趙向濤 宛煜棋 寇 祝

（1.海軍大連艦艇學(xué)院水武與防化系 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員五大隊(duì) 大連 116018）

1 引言

主動(dòng)探測(cè)水下目標(biāo)，可以獲得目標(biāo)的舷角和距離信息［1～3］，當(dāng)水中目標(biāo)速度較快時(shí)，聲速相對(duì)較慢，主動(dòng)聲納探測(cè)目標(biāo)回波的延遲時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，如4.5km發(fā)現(xiàn)快速目標(biāo)，回波的時(shí)間延遲約為6s。當(dāng)對(duì)高速魚雷目標(biāo)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)目前定位方法對(duì)高速魚雷定位誤差達(dá)到百米以上，無法滿足對(duì)高速魚雷實(shí)施“精確打擊”的目標(biāo)［4～5］。故此，當(dāng)采用主動(dòng)聲納對(duì)于水下快速目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，傳統(tǒng)探測(cè)定位方法獲得的目標(biāo)方位距離的誤差較大，需要進(jìn)行修正。

2 簡(jiǎn)化修正方法

常用主動(dòng)聲納屬于收發(fā)合置聲納［6］，探測(cè)目標(biāo)過程如圖1所示，t1時(shí)刻，艦艇與目標(biāo)分別位于W1和T1點(diǎn)，艦艇聲納開始發(fā)射聲波；t2時(shí)刻聲波到達(dá)目標(biāo)，艦艇與目標(biāo)已分別運(yùn)動(dòng)到W2和T2點(diǎn)；t3時(shí)刻，當(dāng)位于艦艇W3接收到目標(biāo)的反射回波，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到T3點(diǎn)。W1到T2的距離為d1，W3到T2的距離為d3。在W3點(diǎn)艦艇測(cè)得目標(biāo)舷角qw，聲納聲波傳播距離為d1+d3，根據(jù)傳播時(shí)間間隔測(cè)量的目標(biāo)距離為(d1+d3)/2。顯然，實(shí)際測(cè)得的目標(biāo)距離和舷角值不匹配，必須進(jìn)行修正［7］。

以艦艇和目標(biāo)分別位于W2和T2點(diǎn)時(shí)刻為基準(zhǔn)，對(duì)聲納的實(shí)測(cè)值進(jìn)行修正。這樣，目標(biāo)距離就是W2和T2點(diǎn)間的距離d*，即

圖1 收發(fā)合置主動(dòng)聲納定位示意圖

式中：Vw為艦艇速度；C為聲波在海水中的傳播速度。

3 橢圓修正方法

在相同的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)下，由于艦艇發(fā)射聲波到接收的時(shí)間間隔Δt已知，則聲波傳播路程

聲速C已知，所以d1+d3已知。

設(shè)艦艇位置點(diǎn)W1、W3距離為dw，則

由于艦艇航速Vw已知，所以dw已知。

綜上所述，目標(biāo)T2到W1、W3距離和已知，則T2位于W1、W3為焦點(diǎn)的橢圓上。其中W1、W3為焦點(diǎn)，距離dw，則焦距為dw，即dw=2c；d1+d3為橢圓上的點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離和，等于橢圓長(zhǎng)軸2a，即 d1+d3=2a，則短軸2b可由公式求得。橢圓長(zhǎng)軸2a、短軸2b、焦距2c、離心率e、焦點(diǎn)參數(shù) p參數(shù)確定如下：

以艦艇為中心，艦艏方向?yàn)闃O軸，以舷角qw為極角，距離d3為極徑的極坐標(biāo)方程為

修正點(diǎn)W2到W3的距離dw23

由于修正參考點(diǎn)位于W2，所以t2時(shí)刻為基準(zhǔn)時(shí)刻，接收到聲波t3時(shí)刻已知，則t2到t3時(shí)刻時(shí)間延遲為

4 橢圓修正方法收發(fā)分置聲納應(yīng)用

采用收發(fā)分置聲納主動(dòng)探測(cè)目標(biāo)，以艦殼發(fā)射陣和拖曳接收陣共同完成探測(cè)［8～9］。主要的優(yōu)點(diǎn)是，拖曳接收陣遠(yuǎn)離艦艇，噪聲低，探測(cè)目標(biāo)距離遠(yuǎn)［10～12］。類似的收發(fā)分置聲納測(cè)量原理也存在原理誤差。與收發(fā)合置聲納測(cè)量原理誤差修正一樣，收發(fā)分置聲納也需要進(jìn)行誤差修正。

收發(fā)分置探測(cè)過程如圖2，t1時(shí)刻我艦位于W1點(diǎn)（發(fā)射陣聲中心），拖曳接收陣位于S1點(diǎn)，與艦艇距離dst，目標(biāo)位于T1點(diǎn)，發(fā)射聲波。聲波經(jīng)過水中傳播，t2時(shí)刻到達(dá)目標(biāo)，此時(shí)我艦、拖曳陣和分別位于W2、S2、T2點(diǎn)。聲波由目標(biāo)反射，t3時(shí)刻返回接收陣，此時(shí)我艦、拖曳陣和位于W3、S3、T3點(diǎn)。

