改進的五元十字炸點聲定位算法研究

2 定位算法的誤差分析

　　根據(jù)以上分析，聲定位的精度與信號到達的時間差、聲速c及各傳感器之間的距離d有著密切的關(guān)聯(lián)。在靶場試驗環(huán)境中，炸點定位精度不僅受以上兩種因素的影響，而且還存在很多外界干擾因素的影響，比如：風速、氣壓、溫度等都會對聲音的傳播產(chǎn)生一定的影響;環(huán)境中不同方向障礙物的影響;現(xiàn)場聲陣列布站所引起的陣列尺寸誤差等。影響系統(tǒng)定位精度的因素主要包括目標方位角及傳感器之間的距離，改進的五元十字陣聲學定位模型可看成兩個相交平面短基線三點陣的結(jié)合，下面以一個平面短基線三點陣為模型，就方位角和聲陣尺寸引起的誤差進行分析。

2.1 方位角誤差分析

　　令時延誤差為δ，由誤差理論可知，方位角的誤差標準差為：

　　為了能夠比較清楚地看出目標方位角對定位方位角精度的影響，假定傳感器之間的距離一定，單獨仿真目標方位角的影響，其仿真結(jié)果如圖3所示。

　　由圖3可以看出，傳感器之間的距離對方位角誤差的影響比較小，只有當傳感器之間的距離較小時，定位可能會出現(xiàn)一定的影響，而目標方位角的影響比較大。當傳感器之間的距離一定的情況下，目標方位角對定位方位角的影響比較大，特別當目標方位角在1.5rad左右時，方位角誤差會出現(xiàn)陡增的情況，此時的誤差遠遠超出可允許的方位之內(nèi)。

2.2 聲陣列間尺寸的誤差分析：

　　由誤差理論可知，聲陣列間距誤差的標準差為：

　　由圖5可看出，當炸點一定的情況下，傳感器間距及目標的方位角對系統(tǒng)距離定位精度的影響比較小，當傳感器間距小于2m時，定位的距離誤差會出現(xiàn)一定的問題，可能無法識別目標位置，當傳感器間距大于2m時，距離誤差基本上趨于穩(wěn)定，且其定位精度誤差隨著間距的增大而減小。

3 試驗分析

3.1 改進的五元十字陣聲定位算法試驗

　　試驗在室外環(huán)境噪聲相對較小的空曠場所進行，按圖2進行布置改進的五元十字陣聲學目標定位模型，另外由溫度計測得實驗環(huán)境溫度T=22℃，根據(jù)聲速與環(huán)境溫度的關(guān)系式：

(17)

　　可得聲速c=344.5389m/s，取傳感器間距d=5m，分別在五元十字陣Z軸的正方向和負方向的固定位置重復測試三次，試驗數(shù)據(jù)如表1-2所示。

　　實際炸點坐標為 (23.1，-3.8，3.6)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求取炸點坐標的平均值為X= (23.3958 +23.0734 +23.1820)/3 =23.22m，Y= (-3.7220 -3.7642 -3.3999)/3 = -3.6287m，Z= (3.8374 +3.8624 +3.8462)/3 =3.848m，且T05>0，炸點位于五元十字陣平面的上方，所以炸點坐標為 (23.33，3.6287，3.848)，由表1可得橫坐標X，縱坐標Y，高度Z的誤差約為δx=0.12m，δy=0.22m，δz=0.25m。

　　實際炸點坐標為 (-18.7,16.8，-2.5)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求取炸點坐標的平均值為X= (-18.6166 -18.6171 -18.6164)/3 =-18.6167m，Y= (16.7081 +16.7130 +16.6991)/3 = 16.7067m，Z= (-2.5661 -2.5377 -2.5486)/3 =-2.5508m，且T05<0，炸點位于五元十字陣平面的下方，所以炸點坐標為 (-18.6167，16.7067，-2.5508)，由表2可得橫坐標X，縱坐標Y，高度Z的誤差約為δx=0.0833m，δy=0.0932m，δz=0.0508m。

3.2 聲陣列間距誤差試驗

　　為了驗證傳感器間距對定位精度的影響，將傳感器間距增大到10m，選一固定位置，重復采樣三次，其實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

　　實際炸點坐標為(-23.4，-1.3，3.6)，同理求取炸點坐標的平均值為X= (-23.4158 -23.0595 -23.3806)/3 =-23.289，Y= (-1.3148 -1.2304 -1.2463)/3 =-1.264，Z= (3.9312 +3.8738 +3.9526)/3 =3.9192m，得到橫坐標X，縱坐標Y，高度Z的誤差為δx=0.11m，δy=0.04m，δz=0.32m。

　　由實驗結(jié)果可知，聲傳感器間距為5m與10m時，改進的五元十字聲學定位系統(tǒng)測量誤差較小，滿足設計要求。

4 結(jié)論

　　本文提出了一種改進的五元十字被動聲定位算法，并對其定位性能進行了理論分析和試驗分析。仿真結(jié)果表明，聲目標定位算法的測量精度與目標方位角和陣列尺寸有關(guān)，當傳感器間距一定的情況下，目標方位角在1.5rad左右時，系統(tǒng)定位誤差達到最大，該情況應該避免。并通過理論分析與試驗驗證，當炸點一定的情況下，定位精度誤差隨著傳感器間距的增大而減小。本文的研究結(jié)果對五元十字陣聲定位系統(tǒng)的工程試驗具有一定的指導意義。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第53頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。