,通过作图、CPA 计算等方式对目标的多普勒效应进行处理得到航向、位置点等信息,对定位误差进行分析,给出了使用多普勒定位的注意事项,以期为反潜攻击人员合理使用此种定位方式提供决策依据。
关键词 被动非定向浮标;多普勒效应;最近进场点中图分类号 TN929.3Passive Di rect ion al Sonobuoy πs Dopp ler Effect L ocati on TechniqueG ong X u Cai Yunxiang(Navy Submarine Academy ,Qingdao 266071)Abs tra ct Using the pa ssive directio nal buoy to f ix po sition loca tio n for the tracking to the objective is eff ective mea ns of avia tio n hunter 2killer ,but mo st of t he means use the specific p roperty of directio n ,use t he Doppler eff ect to fix a position is fewer ,and the studie s is also f ewer.Thinking over that the buoy processor does not have Doppler effect handling ability ,we put forward using the man 2ma de law to fix a po sition a nd follows the trac ks of t he objective.By way of picture and CPA πs calc ula tio n etc methods ,we get i n fo rmation such a s co ur se and position ,ma ke analysis to the fixing er ror ,give out at te ntion item to providing t he policy decisio n basis for reasona ble using.Ke y w ords pa ssively directional bu o y ,doppler effect ,CPA Class N umber TN929.31 引言利用多普勒效应定位可以在探测方位误差较大的情况下对目标实施有效的跟踪[1],可以根据一枚或多枚声纳浮标的多普勒信息实施攻击,据此,我们对两种跟踪方式进行讨论。
利用超声波多普勒效应进行目标定位
文章编号 ： １ ０ ０ ４ — ４ ３ ５ ３ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ３ — ０ ２ １ ６ — ０ ４
利 用 超 声 波 多 普 勒 效 应 进 行 目标 定 位
柯伟， 王成 ， 郭振 平
（延 边 大 学 理 学 院 物 理 系 ， 吉林 延吉 １ ３ ３ ０ ０ ２）
第４ ３卷 第 期
２ ０ １ ７年 ９月
延 边 大 学 学报 （ 自然 科学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｙａ ｎ ｂ ｉ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
Ｖ ｏ１ ．４ ３ Ｎ ｏ． ３ Ｓ ｅ ｐ． ２０ １７
ＫＥ Ｗｅ ｉ 。 Ｗ ＡＮＧ Ｃｈｅ ｎｇ。 ＧＵ ０ Ｚｈｅ ｎ ｐｉ ｎｇ （Ｄｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ，Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇｅ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ，Ｙ ａ ｎ ｂ ｉ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｙ ａ ｎ ｊ ｉ １ ３ ３ ０ ０ ２，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ）
摘要 ： 分 析 了超 声 波 对 动 态 目标 定 位 时 产 生 的 频 移 现 象 ， 并 将 其 应 用 于 目标 测 速 ． 利用多普勒效应测 速 ， 对 传 统 的定 位 方 法 加 上 速 度修 正 ， 解 决 了传 统定 位 对 于 较 高 速 物 体 定 位 时 产 生 的滞 后 现 象 ． 利用 ３ 个 不在 同 一 直 线 上 的 波源 ， 将 多 普 勒 效 应 的 动 态 定 位 推广 到二 维 平 面和 三 维 空 间 的运 动 情 形 中 ， 并 给 出 了解 析 表 达 式 ， 还 探
水下定位与导航技术声学多普勒测速技术概述课件
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安装角度偏离误差及其校正 基阵安装误差带来的系统误差，可通过现场测速进 行校正。 由几何关系有两个速度之间的关系
安装角度与船的首尾线的几何关系
由多普勒测速仪可以得到的速度值为
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安装角度偏离误差及其校正
校准方法
安装偏移角的校正，可在海上进行。 船保持直线航行一段距离，例如几海里，在航速达到稳定
后利用差分GPS测量起止点的船位，根据航行时间得到船
的平均速度 vx、vy。
利用船上的高精度罗径得到的航向，算得船坐标系的两个
速度分量vx、vy 。在速度稳定航段中，利用多普勒计程仪 测得的两个速度分量同样也取平均值v’x、v’y.
