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

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。

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。

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。

水下声纳信号处理中的多普勒效应研究水下声纳技术是一种广泛应用于海洋探测和测量、海洋资源勘探和开发、以及海洋军事等方面的技术。

在进行水下声信号的探测、定位和追踪时，信号的频率和多普勒效应是重要的研究内容。

因此，多普勒效应在水下声纳信号处理中起着重要的作用，本文将针对多普勒效应在水下声纳信号处理中的研究进行探讨。

一、多普勒效应的基本概念多普勒效应是物体运动引起的频率变化现象，简单地说就是由于物体向接收者或发射者靠近或远离，导致接收或发射的频率发生改变。

在水下声纳技术中，水体运动、目标运动等因素都可能引起多普勒效应，从而影响声波传播和接收，因此对多普勒效应进行研究十分重要。

二、多普勒效应在水下声纳技术中的应用多普勒效应在水下声纳技术中有着广泛的应用，包括水下目标测速、自适应滤波和目标跟踪等。

水下目标测速是指通过测量多普勒效应，来获得目标的速度信息；自适应滤波是指根据多普勒效应进行滤波，以获得更准确和清晰的信号；目标跟踪是指利用多普勒效应来实现目标的实时跟踪，从而提高声纳探测的灵敏度和精度等。

三、多普勒效应的研究方法多普勒效应的研究方法主要包括理论计算和实验测量两种，其中理论计算主要是通过对声学模型的建立来进行预测和分析；而实验测量则是通过采集实际声学信号来进行分析和验证。

针对多普勒效应的理论计算方法可以分为频域方法和时域方法。

频域方法主要是通过对声波传播的频谱分析来计算多普勒效应，该方法适用于任意形状和大小的目标。

时域方法则是通过对声波传播的时间域分析来计算多普勒效应，该方法适用于线性或平面运动的目标。

实验测量则是对多普勒效应进行验证和分析的重要手段。

常用的实验测量方法包括模拟实验、水池实验和海试实验等。

其中模拟实验可以通过对水中浮体或管道等模拟目标进行测量来得到多普勒效应；水池实验则是通过在水池中设置实际目标，根据实际目标的速度和距离变化来测量多普勒效应；海试实验则是通过在海洋中设置实际目标，根据实际情况进行测量。

一种水下高速小目标回波频率估计方法
曹黎明;李耀波
【期刊名称】《指挥控制与仿真》
【年(卷),期】2013(035)005
【摘要】针对拦截水下高速小目标时近场区体目标效应对多普勒频率估计的影响,设计了一种选择区间加权频率估计方法,通过对频率估计分量进行选择性幅度加权平均,降低了频率估计误差,减少了由于目标姿态变化对频率估计稳定性产生的不良影响.经仿真研究,与直接进行频率估计相比较,该方法能够较好地抑制体目标效应对多普勒频率估计造成的影响.在最不利情况下,频率估计误差数值低于300Hz,较好地满足了声引信利用多普勒频率进行后续参数估计的要求.
【总页数】4页(P106-109)
【作者】曹黎明;李耀波
【作者单位】解放军92956部队,辽宁旅顺116041;解放军92956部队,辽宁旅顺116041
【正文语种】中文
【中图分类】E911;TB56
【相关文献】
1.瞬时频率估计的水下运动目标参数估计方法 [J], 徐灵基;杨益新
2.一种水下高速小目标的多普勒频率估计方法 [J], 孙常存;邢国强;曲兆宇
3.一种水下体目标回波信号的高精度频率估计方法 [J], 刘演龙;石钊铭
4.一种水下多目标方位、频率、距离联合估计新方法 [J], 张群飞;保铮;黄建国
5.混响环境下基于频率-波数谱分析的水下慢速目标回波检测方法 [J], 徐琰锋;潘谢帆;刘本奇
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水下高速运动物体被动测距方法的仿真研究贺武君;杨坤德;王峰【摘要】研究了鱼雷被动测距的多普勒方法.首先介绍了多普勒理论并推导了距离估计公式.然后通过建立水下物体的运动模型,详细推导了运动声源直达波和反射波多普勒频率的计算方法.最后仿真分析了典型运动情况下直达波和反射波的多普勒频率变化情况、多普勒频率差随着方位角和接收阵深度变化的情况,以及测距误差随着频率估计误差变化等.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2011(035)012【总页数】5页(P42-46)【关键词】多普勒;反鱼雷;被动测距【作者】贺武君;杨坤德;王峰【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072;塔西南勘探开发公司通讯工程部,新疆喀什844804【正文语种】中文【中图分类】O431 引言反鱼雷对于水面舰艇非常重要，而对水下高速运动鱼雷实现精确的被动测距一直是一个具有难度的课题。

