当前课程知识点:声纳技术 > 第三章 声纳定向技术 > 3.3 相位法测向 > 3.3.1 学习视频
本知识点讲解了相位法测向的原理、测向精度以及相位测向的优点。
下面我们来学习本次课的内容
通过前面的课程
我们学习了两种振幅测向方法
最大值测向和振幅差值法测向
最大值测向简单易于实现
且测量时信噪比比较高
但也存在着测向精度差、反应速度慢等问题
振幅差值法测向与最大值测向相比
测向精度高、反应速度快
但由于等信号方向不是最大值方向
因此
作用距离比较近
其实
在声纳测向体制中
除了振幅法测向外
还用到其它一些测向体制
而今天
我们要介绍的侧向方法
在日常生活中也能体会到
大家知道
我们都有两只耳朵
而且
我们在日常生活中都有这样一种体验
当听到某个声音时
我们即使不用转动头部
单纯依靠两只耳朵
也能大概的分辨音源的方位
而这就是所谓的“双耳效应”
双耳效应的实质
与我们今天所要介绍的另外一种声纳测向体制
相位法测向的原理基本一样
所以
在介绍完今天的内容后
大家也会知道“双耳效应”的机理
本次课的内容
我们主要介绍
相位法测向的基本原理、精度分析及优点
首先
看相位法侧向的基本原理
这是一个二元阵的测向的示意图
其中1和2代表两个间距为d的基阵阵元
这里是目标
我们将目标到阵元的连线定义为声线
目标方位角α
定义为声线与基阵法线的夹角
那么声纳测向实际上就是求这个目标方位角
但是从这幅图中我们很难直接求出它
怎么办呢?
𝜉_𝛼=𝑑sin𝛼
则该法线与基阵水平面的夹角也是α
这样我们就将一个测向的问题转化为了
求直角三角形的顶角的问题
这里ξα=dsinα
我们只要知道ξα和d
就能求出目标方位角α
d是已知的阵元间距
那么ξα是什么呢?
我们知道
目标与基阵的距离一般都很远
又由于基阵的尺寸
相对于离目标的距离来说又很小
所以我们这里可以将声波看成是平面波
目标发出的声波平行的传输一段距离后
首先到达阵元2
然后
再传输一段距离才到达阵元1
而再传输的这段距离
正好就是ξα
也就是说
ξα是声波到达两个基阵阵元所经历的路程差
我们称它为声程差
而且
由于存在声程差
使得声波到达两个阵元的时间显然也是不同的
存在时间差
进而导致两各阵元所接收的信号之间存在相位差
我们分别用τ和φ来表示时间差和相位差
那么时间差
就应该等于路程除以声速c
这里的路程当然就是声程差
将上式代入时间差与方位角的关系式
就可以得出
τ=d/c乘以sinα
那么相位差的表达式是什么呢?
通过前面的学习我们知道
声纳信号的时间函数是余弦函数
如图所示
A振幅
f是信号频率
那么在时间轴上间隔为τ的两点之间的相位差是多少呢?
应该等于2π fτ
进一步代入
就得到了相位差和方位角的关系式
其中λ是波长
由此
可得到关于
时延差、相位差与方位角之间一一对应的关系式
只要测量出声波到达两个阵元的时间差或相位差
就能算出其声程差
从而测出目标方位角
利用相位差
测量目标方位角的方法
称为相位法测向
这就是根据相位差公式
推导出方位角公式
只要测得相位差φ
就可以知道其方位角α
这就是相位法的测向公式
在知道了原理之后
下面我们一起来分析一下
相位法测向的测向精度
我们知道
测向精度是测量目标所在方位角的误差
用Δα表示
误差越小
测向精度就越高
反之就越低
那么Δα与什么因素有关呢?
我们来看一下相位差和方位角的这个关系式
只要对它两边求增量
由此就得到了测向误差的公式
大家来看一下这个公式
1/2 是常数
那么测向精度就取决于
d/λ的比值
方位角α
以及相角指示器的测量误差Δφ
因此
其它两个条件一样的情况下
d/λ越大
也就是孔径越大
测量误差越小
测向精度就越高
而当α=0时
cosα取其最大值1
这时Δα就最小
测向精度最高
我们来看
这是一个平面内测向示意图
红色是目标
绿色区域代表阵元的法线方向
早期的声纳系统大都通过旋转
使得基阵的法线方向对准目标
也就是使α=0
通过刚才的分析我们知道
这时系统的测向精度最高
我们再来看当Δφ
也就是
相角指示器的测量误差Δφ越小
测向精度越高
总结为一句话就是
要想提高系统的测向精度
要做到三个尽可能
即声纳基阵孔径尽可能大
目标尽可能对准
相角指示器的精度尽可能的高
最后
我们来总结一下相位法测向的优点
首先
从原理上来看
它只需要两个接收单元
实现简单
其次
其定向精度只与间距和波长有关
与阵元本身是否具有指向性
以及它的形状无关
本次课介绍了一种新的声纳测向体制
相位法测向
他的原理是
利用同一声波到达两个阵元间存在着声程差
声程差导致了时间差和相位差
从而建立了目标方位角与相位差之间的一一对应关系
本次课就到这里
谢谢
再见
-1.1 从美人鱼看什么是声纳
--1.1.3 本节小测验
-1.2 声纳的发展简史
--1.2.3 本节小测验
-1.3 从一艘潜艇看声纳的分类
--1.3.3 本节小测验
-1.4 声纳方程
--1.4.3 本章小测验
-1.5 声纳系统的战术和技术指标
-2.1 初识声纳信号
--2.1.3 本节小测验
-2.2 主动声纳信号的描述
--2.2.3 本节小测验
-2.3 从汽笛声看多普勒频移
--2.3.3 本节小测验
-2.4 从分辨力的角度看模糊函数
--2.4.3 本节小测验
-2.5 常用主动声纳信号之CW信号分析
--2.5.3本节小测验
-2.6 常用主动声纳信号之LFM信号分析
--2.6.3 本节小测验
-3.1 振幅测向——最大值测向
--3.1.3 本节小测验
-3.2 振幅测向——振幅差值法测向
--3.2.3 本节小测验
-3.3 相位法测向
--3.3.3 本节小测验
-3.4 相位法测向的多值性问题
--3.4.3 本节小测验
-4.1 从手电筒操作看波束形成的原理
--4.1.3 本节小测验
-4.2 加权和加档
--4.2.3 本节小测验
-4.3 直线单波束的指向性
--4.3.3 本节小测验
-4.4 直线多波束的相关问题
--4.4.3 本节小测验
-4.5 波束形成器
--4.5.3 本节小测验
-5.1 测距导语
--5.1.3 本节小测验
-5.2 脉冲测距法
--5.2.3 本节小测验
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--5.3.3 本节小测验
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--5.5.3 本节小测验
-【选学内容】5.6相位测距法
-6.1 测速导语
--6.1.3 本节小测验
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-6.3 又见脉冲——脉冲测速法
--6.3.3 本节小测验
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-7.1 声纳发射机
--7.1.3 本节小测验
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-【选学内容】7.6 主动声纳信号的匹配滤波
-8.1 航空声纳浮标系统
--8.1.3 本节小测验
-8.2 航空吊放声纳系统
--8.2.3 本节小测验
-期末考试