计算安装偏移角
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安装角度偏离误差及其校正 校准方法
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5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响 安装角度偏离误差及其校正
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噪声对频率测量的影响 过零检测法—测量N次过零的时间计算回波频率。
由公式可以看出，声速有多大的相对误差，将引起同样的测速 误差（相对误差）
进行声速补偿的方法
测量换能器表面处的声速，计算速度时使用现场测得的声速。
导流 测量换能器表明的温度，计算速度时使用现场测得的声速。
罩充 是利用专门的测量装置，测量温度、盐度和压力，再利用声速计
油，
算公式计算声速。
恒温
由声速的计算公式，只要保持
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《水下定位与导航技术》声学多普勒测速技术概述
fdfd I fdI I4 C vxfTco c so sv vx zsi n
在船舶无摇摆及上下起伏时
前后两波束接收信号的频差为
fd
r
4vx C
fT cos
相对频率测量误差
fd fdfdrco svzsi n 1
fd r
fd r
vx
浅水使用时 收发期间只 需测量一次
姿态角
例如当 5和 10时，将分别带来 0.3%和 1.5％的测量误差。
计算法定位导航设备
机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。 电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关
计程仪。
5.1 引言
多普勒现象 目标与声源的相对运动（相向、相离） 声源和接收一体的情况
多普勒速度解算公式 舰船的测速原理、方法 测速误差产生的原因
影响多普勒测速的主要因素及改进方法
在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。
5.2 舰船多普勒测速原詹纳斯理（Janus）配置
舰船多普勒测速原理
xv/C
船与被照射 vvxcos
区的相对径 向速度为 ：
x vx cos
C
fd
I
2vx C
fT cos
接收的回波 1x (1x)2
信号频率为：fr
1x
fT
1x2
fT
fdII2Cvx fTcos
若其往返时间为t2，在t2时间内目标又向声呐靠近 vt2 / 2 。
因此有 L12v2tvT12C2t
由此得到后沿的往返时间为
xv/c
t2
2L/C2xT 1x
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析 换能器接收到的脉冲宽度
基于引入多普勒速度的水下高速小目标快速跟踪方法
基于引入多普勒速度的水下高速小目标快速跟踪方法张思宇; 何心怡; 陈菁; 祝琳【期刊名称】《《指挥控制与仿真》》【年(卷),期】2019(041)006【总页数】4页(P109-112)【关键词】高精度跟踪; 多普勒速度; 高速小目标; 快速跟踪【作者】张思宇; 何心怡; 陈菁; 祝琳【作者单位】海军研究院北京 100161【正文语种】中文【中图分类】E911随着技术的发展进步,世界海军强国发展了数量众多的新型航行器,给各国海上安全构成了严重威胁,水下监视能力成为世界主要海洋强国的发展重点,其核心在于能否有效地探测和跟踪水下目标。
由于部分水下航行器呈现体积小、航速高等特点,传统基于目标距离和方向角的跟踪滤波方法由于跟踪递推信息量不足,难以保证在水下环境对目标跟踪高精度[1-2]。
而水下目标高速运动使可利用的跟踪滤波数据点较少,但也产生了较大的目标多普勒速度,即目标相对于声呐系统的径向速度,将其引入跟踪滤波器的观测方程可以有效增加跟踪滤波的递推计算信息量,提高了跟踪滤波速度和精度。
