改进的五元十字炸点声定位算法研究

2 定位算法的误差分析

　　根据以上分析，声定位的精度与信号到达的时间差、声速c及各传感器之间的距离d有着密切的关联。在靶场试验环境中，炸点定位精度不仅受以上两种因素的影响，而且还存在很多外界干扰因素的影响，比如：风速、气压、温度等都会对声音的传播产生一定的影响;环境中不同方向障碍物的影响;现场声阵列布站所引起的阵列尺寸误差等。影响系统定位精度的因素主要包括目标方位角及传感器之间的距离，改进的五元十字阵声学定位模型可看成两个相交平面短基线三点阵的结合，下面以一个平面短基线三点阵为模型，就方位角和声阵尺寸引起的误差进行分析。

2.1 方位角误差分析

　　令时延误差为δ，由误差理论可知，方位角的误差标准差为：

　　为了能够比较清楚地看出目标方位角对定位方位角精度的影响，假定传感器之间的距离一定，单独仿真目标方位角的影响，其仿真结果如图3所示。

　　由图3可以看出，传感器之间的距离对方位角误差的影响比较小，只有当传感器之间的距离较小时，定位可能会出现一定的影响，而目标方位角的影响比较大。当传感器之间的距离一定的情况下，目标方位角对定位方位角的影响比较大，特别当目标方位角在1.5rad左右时，方位角误差会出现陡增的情况，此时的误差远远超出可允许的方位之内。

2.2 声阵列间尺寸的误差分析：

　　由误差理论可知，声阵列间距误差的标准差为：

　　由图5可看出，当炸点一定的情况下，传感器间距及目标的方位角对系统距离定位精度的影响比较小，当传感器间距小于2m时，定位的距离误差会出现一定的问题，可能无法识别目标位置，当传感器间距大于2m时，距离误差基本上趋于稳定，且其定位精度误差随着间距的增大而减小。

3 试验分析

3.1 改进的五元十字阵声定位算法试验

　　试验在室外环境噪声相对较小的空旷场所进行，按图2进行布置改进的五元十字阵声学目标定位模型，另外由温度计测得实验环境温度T=22℃，根据声速与环境温度的关系式：

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　　可得声速c=344.5389m/s，取传感器间距d=5m，分别在五元十字阵Z轴的正方向和负方向的固定位置重复测试三次，试验数据如表1-2所示。

　　实际炸点坐标为 (23.1，-3.8，3.6)，根据实验数据求取炸点坐标的平均值为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，炸点位于五元十字阵平面的上方，所以炸点坐标为 (23.33，3.6287，3.848)，由表1可得横坐标X，纵坐标Y，高度Z的误差约为δx=0.12m，δy=0.22m，δz=0.25m。

　　实际炸点坐标为 (-18.7,16.8，-2.5)，根据实验数据求取炸点坐标的平均值为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，炸点位于五元十字阵平面的下方，所以炸点坐标为 (-18.6167，16.7067，-2.5508)，由表2可得横坐标X，纵坐标Y，高度Z的误差约为δx=0.0833m，δy=0.0932m，δz=0.0508m。

3.2 声阵列间距误差试验

　　为了验证传感器间距对定位精度的影响，将传感器间距增大到10m，选一固定位置，重复采样三次，其实验数据如表3所示。

　　实际炸点坐标为(-23.4，-1.3，3.6)，同理求取炸点坐标的平均值为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，得到横坐标X，纵坐标Y，高度Z的误差为δx=0.11m，δy=0.04m，δz=0.32m。

　　由实验结果可知，声传感器间距为5m与10m时，改进的五元十字声学定位系统测量误差较小，满足设计要求。

4 结论

　　本文提出了一种改进的五元十字被动声定位算法，并对其定位性能进行了理论分析和试验分析。仿真结果表明，声目标定位算法的测量精度与目标方位角和阵列尺寸有关，当传感器间距一定的情况下，目标方位角在1.5rad左右时，系统定位误差达到最大，该情况应该避免。并通过理论分析与试验验证，当炸点一定的情况下，定位精度误差随着传感器间距的增大而减小。本文的研究结果对五元十字阵声定位系统的工程试验具有一定的指导意义。

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　　本文来源于《电子产品世界》2017年第6期第53页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。