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“无人船+拖缆”机动型水下目标定位系统及算法关键技术研究
| 论文题名： | “无人船+拖缆”机动型水下目标定位系统及算法关键技术研究 |
| 关键词： | 被动声呐;水下目标定位;无人船;拖曳线列阵;波达方向估计 |
| 摘要： | 被动声呐因其隐蔽性好且作用距离远被广泛应用于水下目标监测。但面对我国领海面积广阔、海域情况复杂、存在岛屿领土争端的情况，传统被动声呐的应用存在一定局限。传统岸基固定式警戒声呐、声呐浮标等定点定位系统探测范围有限，无机动能力，难以实现大范围海域监测及灵活应对复杂情况；传统舷侧阵、拖曳水听器阵列等移动定位系统运维成本高，在危险海域作业存在人员伤亡风险。为克服上述不足，本文针对“无人船+拖缆(以下简称无人船拖缆)”这一低成本灵活机动式水下目标新型定位方式，聚焦无人船直线路径跟踪、水声信号低噪声调理与高同步精度采样、目标定位算法等关键技术开展研究，主要工作如下： 1.基于无人船拖缆系统的应用场景分析其功能需求，据此设计了该系统的总体方案，并分析了利用其实现水下目标定位的关键技术。 2.为使无人船拖缆系统跟踪直线路径以保持拖曳水听器阵列的直线阵型，建立了双推进无人船的三自由度运动模型与螺旋桨推力模型，分析其运动和动力学性能，并据此设计了视线制导与PID(Proportional-Integral-Derivative)控制相结合的直线路径跟踪算法，并通过仿真优化了PID控制参数，通过湖上实验验证了算法的有效性。 3.针对水听器输出阻抗高、信号弱，传输路径长而易受干扰等问题，通过仪用前置放大技术，实现了阻抗的有效匹配，同时结合差分双绞传输方法，实现了干扰的有效抑制；建立了电路噪声模型，通过增益前置、低噪设计等方法，实现了信号调理电路的低噪设计。针对同步采样误差影响定位性能的问题，基于主从同步采样模型，设计了锁相环与主时钟传输延时校正相结合的方法，实现了各信号通道的高同步精度采样，达到了优于10ns的同步采样精度。 4.针对一维水听器阵列只能获取目标一维波达方向(Direction of arrival,DOA)的局限，提出了一种无人船拖缆运动合成L阵型的二维DOA估计方法，构建了运动线阵合成二维L阵型的数据模型，通过单线阵分时独立估计目标的方向余弦，基于二维数据模型并联合两个方向余弦计算目标的二维DOA；同时，建立了航向误差与阵型扰动模型，深入分析了航向误差与阵型扰动对二维DOA估计精度的影响机理与规律；通过仿真验证了估计方法的有效性以及抗扰性。 5.搭建了无人船拖缆水下目标定位系统原理样机，并对设计的二维DOA估计方法进行了实验验证。 |
| 作者： | 杨国梁 |
| 专业： | 仪器科学与技术 |
| 导师： | 蒋佳佳 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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