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

　　根據以上分析，聲定位的精度與信號到達的時(shí)間差、聲速c及各傳感器之間的距離d有著(zhù)密切的關(guān)聯(lián)。在靶場(chǎng)試驗環(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;現場(chǎng)聲陣列布站所引起的陣列尺寸誤差等。影響系統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(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(xiàn)三點(diǎn)陣的結合，下面以一個(gè)平面短基線(xiàn)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(shí)，定位可能會(huì )出現一定的影響，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(shí)，方位角誤差會(huì )出現陡增的情況，此時(shí)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(diǎn)一定的情況下，傳感器間距及目標的方位角對系統距離定位精度的影響比較小，當傳感器間距小于2m時(shí)，定位的距離誤差會(huì )出現一定的問(wèn)題，可能無(wú)法識別目標位置，當傳感器間距大于2m時(shí)，距離誤差基本上趨于穩定，且其定位精度誤差隨著(zhù)間距的增大而減小。

3 試驗分析

3.1 改進(jìn)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(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)目標定位模型，另外由溫度計測得實(shí)驗環(huán)境溫度T=22℃，根據聲速與環(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，試驗數據如表1-2所示。

　　實(shí)際炸點(diǎn)坐標為 (23.1，-3.8，3.6)，根據實(shí)驗數據求取炸點(diǎn)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(diǎn)位于五元十字陣平面的上方，所以炸點(diǎn)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(shí)際炸點(diǎn)坐標為 (-18.7,16.8，-2.5)，根據實(shí)驗數據求取炸點(diǎn)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(diǎn)位于五元十字陣平面的下方，所以炸點(diǎn)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(shí)驗數據如表3所示。

　　實(shí)際炸點(diǎn)坐標為(-23.4，-1.3，3.6)，同理求取炸點(diǎn)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(shí)驗結果可知，聲傳感器間距為5m與10m時(shí)，改進(jìn)的五元十字聲學(xué)定位系統測量誤差較小，滿(mǎn)足設計要求。

4 結論

　　本文提出了一種改進(jìn)的五元十字被動(dòng)聲定位算法，并對其定位性能進(jìn)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(guān)，當傳感器間距一定的情況下，目標方位角在1.5rad左右時(shí)，系統定位誤差達到最大，該情況應該避免。并通過(guò)理論分析與試驗驗證，當炸點(diǎn)一定的情況下，定位精度誤差隨著(zhù)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的工程試驗具有一定的指導意義。

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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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。