改進(jìn)的五元十字炸點(diǎn)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(hào)到達(dá)的時(shí)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(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境中，炸點(diǎn)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(fēng)速、氣壓、溫度等都會(huì)對(duì)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(chǎng)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(biāo)方位角及傳感器之間的距離，改進(jìn)的五元十字陣聲學(xué)定位模型可看成兩個(gè)相交平面短基線三點(diǎn)陣的結(jié)合，下面以一個(gè)平面短基線三點(diǎn)陣為模型，就方位角和聲陣尺寸引起的誤差進(jìn)行分析。

2.1 方位角誤差分析

　　令時(shí)延誤差為δ，由誤差理論可知，方位角的誤差標(biāo)準(zhǔn)差為：

　　為了能夠比較清楚地看出目標(biāo)方位角對(duì)定位方位角精度的影響，假定傳感器之間的距離一定，單獨(dú)仿真目標(biāo)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(duì)方位角誤差的影響比較小，只有當(dāng)傳感器之間的距離較小時(shí)，定位可能會(huì)出現(xiàn)一定的影響，而目標(biāo)方位角的影響比較大。當(dāng)傳感器之間的距離一定的情況下，目標(biāo)方位角對(duì)定位方位角的影響比較大，特別當(dāng)目標(biāo)方位角在1.5rad左右時(shí)，方位角誤差會(huì)出現(xiàn)陡增的情況，此時(shí)的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)差為：

　　由圖5可看出，當(dāng)炸點(diǎn)一定的情況下，傳感器間距及目標(biāo)的方位角對(duì)系統(tǒng)距離定位精度的影響比較小，當(dāng)傳感器間距小于2m時(shí)，定位的距離誤差會(huì)出現(xiàn)一定的問題，可能無(wú)法識(shí)別目標(biāo)位置，當(dāng)傳感器間距大于2m時(shí)，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(yàn)分析

3.1 改進(jìn)的五元十字陣聲定位算法試驗(yàn)

　　試驗(yàn)在室外環(huán)境噪聲相對(duì)較小的空曠場(chǎng)所進(jìn)行，按圖2進(jìn)行布置改進(jìn)的五元十字陣聲學(xué)目標(biāo)定位模型，另外由溫度計(jì)測(cè)得實(shí)驗(yàn)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(fù)方向的固定位置重復(fù)測(cè)試三次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1-2所示。

　　實(shí)際炸點(diǎn)坐標(biāo)為 (23.1，-3.8，3.6)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求取炸點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)位于五元十字陣平面的上方，所以炸點(diǎn)坐標(biāo)為 (23.33，3.6287，3.848)，由表1可得橫坐標(biāo)X，縱坐標(biāo)Y，高度Z的誤差約為δx=0.12m，δy=0.22m，δz=0.25m。

　　實(shí)際炸點(diǎn)坐標(biāo)為 (-18.7,16.8，-2.5)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求取炸點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)位于五元十字陣平面的下方，所以炸點(diǎn)坐標(biāo)為 (-18.6167，16.7067，-2.5508)，由表2可得橫坐標(biāo)X，縱坐標(biāo)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(yàn)

　　為了驗(yàn)證傳感器間距對(duì)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(fù)采樣三次，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

　　實(shí)際炸點(diǎn)坐標(biāo)為(-23.4，-1.3，3.6)，同理求取炸點(diǎn)坐標(biāo)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(biāo)X，縱坐標(biāo)Y，高度Z的誤差為δx=0.11m，δy=0.04m，δz=0.32m。

　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，聲傳感器間距為5m與10m時(shí)，改進(jìn)的五元十字聲學(xué)定位系統(tǒng)測(cè)量誤差較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

　　本文提出了一種改進(jìn)的五元十字被動(dòng)聲定位算法，并對(duì)其定位性能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)分析。仿真結(jié)果表明，聲目標(biāo)定位算法的測(cè)量精度與目標(biāo)方位角和陣列尺寸有關(guān)，當(dāng)傳感器間距一定的情況下，目標(biāo)方位角在1.5rad左右時(shí)，系統(tǒng)定位誤差達(dá)到最大，該情況應(yīng)該避免。并通過(guò)理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)炸點(diǎn)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(duì)五元十字陣聲定位系統(tǒng)的工程試驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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