柔性陣被動定位性能分析和改進

周湘竹

【摘要】 首先介紹球面內插算法，在此基礎上通過仿真分析陣元間距及孔徑對定位結果的影響，最后，在對陣元間幾種可能的幾何關系分析的基礎上，分析收發換能器間距對測距結果的影響。

【關鍵字】 球面內插算法 陣元間距 孔徑 收發換能器間距

一、引言

被動定位在許多領域都得到了廣泛應用，并取得了實質性的進展。水下目標定位跟蹤的主要手段仍是依賴于幾何原理的水聲學定位方法，在被動定位中的各種方法中，由于設備本身并不需要發射任何信號，設備不會被其他裝置探測到，僅需要利用目標輻射的信號就能實現對目標的位置估計它主要采用從目標輻射出的到達接收基陣各個陣元的信號之間的差異來進行探測，從而計算得到目標的方位和距離。與主動定位相比，被動定位可以得到比主動定位更高的取樣幀率，能夠實現對各種目標的跟蹤和運動軌跡的測量，對其進行深入研究具有十分重要的意義。

二、球面內插算法

球面內插算法（Sphericallnterpolation Method）主要是利用聲波波陣面曲率的變化，以陣列中各個基元之間的TDOA為依據，對目標的位置信息進行估計的方法。

作為實際應用中一種比較傳統的目標位置估計算法，球面內插算法是Smith于19世紀八十年代末期首先提出的，基于時延估計值并得到廣泛應用的一種優秀的被動定位估計算法。

盡管存在很多種基于TDOA的目標位置估計算法，但由于球面內插算法獨有的特點和性能優勢，使得該算法被廣泛地應用到多種場合，尤其是對實時性具有較高要求的情況。影響球面內插算法性能的主要因素有時延精度、基元精度、基陣孔徑及目標距離，對于采用TDOA進行被動定位的算法而言，若時延數據存在誤差，球面內插算法的定位誤差也明顯小于其他算法。

三、陣元間距及孔徑對定位結果的仿真分析

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

首先對陣元間距的波動特性（陣元間距曲線波動的振幅以及周期）對陣元坐標位置和測距結果的影響進行分析，得出了陣元坐標位置和目標距離曲線的波動周期與陣元間距的波動周期相同，陣元坐標位置和目標距離曲線波動的幅度隨著陣元間距波動幅度的增大而增大。

其次，對陣元間距隨機誤差對陣元坐標位置和測距結果的影響進行分析，得出了陣元坐標位置和測距結果的隨機誤差隨著陣元間距隨機誤差的增大而增大，當陣元間距的隨機誤差增加2mm時，目標距離（lOOm）的隨機誤差就能夠增加0.3m左右。

第三，分析了陣形孔徑大小對測距結果的影響，得出了當陣形孔徑（水平孔徑或垂直孔徑）越大時，目標距離曲線的波動幅度就越小，即陣元間距的波動對測距結果的影響越小，測距結果越貼近實際值。

最后，分析得到了目標距離越遠，測距結果的波動幅度越大的結論。

四、收發換能器間距對測距結果的影響

首先對陣元間幾種可能的幾何關系進行了分析，然后在理論上對收發換能器間距對陣元間距實際值產生的影響進行分析。

隨后對海上試驗數據進行分析，發現與5#陣元相關的陣元間距的修正與否，對于結果的影響是關鍵性的。陣形孔徑越大，收發換能器間距對測距結果產生的影響就越小。收發換能器的間距越小，則其對測距結果產生的影響就越小。

最后，對陣元間距修正進行仿真分析，得出經過陣元間距修正后的測距結果要好于未修正時的測距結果。同時，垂直孔徑越大，收發換能器間距對測距結果的影響就越小。

五、結束語

本文的主要工作是對基于球面內插算法的柔性陣被動定位性能進行分析。

在研究過程中，取得了一些積極的成果，同時，也發現了有需要改進和進一步深入的地方。