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海洋是人类生存与发展的重要空间,21世纪是海洋的世纪。水下定位技术是一切海洋开发活动和技术研究的基础,在海洋工程领域具有广泛应用前景。水声被动定位技术是主流定位技术,应用阵列信号处理技术研究被动定位系统具有重要意义。本文设计了一种基于四元十字阵的被动定位系统。当海洋中定位目标(如船舰、潜艇、鱼雷、探测设备、鱼群等)产生噪声信号在水中传播时,传声器阵列以被动方式接收目标噪声信号和环境噪声,通过定位算法和时延估计等阵列信号处理,可以得到目标的空间位置、运动轨迹和速度等信息。通过理论分析和实验仿真可知,该系统具有高精度、应用简单和扩展性强等优点。本文主要工作和研究成果如下:1.对比常用阵形,采用以四元十字阵为基础建立被动定位系统。用解析法详细推导了测距测向的精确公式和近似公式,利用Matlab函数仿真工具和控制变量法,对影响定位精度的各种因素进行分析,得出理论上的定位误差。2.通过分析基本相关算法,应用可拓展的广义互相关法和加窗自适应滤波法估计时延,有效提高相关曲线尖锐程度,得到了更精确的时延估值,精度可达10?6以上。3.设计了利用Matlab建立的实验仿真平台,实现了本文的被动定位系统。并利用解析法和图表法,对单点目标、多点目标和运动轨迹进行定位和跟踪。从实验结果看,对于几十千米以内的目标,该系统定位的绝对误差可控制在1m左右,系统相对误差在10 ? 4 ? 10?2范围内。实验仿真结果和理论分析相一致。增大阵列尺寸、提高信噪比、提高采样频率和减小时延估计误差等方法可提高定位精度。4.为解决实际应用时声速变化和多途效应带来的影响,给出了采取声速修正和分频机制的改进方法,对原有模型进行优化,为实际应用时进一步研究提供思路。本文的被动定位系统模型及其研究方法,为水声定位系统的设计提供了理论和实验方法,具有一定的理论研究和工程实践价值。