圖2 收發(fā)分置主動(dòng)聲納定位示意圖

t3時(shí)刻接收陣位于S3點(diǎn)，測(cè)得聲波傳播時(shí)間間隔Δt，傳播距離d1+d3=CΔt，接收目標(biāo)舷角qw，W1、S3距 離 為 W1S3=dst-Δt?Vw。 由 于d1+d3=C×Δt為定值，所以，以W1、S3為焦點(diǎn)，T2點(diǎn)為橢圓上的一點(diǎn)。以S2點(diǎn)為探測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)修正測(cè)量數(shù)據(jù)。

以我艦航艦艏方向?yàn)?度，以舷角qw為極角，距離d3為距離的極坐標(biāo)方程為

由于修正參考點(diǎn)為S2，所以t2時(shí)刻為基準(zhǔn)時(shí)刻，t1時(shí)刻從聲波由W1點(diǎn)發(fā)出，到達(dá)T2點(diǎn)的時(shí)間間隔Δt1為聲波經(jīng)過d1傳播時(shí)間

對(duì)于收發(fā)分置的主動(dòng)聲納測(cè)量參數(shù)，即目標(biāo)舷角和距離的修正，位置基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生了變化，時(shí)間發(fā)生了變化。所以應(yīng)根據(jù)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)、測(cè)量結(jié)果和測(cè)量時(shí)刻，進(jìn)行相對(duì)位置的視差修正。

當(dāng)以測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)S2進(jìn)行修正后，相對(duì)于同一時(shí)刻我艦艇W2點(diǎn)，目標(biāo)相對(duì)于艦艇的舷角qw'和距離d'為

5 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

為突出問題的針對(duì)性，假設(shè)主動(dòng)聲吶能夠準(zhǔn)確測(cè)量回波方位和時(shí)間，并且不考慮其處理時(shí)間。設(shè)定聲速為1500m/s，水面艦艇航向000°.0、航速5m/s，高速目標(biāo)初始距離4.5km。分析高速目標(biāo)分別位于方位000°.0、045°.0、090°.0，速度從10m/s～100m/s和航向從000°.0～365°.0時(shí)，各修正方法所得目標(biāo)位置與實(shí)際目標(biāo)位置距離差。根據(jù)修正算法，修正后可以準(zhǔn)確得到t2時(shí)刻，即回波抵達(dá)目標(biāo)時(shí)艦艇和目標(biāo)的位置，但修正后基準(zhǔn)時(shí)刻有所改變，實(shí)際中需要的是t3時(shí)刻艦艇和目標(biāo)位置，在此次仿真中簡(jiǎn)單將修正后基準(zhǔn)位置點(diǎn)平移至w3。其中，結(jié)果一為修正前目標(biāo)位置和目標(biāo)實(shí)際位置距離差，結(jié)果二為采用簡(jiǎn)易修正法后目標(biāo)位置和目標(biāo)實(shí)際位置距離差，結(jié)果三為采用橢圓修正法后目標(biāo)位置和目標(biāo)實(shí)際位置距離差，結(jié)果四為收發(fā)分置聲吶采用橢圓修正法后目標(biāo)位置和實(shí)際位置距離差。

當(dāng)目標(biāo)航向?yàn)?30°.0不變，目標(biāo)分別位于000°.0、045°.0、090°.0時(shí)，仿真結(jié)果如圖3。

圖3 誤差與目標(biāo)速度的關(guān)系

當(dāng)目標(biāo)速度為30m/s不變，目標(biāo)分別位于000°.0、045°.0、090°.0時(shí)，仿真結(jié)果如圖4。

圖4 誤差與目標(biāo)航向的關(guān)系

分析仿真結(jié)果可知，傳統(tǒng)目標(biāo)定位測(cè)量方法與目標(biāo)實(shí)際位置確實(shí)存在誤差，當(dāng)目標(biāo)速度為30m/s時(shí)，距離誤差為45m左右并隨著速度增大而增大，目標(biāo)航向?qū)嚯x誤差也有影響，當(dāng)目標(biāo)航向與艦艇航向垂直時(shí)距離誤差較小。同時(shí)，由仿真結(jié)果得，雖然修正方法可以準(zhǔn)確得到艦艇和目標(biāo)在t2時(shí)刻的位置，但簡(jiǎn)單將基準(zhǔn)時(shí)刻平移至t3時(shí)刻無法消除誤差，特別是收發(fā)分置系統(tǒng)距離誤差最小達(dá)到300m以上，無法滿足對(duì)魚雷精準(zhǔn)定位的需求，需要使用濾波等手段進(jìn)一步消除誤差。

6 結(jié)語

本文通過主動(dòng)探測(cè)水下目標(biāo)定位基本過程分析，指出傳統(tǒng)的目標(biāo)定位測(cè)量方法確定的目標(biāo)距離、舷角信息存在系統(tǒng)誤差的事實(shí)，在介紹了簡(jiǎn)化修正方法的同時(shí)，提出了收發(fā)合置、收發(fā)分置主動(dòng)聲納定位誤差修正方法并進(jìn)行了理論推導(dǎo)，該方法可應(yīng)用于水下高速目標(biāo)探測(cè)定位應(yīng)用中，對(duì)目標(biāo)航向、航速等運(yùn)動(dòng)要素求解提供理論支持。