专利名称：利用短基线阵测量水中合作目标方位角的方法
技术领域：
本发明涉及一种水中目标方位角测量的方法，更具体地说，本发明涉及一种适合采用较短基线的基阵对水中合作目标进行方位角精密测量的方法。
背景技术：
在对水下合作目标定位中，对方位角的测量方法主要有三种。其一是利用超短基线阵，通过测量目标到达基阵两阵元之间的相位差来测量方位角。该方法的优点是基阵尺寸小，安装使用比较方便，但其缺点是对信号的输入信噪比要求高。相位差的测量精度为 其中S/N为信噪比。一般在实际测量系统中，信噪比为100(20dB)，则相位的测量误差为0.1弧度，根据Δα＝λΔ/(2πd cosα)，Δα为方位角测量误差，d为阵元之间的距离，根据超短基线的定义，要求d≤λ/2，我们取最大值d＝λ/2，在α＝0度时，可以得到方位角的最小测量误差为1.82度。
其二是利用短基线阵，通过测量目标到达基阵两阵元之间的时间差来测量方位角。该方法的优点是可以利用宽带信号，通过信号处理的方法，得到准确的时间差，时间测量的C-R下界为Δτmin=(38π2T)1/21S/N1f23-f13,]]>其中T为信号的时间，f1、f2为信号的上下限频率，一般来说，时间测量的C-R下界可以达到很高的精度，但在工程实现过程中，由于基阵安装、电路的不一致性等原因，能够达到的测量误差为10μs左右，根据公式Δα=cdcosαΔτ,]]>如果d＝1米，α＝0度时，可以得到最小的方位角误差为0.8度。如果需要进一步提高方位角测量精度，则需要使用较长的基阵，一般基阵的尺度在十米以上。
其三是利用长基线阵，通过测量信号达到的时间解算目标的方位角，由于其阵长在1000米以上，所以在工程中布放和回收都比较困难。
发明内容
本发明的目的在于通过研究短基线阵和超短基线阵定位方法，同时对相位差和时间差进行测量，充分利用了超短基线阵和短基线阵的优点，提供一种利用短基线阵测量水中合作目标方位角的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种利用短基线阵测量水中合作目标方位角的方法，该方法测量目标信号到达短基线阵相邻两阵元之间的实际相位差，而目标的方位角由公式 到，其中，λ为目标信号的波长，d为短基线阵中相邻两阵元之间的距离。
所述实际相位差包括整π相位差和实测相位差两部分，实测相位差是实际相位差中不足整π的部分。实际相位差通过如下步骤得到(1)测量目标信号到达基阵两阵元之间的时间差τ，时间差τ的测时误差小于信号的1/4周期；通过该时间差τ得到方位角的第一粗测值α1=arcsin(cτd),]]>以及时间差τ内包含信号半周期的个数n；其中，所述半周期数n也就是目标信号到达基阵两阵元的实际相位差内包含的整π相位的个数；(2)测量目标信号到达基阵两阵元之间的实测相位差′，该实测相位差′的取值在0～π之间；(3)根据步骤(1)中的时间差τ内包含信号半周期的个数n以及步骤(2)中的实测相位差′，得到方位角的第二粗测值 (4)当α2落入α1的测量误差内时，则所述实际相位差＝nπ+′；当α2没有落入α1的测量误差内且α2大于α1时，则所述实际相位差为＝(n-1)π+′；当α2没有落入α1的测量误差内且α2小于α1时，则所述实际相位差为＝(n+1)π+′。
所述短基线阵的两个基元的间距优选在1λ～20λ之间，其中λ为目标信号的波长。
本发明的优点在于(1)本发明的测量方法是建立在现有技术中的测量相位差和测量时间差方法的基础上，因此实现本发明的方法并不需要增加设备的硬件，所以该方法可以很方便的改造现有的短基线定位系统。
(2)在保持现有技术中测量相位差和测量时间差的精度的情况下，本发明的测量精度可以提高一个数量级左右。
图1是方位角测量的原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。
