水下被动定位系统信号处理软件设计与实现
摘要
近些年来，随着人们对海洋的探索，水下目标定位技术的重要性不断提升。在对
水下目标进行定位时，按照工作方式的不同,水下目标定位可以分为主动定位系统和被
动定位系统。不同于前者，被动定位系统具有实现简单、不需要加装合作信标等优势，
因此对被动定位系统的研究是很有必要的。水下被动定位系统利用多平台测量的方位
估计结果与时延差估计结果实现对水下目标的水平定位与深度定位。因此，本文对水
下被动定位系统方位估计方法与时延差估计方法进行了研究与实现。
本文在对水下被动定位系统信号处理方法进行研究的基础上设计实现了一套水下
被动定位系统信号处理软件。该软件通过显控平台进行控制，使用DSP对目标辐射噪
声进行实时处理。本文的主要研究内容为以下几点：单矢量水听器的方位估计方法研
究、时延差估计方法研究、水下被动定位系统信号处理软件设计与实现、信号处理软
件测试与数据处理。对于被动定位系统来说，方位估计结果主要用于定位系统中的水
平位置解算，时延差估计结果主要用于深度解算。
在单矢量水听器方位估计部分，首先对矢量水听器接收信号模型进行了研究，并
在此基础上研究了复声强法、加权直方图法。之后，利用矢量水听器声压振速通道间
的联合处理，研究了卷积联合处理输出通道对消方位估计法，并对比分析了卷积联合
处理输出通道对消方位估计法与复声强法、加权直方图法的性能。最后为了进一步提
高单矢量水听器方位估计的精度，采用卡尔曼滤波算法对方位估计结果进行滤波处理。
仿真结果表明经过卡尔曼滤波后，单矢量水听器方位估计精度得到了提升。
在时延差估计部分，本文主要针对水下高速变深运动目标的时延差估计方法进行
了研究。首先通过建立高速运动目标的多普勒变化模型，分析了多普勒效应对于两水
听器接收信号之间的相关性影响。在此基础上研究了多普勒补偿方法并对其进行了仿
真，仿真结果表明经过多普勒补偿后信号间的相关性得到了明显提高。之后，研究了
基于多普勒补偿的互相关算法并对其进行了仿真，仿真结果表明该算法可以解决目标
运动带来的多普勒影响，当目标运动速度较高时依旧可以得到理想的时延差估计结果。
最后，研究了可以获得直达声与一次海面反射声间时延差的自相关时延差估计方法。
在算法研究的基础上对信号处理软件的功能需求进行了分析，选择了适当的信号
处理方法与硬件实现平台，并完成了水下被动定位系统信号处理软件的设计与实现。
在TL-5728平台上实现了数据通信模块设计、指令执行模块设计以及信号处理模块设
哈尔滨工程大学硕士学位论文
计，完成了水下被动定位系统信号处理需求，可以实现对高速运动的非合作目标进行
有效方位估计与时延差估计的功能。
最后，经过对水下被动定位系统信号处理软件的实验室测试与湖上测试，验证了
本软件可以满足设计需求，完成预期目标。
关键词：被动定位；方位估计；时延差估计；TL-5728
水下被动定位系统信号处理软件设计与实现
ABSTRACT
Inrecentyears,withtheexplorationoftheocean,theimportanceofunderwatertarget
positioningtechnologyhasbeenincreasing.Whenlocatingunderwatertargets,accordingto
thedifferentmodesofwork,underwatertargetpositioningcanbedividedintoactive
positioningsystemsandpassivepositioningsystems.Differentfromtheformer,thepassive
positioningsystemhastheadvantagesofsimpleimplementationandnoneedtoinstall
cooperativebeacons,sotheresearchonpassiv