这是因为海洋环境的复杂性和不确定性，使得雷达理论中一些成熟的方法无法适应水下环境。

这对于水下对抗与反对抗提出了严峻的考验。

传统的被动测距法有三点定位法，目标运动分析法和匹配场定位。

三点定位法方法简单，但难于实现远程测距。

目标运动分析法测量距离远，但对于运动时间要求较长，难于实际应用。

匹配场定位精度高，定位效果受海洋环境影响大，如果环境失配测量误差较大。

Vincent Dagenais［1－2］建立了一种简单的水下物体运动模型，并提出了利用直达波和海面反射波的多普勒信息进行距离估计的方法［3］。

该文章研究了接收基阵静止、鱼雷运动时多普勒频率随距离变化的规律，并对距离估计进行了仿真研究。

笔者在上述文章研究的基础上，进一步研究了鱼雷和接收基阵处于不同方位、同时运动情况下直达波和反射波多普勒频率变化的规律，多普勒频率随接收阵深度和运动方位角变化的规律，以及仿真验证了这种方法并分析了这种方法距离估计误差随频率估计误差变化的情况。

水下高速运动目标被动测量设备的工程实践的开题报告一、研究背景在水下高速运动目标的探测和跟踪中，被动测量设备是一种常用的选择。

被动测量设备不需要向目标发送信号即可获得目标的位置和运动信息，因此在隐蔽性和安全性方面具有优势。

水下高速运动目标包括鱼类、鲸类、鲨鱼等，在海洋环境中，它们的速度通常非常快，不仅存在高速度，而且还存在频繁改变运动方向的情况，因此对被动测量设备的设计和优化提出了更高的需求。

二、研究目的和意义本研究旨在探究水下高速运动目标被动测量设备的工程实践，以提升水下高速运动目标被动测量技术的精度和可靠性，增强我国海洋资源保护和开发利用的能力。

三、研究内容和方法本研究的具体内容包括以下三个方面：1. 对水下高速运动目标被动测量设备的原理进行深入研究，并分析其可行性与可靠性。

2. 设计被动测量设备的硬件结构以及软件控制系统，并进行集成与优化。

3. 通过实验验证被动测量设备的精度和可靠性，并进行优化改进。

四、预期成果和意义预期成果：1. 设计并实现一套高效精准的水下高速运动目标被动测量系统，并在实验中对其可靠性和精度进行验证和改进。

2. 提供一套稳健可靠的水下高速运动目标被动测量技术解决方案。

意义：1. 增强我国海洋资源保护和开发利用的能力。

2. 为水下高速运动目标的探测和跟踪提供有效技术手段。

3. 在智能海洋、海洋资源开发、海洋环境监测等领域具有广阔的应用前景。

五、进度安排阶段一（2022年1月-6月）：对水下高速运动目标被动测量设备的原理进行深入学习与研究。

阶段二（2022年7月-12月）：设计被动测量设备的硬件结构以及软件控制系统，并进行集成与优化。

阶段三（2023年1月-6月）：通过实验验证被动测量设备的精度和可靠性，并进行优化改进。

阶段四（2023年7月-12月）：综合所有成果，完成毕业论文的写作。

六、参考文献1. 陈克勇, 钟菊华, 罗观祥. 高速水下运动目标识别研究[J]. 电子与信息学报, 2006, 28(2): 249-253.2. 黄树森, 李自辉. 面向水下高速运动目标定位的超声相控阵技术研究[J]. 电子设计工程, 2019, 27(12): 275-278.3. 蔡婷婷. 水下目标被动测量与跟踪技术研究[D]. 海南大学, 2018.4. 沈志远, 邹继平. 水下声学探测技术[M]. 北京: 科学出版社, 2002.5. 唐敏, 李光武. 水下高速运动目标被动测量方法研究[J]. 深海科学与技术, 2014, 12(4): 281-286.。

对水下目标的多普勒直接定位
郁涛
【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》
【年(卷),期】2011(006)003
【摘要】应用基于多普勒频移变化率分析的直接定位法给出了利用单个LOFAR 声纳浮标对水下匀速运动目标的定解公式,与已有的必须检测到达航路捷径点的时间和频率的旧方法相比,新方法基本可在除接近航路捷径点外的任意位置上实现实时探测,不仅能近实时的给出水下目标的运动参数,而且还能直接获得目标当前的坐标位置参数,而不再是仅仅得到航路捷径距离,因而具有更好的实际应用价值.【总页数】3页(P328-330)
【作者】郁涛
【作者单位】中国电子科技集团公司第51研究所,上海,201802
【正文语种】中文
【中图分类】U666.7;TP216;TP301.6
【相关文献】
1.联合时延与多普勒频率的直接定位改进算法 [J], 王云龙;吴瑛
2.一种基于窄带信号多普勒频率测量的运动目标直接定位方法 [J], 王鼎;张刚
3.融合多普勒频移信息的阵列数据域直接定位方法 [J], 王大鸣;任衍青;逯志宇;巴斌;崔维嘉
4.利用多普勒的运动单站直接定位算法 [J], 李春奇;吴迪;赵拥军
5.分布式MIMO雷达中仅使用多普勒频移的直接定位技术 [J], 邓丽娟;张展;魏平;孙文;廖红舒
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