实施例1在本实施例中，系统参数为系统的工作频率为15kHz，信号周期为66.7μs，基元之间的距离d＝10λ，声速c＝1500m/s。图1中阵元之间的距离d为1米，水中合作目标的方位角的真值α为45度。信号到基阵中相邻两基元的声程差为s＝d sinα。
将基阵中的两个相邻阵元接收到的来自目标的信号进行放大、滤波等处理后，进行模数转换，将模拟信号变为数字信号。
采用互相关、互谱法等精密时间差测量方法得到目标信号到达基阵两阵元的信号之间的时间差，考虑到测时误差Δτ，该实测的时间差τ＝(d sinα)/c＝(471±Δτ)μs。本实施例中的时间测量误差Δτ为10μs，则实测的时间差τ应该在461μs～481μs之间。实测时间差τ内包含的信号的半周期数n可为13或14。该半周期数n也就是目标信号到达基阵两阵元的相位差内包含的整π相位的个数。
根据实测的时间差τ并结合公式τ＝(d sinα)/c，可得到的目标方位角的第一粗测值α1＝45±Δα1，其中由测时误差Δτ引起的最大方位角的测量误差Δα1＝cΔτ/(d cosα)＝1.3，即第一粗测值α1在43.7度～46.3度之间。
然后，采用互谱法、自适应相位计等方法得到目标信号到达基阵两阵元之间的实测相位差′，该实测相位差′的取值在0～π之间，不包含信号实际相位差中的整π相位差部分。考虑到实测相位差′的测相误差Δ′，则实测的相位差为′＝0.145π±Δ′。在本实施例中，取Δ′＝0.1弧度。
信号实际的相位差是整π相位差部分与实测相位差部分之和，即＝nπ+′。
当实测时间差τ内包含的半周期数n为13，即实际相位差中的整π相位的个数为13时，＝13π+0.145π±0.1，带入 得到第二粗测值α2分别为41.2度或41.0度，即考虑到测相误差Δ′后，第二粗测值α2应该在41.0度～41.2度之间。将α2和α1进行比较，可以看出α2小于α1的下限。这时将n加上1，即令n＝14，则＝14π+0.145π±0.1，代入 此时得到的α2就是最后要得到的精测值α，通过计算得到α的范围为44.9度～45.1度。
当实测时间差τ内包含的半周期数n为14，即实际相位差中的整π相位的个数为14时，＝14π+0.145π±0.1，带入 得到第二粗测值α2分别为45.1度和44.9度，即考虑到测相误差Δ′后，第二粗测值α2应该在44.9度～45.1度之间。将α2和α1进行比较，可以看出α2在α1的误差范围内。这时得到的α2就是最后要得到的精测值α，即α的范围为44.9度～45.1度。
从上述计算可知，在测相误差为Δ′＝0.1弧度、测时误差Δτ为17μs的情况下，通过联合解算时间差和相位差得到了非常高的方位角测量精度，测量精度为0.1度。
在现有技术中，短基线阵采用单独采用测量时间差的方法测量方位角，测时误差Δτ为10μs的情况下，其方位角的测量精度约为1.3度。而本发明的方法则可以使方位角的测量精度提高到0.1度，比现有技术提高了一个数量级。
实施例2在本实施例中，系统参数为系统的工作频率为15kHz，信号周期为66.7μs，基元之间的距离d＝10λ，声速c＝1500m/s。图1中阵元之间的距离d为1米，水中合作目标的方位角的真值α为17度。信号到基阵中相邻两基元的声程差为s＝d sinα。
将基阵中的两个相邻阵元接收到的来自目标的信号进行放大、滤波等处理后，进行模数转换，将模拟信号变为数字信号。
采用互相关、互谱法等精密时间差测量方法得到目标信号到达基阵两阵元的信号之间的时间差，考虑到测时误差Δτ，该实测的时间差τ＝(d sinα)/c＝(195±Δτ)μs。本实施例中的时间测量误差Δτ为10μs，则实测的时间差τ应该在185μs～205μs之间。实测时间差τ内包含的信号的半周期数n可为5或6。该半周期数n也就是目标信号到达基阵两阵元的相位差内包含的整π相位的个数。
根据实测的时间差τ并结合公式τ＝(d sinα)/c，可得到的目标方位角的第一粗测值α1＝17±Δα1，其中由测时误差Δτ引起的最大方位角的测量误差Δα1＝cΔτ/(d cosα)＝1.3，即第一粗测值α1在15.7度～18.3度之间。