基于目标距离和方向角的方程均为非线性方程,通常利用扩展卡尔曼滤波器(ExtendKalman Filter, EKF)或无迹卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter, UKF)实现对目标跟踪[3-4]。
EKF基于Taylor级数展开并省略高阶项的数学思想实现线性化近似,存在部分观测方程雅克比矩阵求解困难或无法求解和强非线性方程的线性化近似误差偏大的问题。
而UKF通过目标距离和方向角的采样点近似表示其概率分布，并通过无迹变换(Unscented Transform, UT)逼近目标状态量的后验概率分布,避免了雅克比(Jaccobian)矩阵的复杂计算和均值等量的非线性传递,保证了较高精度的跟踪滤波。
目标多普勒速度可以认为是目标距离的一阶导数,其雅克比矩阵求解困难,因基于UKF跟踪滤波框架将目标多普勒速度引入观测方程[5]。
水下声学定位原理
水下声学定位原理
水下声学定位是通过测量水中声波传播的时间、方向和强度等信息来确定目标位置的技术。
以下是水下声学定位的基本原理：
1.声波传播：水下声学定位利用水中传播的声波。
声波在水中传播
的速度和方向受水的温度、盐度和压力等环境因素的影响。
这些环境因素导致声波在水中传播时发生折射、反射和散射等现象。
2.发射声源：定位系统通常会使用声纳或声源向水中发射声波。
这
个声源可以是主动声源（主动声纳）或被动声源（如接收来自目标的声音或水中噪声）。
3.接收声波：接收设备（水听器或水声传感器）接收从目标反射回
来的声波或来自目标本身发出的声音。
水下声学定位系统通常使用多个接收设备，以便通过多普勒效应和相位差等信息来确定目标的速度和方向。
4.时间差测距：通过测量声波从发射源到各个接收设备的传播时间，
系统可以计算目标与每个接收设备之间的距离。
通过使用三角法等技术，可以将这些距离信息组合，从而确定目标的准确位置。
5.多普勒效应：多普勒效应是由于目标的运动导致接收到的声波频
率发生变化。
通过测量这种频率变化，水下声学定位系统可以推断目标的速度和运动方向。
6.声纳阵列：为了提高定位的准确性，水下声学定位系统通常使用
声纳阵列，即由多个水听器组成的数组。
通过同时测量多个方向上的声波，系统可以更精确地确定目标的位置。
水下声学定位在海洋学、海洋资源勘测、水下探测和军事领域等方面具有广泛的应用。
这一技术对于深海研究、水下导航、潜艇追踪和水下资源勘探等领域有着重要的作用。
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根据 上述 公式 ，将 仿真 产生 的线 谱 与连续 谱信
号 相叠加 后 ，通过 一个 参数 与舰 船 目标信 号相 匹配 的低通滤 波 器 ， 可得 到仿 真 的舰船 噪 声信 号 ， 图 ｌ 如
所示 。
对 性 的给 出了抑制 多普 勒效 应 影响 的方法 ，并进 行
了仿 真分 析 。
能够根 据具 体舰 船进行 设 置 的参 数 。连续 谱 噪声 可
讲嚣
此 多普勒 效应 成 为制约 被动 声 呐定位 精度 的重 要 因
素之 ‘ 。
以用 宽平 稳 随机 过 程 来 拟 合， 常 是将 高 斯 白噪 声 通 信 号通 过 一 个 Ｉ 滤 波器 ，来 得到 一 定频带 内的噪 一 Ｉ Ｒ
图 １仿 真 噪 声 谱 示 意 图
线 谱分量 可 以通 过直 接把 一组 谐波信 号叠加 于
连续 谱 噪声 上来 实现 ，这 些谱 波 以一组 可 以反 映实 际 目标 特征 的 参数来 选 定 ， ｉ阶 谐波 组形 式 为 ： 第 ］
１２ 传播 信 道建模 仿 真 ． 海洋 及其 边 界构 成对水 下 声传 播非 常复 杂 的信 道［１ ２ 。水 声信 道 不 仅 对 目标辐 射 信 号进 行 能 量 变 ， ５
：３ 喝 ｘ １ ０ ＂
。
ＢＥＬ Ｈ０Ｐ Ｔｍｅ ｅ ￣ － ＿ Ｌ ｉ Ｄ ｌｙ Ａｍｐｉ ｄ ｌｕ ｅ ｌ ＇
直接 表现 为通 过 各 阵元 接 收信 号与 参考 阵元做 互相
产 牛 失真 ，对 定位 结果 和精 度产 生较 大 的影响 。 因
