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 大連 116018）

1 引言

主動探測水下目標，可以獲得目標的舷角和距離信息［1～3］，當水中目標速度較快時，聲速相對較慢，主動聲納探測目標回波的延遲時間相對較長，如4.5km發(fā)現(xiàn)快速目標，回波的時間延遲約為6s。當對高速魚雷目標進行仿真實驗，發(fā)現(xiàn)目前定位方法對高速魚雷定位誤差達到百米以上，無法滿足對高速魚雷實施“精確打擊”的目標［4～5］。故此，當采用主動聲納對于水下快速目標進行定位時，傳統(tǒng)探測定位方法獲得的目標方位距離的誤差較大，需要進行修正。

2 簡化修正方法

常用主動聲納屬于收發(fā)合置聲納［6］，探測目標過程如圖1所示，t1時刻，艦艇與目標分別位于W1和T1點，艦艇聲納開始發(fā)射聲波；t2時刻聲波到達目標，艦艇與目標已分別運動到W2和T2點；t3時刻，當位于艦艇W3接收到目標的反射回波，目標運動到T3點。W1到T2的距離為d1，W3到T2的距離為d3。在W3點艦艇測得目標舷角qw，聲納聲波傳播距離為d1+d3，根據(jù)傳播時間間隔測量的目標距離為(d1+d3)/2。顯然，實際測得的目標距離和舷角值不匹配，必須進行修正［7］。

以艦艇和目標分別位于W2和T2點時刻為基準，對聲納的實測值進行修正。這樣，目標距離就是W2和T2點間的距離d*，即

圖1 收發(fā)合置主動聲納定位示意圖

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

在相同的運動態(tài)勢下，由于艦艇發(fā)射聲波到接收的時間間隔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T2到W1、W3距離和已知，則T2位于W1、W3為焦點的橢圓上。其中W1、W3為焦點，距離dw，則焦距為dw，即dw=2c；d1+d3為橢圓上的點到焦點的距離和，等于橢圓長軸2a，即 d1+d3=2a，則短軸2b可由公式求得。橢圓長軸2a、短軸2b、焦距2c、離心率e、焦點參數(shù) p參數(shù)確定如下：

以艦艇為中心，艦艏方向為極軸，以舷角qw為極角，距離d3為極徑的極坐標方程為

修正點W2到W3的距離dw23

由于修正參考點位于W2，所以t2時刻為基準時刻，接收到聲波t3時刻已知，則t2到t3時刻時間延遲為

4 橢圓修正方法收發(fā)分置聲納應(yīng)用

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

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

圖2 收發(fā)分置主動聲納定位示意圖

t3時刻接收陣位于S3點，測得聲波傳播時間間隔Δt，傳播距離d1+d3=CΔt，接收目標舷角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，T2點為橢圓上的一點。以S2點為探測基準點修正測量數(shù)據(jù)。

以我艦航艦艏方向為0度，以舷角qw為極角，距離d3為距離的極坐標方程為

由于修正參考點為S2，所以t2時刻為基準時刻，t1時刻從聲波由W1點發(fā)出，到達T2點的時間間隔Δt1為聲波經(jīng)過d1傳播時間

對于收發(fā)分置的主動聲納測量參數(shù)，即目標舷角和距離的修正，位置基準點發(fā)生了變化，時間發(fā)生了變化。所以應(yīng)根據(jù)測量基準點、測量結(jié)果和測量時刻，進行相對位置的視差修正。

當以測量基準點S2進行修正后，相對于同一時刻我艦艇W2點，目標相對于艦艇的舷角qw'和距離d'為

5 仿真計算及結(jié)果分析

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

當目標航向為330°.0不變，目標分別位于000°.0、045°.0、090°.0時，仿真結(jié)果如圖3。

圖3 誤差與目標速度的關(guān)系

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

圖4 誤差與目標航向的關(guān)系

分析仿真結(jié)果可知，傳統(tǒng)目標定位測量方法與目標實際位置確實存在誤差，當目標速度為30m/s時，距離誤差為45m左右并隨著速度增大而增大，目標航向?qū)嚯x誤差也有影響，當目標航向與艦艇航向垂直時距離誤差較小。同時，由仿真結(jié)果得，雖然修正方法可以準確得到艦艇和目標在t2時刻的位置，但簡單將基準時刻平移至t3時刻無法消除誤差，特別是收發(fā)分置系統(tǒng)距離誤差最小達到300m以上，無法滿足對魚雷精準定位的需求，需要使用濾波等手段進一步消除誤差。

6 結(jié)語

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