然后，采用互谱法、自适应相位计等方法得到目标信号到达基阵两阵元之间的实测相位差′，该实测相位差′的取值在0～π之间，不包含信号实际相位差中的整π相位差部分。考虑到实测相位差′的测相误差Δ′，则实测的相位差为′＝0.856π±Δ′。在本实施例中，取Δ′＝0.1弧度。
信号实际的相位差是整π相位差部分与实测相位差部分之和，即＝nπ+′。
当实测时间差τ内包含的半周期数n为5，即实际相位差中的整π相位的个数为5时，＝5π+0.856π±0.1，带入 得到第二粗测值α2分别为17.01度或17.03度，即考虑到测相误差Δ′后，第二粗测值α2应该在17.01度～17.03度之间。将α2和α1进行比较，可以看出α2在α1的范围内。这时得到的α2就是最后要得到的精测值α，即α的范围为17.01度～17.03度。
当实测时间差τ内包含的半周期数n为6，即实际相位差中的整π相位的个数为6时，＝6π+0.856π±0.1，带入 得到第二粗测值α2分别为20.04度和20.06度，即考虑到测相误差Δ′后，第二粗测值α2应该在20.04度～20.06度之间。将α2和α1进行比较，可以看出α2不在α1的误差范围内，而且大于α1的上限。这时将n减去1，即令n＝5，则＝5π+0.865π±0.1，代入 此时得到的α2就是最后要得到的精测值α，通过计算得到α的范围为17.01度～17.03度。
从上述计算可知，在测相误差为Δ′＝0.1弧度、测时误差Δτ为10μs的情况下，通过联合解算时间差和相位差得到了非常高的方位角测量精度，测量精度为0.03度。
在现有技术中，短基线阵采用单独采用测量时间差的方法测量方位角，测时误差Δτ为10μs的情况下，其方位角的测量精度约为1.3度。而本发明的方法则可以使方位角的测量精度提高到0.03度，比现有技术提高了一个数量级。
权利要求
1.一种利用短基线阵测量水中合作目标方位角的方法，其特征在于，测量目标信号到达短基线阵相邻两阵元之间的实际相位差，目标的方位角由公式 得到，其中，λ为目标信号的波长，d为短基线阵中相邻两阵元之间的距离。
2.根据权利要求1所述的测量水中合作目标方位角的方法，其特征在于，所述实际相位差通过如下步骤得到(1)测量目标信号到达基阵两阵元之间的时间差τ，时间差τ的测时误差小于信号的1/4周期；通过该时间差τ得到方位角的第一粗测值α1=arcsin(cτd),]]>以及时间差τ内包含的信号半周期个数n；(2)测量目标信号到达基阵两阵元之间的实测相位差′，该实测相位差′的取值在0～π之间，不包含信号实际相位差中的整π相位差部分；(3)根据步骤(1)中的时间差τ内包含信号半周期的个数n以及步骤(2)中的实测相位差′，得到方位角的第二粗测值 (4)当α2落入α1的测量误差内时，则所述实际相位差＝nπ+′；当α2没有落入α1的测量误差内且α2大于α1时，则所述实际相位差为＝(n-1)π+′；当α2没有落入α1的测量误差内且α2小于α1时，则所述实际相位差为＝(n+1)π+′。
3.根据权利要求1所述的测量水中合作目标方位角的方法，其特征在于，所述短基线阵的两个基元的间距在1λ～20λ之间，其中λ为目标信号的波长。
全文摘要
本发明公开了一种利用短基线阵测量水中合作目标方位角的方法，通过测量目标信号到达短基线阵相邻两阵元之间的实际相位差来计算目标的方位角。而实际相位差是通过测量目标信号的时间差和实测相位差来获得。本发明的测量方法是建立在现有技术中的测量相位差和测量时间差方法的基础上，因此实现本发明的方法并不需要增加设备的硬件，所以该方法可以很方便的改造现有的短基线定位系统。在保持现有技术中测量相位差和测量时间差的精度的情况下，本发明的测量精度可以提高一个数量级左右。
文档编号G01S5/00GK1595194SQ0315677
公开日2005年3月16日 申请日期2003年9月10日 优先权日2003年9月10日
发明者许枫, 魏建江, 宋超, 邹超, 刘颖 申请人:中国科学院声学研究所