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。

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℃，根據聲速與環(huán)境溫度的關系式：

(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)據如表1-2所示。

　　實際炸點坐標為 (23.1，-3.8，3.6)，根據實驗數(shù)據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)，根據實驗數(shù)據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，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。

　　參考文獻：

[1]L Chen, Y U Guodong,Y Song, et al. Precision analysis based on acoustic positioning algorithm[J]. Science of Surveying & Mapping, 2016.

　　[2]董明榮,張彤,許學忠，等.空中炸點被動聲三基陣定位系統(tǒng)誤差仿真[J].系統(tǒng)仿真學報, 2011,23(5):897-901 .

　　[3]路敬祎,葉東,陳剛,等.雙五元十字陣被動聲定位融合算法及性能分析[J].儀器儀表學報, 2016,37(4):827-833.

　　[4]馬少春,劉慶華,黃靈鷺.基于相關峰插值的五元十字陣被動聲定位算法[J].探測與控制學報,2014(5):94-98.

　　[5]高根偉李錦明胡常清.基于無線傳感網絡的炸點聲定位技術研究[D].山西:中北大學碩士學位論文,2016.

　　[6]白敏.基于TDOA的陸基多點定位設計與定位算法研究[LD].重慶:重慶大學,2010.

　　[7]雷鳴,陳紹欽,雷志勇.近地炸點聲定位算法研究[J].計算機測量與控制.2012, 20(3):734-736.

　　[8]L Cui,W Cui.A new acoustic localization algorithm and accuracy analysis based on TDOA[J]. 2016.

　　[9]C H Zheng,L I Kai,J Sun.Design and Implementation of a Pickup for Acoustic Positioning[J]. Science Technology & Engineering, 2016.

　　[10]M.Kay Steven.統(tǒng)計信號處理基礎-估計與檢測理論[M].羅鵬飛,譯.北京: 電子工業(yè)出版社,2011:185-190.

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