柔性陣被動(dòng)定位性能分析和改進(jìn)

周湘竹

【摘要】 首先介紹球面內(nèi)插算法，在此基礎(chǔ)上通過(guò)仿真分析陣元間距及孔徑對(duì)定位結(jié)果的影響，最后，在對(duì)陣元間幾種可能的幾何關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，分析收發(fā)換能器間距對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響。

【關(guān)鍵字】 球面內(nèi)插算法 陣元間距 孔徑 收發(fā)換能器間距

一、引言

被動(dòng)定位在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，并取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。水下目標(biāo)定位跟蹤的主要手段仍是依賴于幾何原理的水聲學(xué)定位方法，在被動(dòng)定位中的各種方法中，由于設(shè)備本身并不需要發(fā)射任何信號(hào)，設(shè)備不會(huì)被其他裝置探測(cè)到，僅需要利用目標(biāo)輻射的信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的位置估計(jì)它主要采用從目標(biāo)輻射出的到達(dá)接收基陣各個(gè)陣元的信號(hào)之間的差異來(lái)進(jìn)行探測(cè)，從而計(jì)算得到目標(biāo)的方位和距離。與主動(dòng)定位相比，被動(dòng)定位可以得到比主動(dòng)定位更高的取樣幀率，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種目標(biāo)的跟蹤和運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量，對(duì)其進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義。

二、球面內(nèi)插算法

球面內(nèi)插算法（Sphericallnterpolation Method）主要是利用聲波波陣面曲率的變化，以陣列中各個(gè)基元之間的TDOA為依據(jù)，對(duì)目標(biāo)的位置信息進(jìn)行估計(jì)的方法。

作為實(shí)際應(yīng)用中一種比較傳統(tǒng)的目標(biāo)位置估計(jì)算法，球面內(nèi)插算法是Smith于19世紀(jì)八十年代末期首先提出的，基于時(shí)延估計(jì)值并得到廣泛應(yīng)用的一種優(yōu)秀的被動(dòng)定位估計(jì)算法。

盡管存在很多種基于TDOA的目標(biāo)位置估計(jì)算法，但由于球面內(nèi)插算法獨(dú)有的特點(diǎn)和性能優(yōu)勢(shì)，使得該算法被廣泛地應(yīng)用到多種場(chǎng)合，尤其是對(duì)實(shí)時(shí)性具有較高要求的情況。影響球面內(nèi)插算法性能的主要因素有時(shí)延精度、基元精度、基陣孔徑及目標(biāo)距離，對(duì)于采用TDOA進(jìn)行被動(dòng)定位的算法而言，若時(shí)延數(shù)據(jù)存在誤差，球面內(nèi)插算法的定位誤差也明顯小于其他算法。

三、陣元間距及孔徑對(duì)定位結(jié)果的仿真分析

被動(dòng)定位性能的好壞受到基陣的有效孔徑大小的顯著影響，但在實(shí)際的設(shè)備中，若充分利用艦船的上限擴(kuò)大基陣的有效孔徑，且使用剛性的連接方式連接各個(gè)基元的話，往往不利于布放和回收，因此可以采用軟連接的方式進(jìn)行連接，即可以以柔性陣的方式構(gòu)造接收基陣，此時(shí)基陣的陣形和每個(gè)基元的位置就是隨時(shí)變化的。根據(jù)柔性陣特性進(jìn)行陣元間距及孔徑對(duì)定位結(jié)果的仿真分析。

首先對(duì)陣元間距的波動(dòng)特性（陣元間距曲線波動(dòng)的振幅以及周期）對(duì)陣元坐標(biāo)位置和測(cè)距結(jié)果的影響進(jìn)行分析，得出了陣元坐標(biāo)位置和目標(biāo)距離曲線的波動(dòng)周期與陣元間距的波動(dòng)周期相同，陣元坐標(biāo)位置和目標(biāo)距離曲線波動(dòng)的幅度隨著陣元間距波動(dòng)幅度的增大而增大。

其次，對(duì)陣元間距隨機(jī)誤差對(duì)陣元坐標(biāo)位置和測(cè)距結(jié)果的影響進(jìn)行分析，得出了陣元坐標(biāo)位置和測(cè)距結(jié)果的隨機(jī)誤差隨著陣元間距隨機(jī)誤差的增大而增大，當(dāng)陣元間距的隨機(jī)誤差增加2mm時(shí)，目標(biāo)距離（lOOm）的隨機(jī)誤差就能夠增加0.3m左右。

第三，分析了陣形孔徑大小對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響，得出了當(dāng)陣形孔徑（水平孔徑或垂直孔徑）越大時(shí)，目標(biāo)距離曲線的波動(dòng)幅度就越小，即陣元間距的波動(dòng)對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響越小，測(cè)距結(jié)果越貼近實(shí)際值。

最后，分析得到了目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，測(cè)距結(jié)果的波動(dòng)幅度越大的結(jié)論。

四、收發(fā)換能器間距對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響

首先對(duì)陣元間幾種可能的幾何關(guān)系進(jìn)行了分析，然后在理論上對(duì)收發(fā)換能器間距對(duì)陣元間距實(shí)際值產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

隨后對(duì)海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與5#陣元相關(guān)的陣元間距的修正與否，對(duì)于結(jié)果的影響是關(guān)鍵性的。陣形孔徑越大，收發(fā)換能器間距對(duì)測(cè)距結(jié)果產(chǎn)生的影響就越小。收發(fā)換能器的間距越小，則其對(duì)測(cè)距結(jié)果產(chǎn)生的影響就越小。

最后，對(duì)陣元間距修正進(jìn)行仿真分析，得出經(jīng)過(guò)陣元間距修正后的測(cè)距結(jié)果要好于未修正時(shí)的測(cè)距結(jié)果。同時(shí)，垂直孔徑越大，收發(fā)換能器間距對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響就越小。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文的主要工作是對(duì)基于球面內(nèi)插算法的柔性陣被動(dòng)定位性能進(jìn)行分析。

在研究過(guò)程中，取得了一些積極的成果，同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了有需要改進(jìn)和進(jìn)一步深入的地方。