式 中， 为第 ｉ阶谐 波 组所包 含 的谐波 分 量数 ， 是［ ２ ］ 的均匀 随机量 ， 值 由谱 分析 参数给 出， ０， 兀 上 每 一组谐 波有 独立 的 随机 漂 移相位 （ ， 和 是 ）
２ １ 年 第 ３期 ０２
声学 与 电子工程
总 第 １ ７ 期 ０
多普 勒 效 应 对 水 下 高速 运 动 目标 被 动 定位 的 影 响及 其 抑 制 方 法
梁 文 磊 陈励 军
（ 东南大学信 息科 学与工程学院 ，南京 ，２ ０ ９ ） １ ０ ６
摘 要 为改 善 水 Ｆ高 速 运 动 目标出抑 制 多普 勒效 应 的方 法 。 首先 介 绍
声信 号 。
本 文对 水 Ｆ目标 噪 声信 号 和水 声传 播信道 进 行 建 模仿 真 ，并通 过仿 真 的五元 十字 阵对 接收 到 的 目
标 噪 声仿真 信 号进 行处 理 ， 到对 目标 定位 的 目的 。 达 ｝ 分析 了多普勒 效应 对 目标被 动定位 的影 响，针 ！ 要
２高速 运动 目标 的多普勒效应
由于 被动 定位 的实现 主 要依靠 基 阵 阵元 接 收信 号 间 的时延 差估 计 ，因此 估计 时延 差 的精度 将直 接
决定被 动 定位 的精度 。如 果 目标 与接 收基 阵之 间存
在 相对 位移 ，则 基 阵所 接 收到 的信 号将 受到 多普 勒 效应 的影 响。对 于水 下高速 运 动 目标 ，多普 勒效应 将对 信 号 问的相 关性产 生 很大 的影 响［ １ 这 种影 响 ｇ。 ， ９
换 ， 且进 行信 息变 换 。 文采 用 的是 Ａ 而 本 ＣＴ水声 信
２ ２
梁文磊 等：多普勒效应对水下 高速运动 目 标被动定位 的影响及其抑制方法
号 处理 工 具箱 中 的 Ｂ Ｌ ＨＯ Ｅ Ｌ Ｐ声线模 型 来构 建水 声
信 道模 型 的 ，通 过 给定 声环 境 参数 就可 仿真 获得 二 维 声线 的传 播参 数 。图 ２所 示 为 Ｂ Ｌ Ｈ Ｅ Ｌ ＯＰ信 道 模 型 的仿 真示 意 图，其 中 Ｄ 表 示 直达 波 ，Ｓ Ｂ１表 示 Ｏ 零次 海 面反 射一 次海 底 反射 ， １ 表 示 一次海 面 反 Ｓ Ｂ１ 射 一 次海 底 反射 ，其 他类 同。
关 键 词 噪 声 信 号； 被 动 定 位 ； 时 延估 计 ； 多普 勒 效 应 ； 定位 精 度
海 洋 声学 主要 利用 声波在 水下 可 以远距 离低 损 耗 的传播 特性 ，通 过声 电转 换和信 号 处理等 技 术 ，
完成 水下 的 目标探 测和 通讯 等任 务 。主动 声呐 在工
１仿 真 模 型 及 分 析
１ １ 目标辐 射 噪声 信号 建模 仿真 ．
舰 船 、潜艇和 鱼 雷是 良好 的水下 声源 【 ］ 船 ｌ 。舰 ＇ ２ 辐 射 噪声 谱主 要 由有连 续谱 的宽 带噪 声和 具有 非连 续 离 散线 谱 的单频 噪声 混合 叠加 而成 。舰 船辐射 噪
１ 皿］ ＝ 二 ＝ ＝
频率 ｆｚ Ｈ１ 目标噪声信号 功率谱
声时 域波 形可 以描 述 为 ： Ｊ
（ ＝１ 口 ） ｘ） Ｓ ｌ （｝ ＋ １） ） ＋ ｆＳ （
连续 分量 、线 谱分量 对 应 的时域 波形 。
（） １
频率 ２ ）
其中，ａ ｔ为周期调制波形； （ 和 Ｓ（ 分别为 （ ） ｆ ） ） ｔ
了 本 的水下信号模型和水 卜 声传播信道模 型，分析 了多普勒效应对被动定位的影响，给出抑制方案 。随
后 分 析 了所 给 出 办 案 的性 能 ， 并 且 通 过 仿 真 ， 分 析 了 出 现 误 差 的 原 因 ，得 到 了 提 高 定 位 精 度 的关 键 凶 素 。
仍 真结果表 叫，该方 案可 以有效抑制 多普勒效应对被动定位的影响 ，具有较强的实用 性。
＝ ｎ ｃ ｃ ∑ｉＬ ＋）］ 兀 ｌ） ｌ等 Ｊ ［哮 ｝＿ ２ ＋２
＝
ａｎ ｉ ｉＳｎ
ｎ＝ｌ
作 过程 中容 易暴 露 ，因此 隐蔽 性极 强 的被 动 声呐逐 渐 成 为水 声应用 的热 点 。水下 或水 面 目标高速 运 动 时 ，接 收 到 的 目标 信号将 受 到多普 勒效 应 的影 响而