被动声定位技术的浅海近距离应用

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　　0 引言

　　由于浅海中的测量需要,被动定位方法在浅海中的应用受到关注。而浅海中的声传播受到海底海面反射、吸收及水文等诸多因素的影响,使传统的声定位技术的定位效果与以往有所不同。

　　被动测距技术是被动声呐中常见的测距方法,其优势在于在测距的同时可以保证自身的隐蔽性,并且不需要目标配合。被动声呐测距方法主要有方位法和时差法。方位法利用2个距离已知的方向性子阵分别测出2个方位角,再根据几何关系计算出距离,这种方法的测距误差较大,因此常被时差法所取代。被动声呐中时差法测距一般利用3个子阵,子阵本身具有一定的指向性,有较好的空间增益,最简单的方法是在直线上布放3个等间距的阵元或子阵[1]。

　　本文就是利用被动声呐的时差法测距技术[2]对浅海水面非合作声源目标进行定位,基于结构简单的三元直线对称式水平基阵,通过检测目标辐射噪声达到不同阵元的时延差进行测向和测距。与被动声呐不同的是,基阵所用的是3个单阵元,而不是3个子阵,这使阵的结构相对简单,但也失去了子阵的空间处理增益。为保证定位效果,采用预白化方法提高高频信号的利用率,又使用后置筛选方法选出可信度较高的结果,在浅海近距离得到了较好的定位效果。

　　1 三元被动定位原理

　　三元被动定位的模型如图1所示。假定目标是点源,声波按球面波方式传播,在同一直线上的3个阵元间距相等。图中,S为声源,H1,H2和H3分别表示声阵的3个阵元。设三元等间距线阵间距为H1H2=H2H3=d,目标与y轴的夹角为H,目标到各阵元的距离分别为r1, r2, r3。其中, r2即为要测定的目标距离r,即r=r2。取H2为坐标原点,建立如图1的坐标系。则目标到3个阵元的距离分别为:

　　设声速为c,则目标信号到达各个阵元的时延差分别为:

　　其中,τ12为1和2阵元接收信号的时间差,τ23和τ13分别为2和3阵元1和3阵元的时间差,且τ13为τ12和τ23的和。利用式(1)和式(2)可得到:

　　由式(3)、(4)整理可得到目标方位和距离的精确估计:

　　对式(3)及式(4)右侧进行泰勒展开,取二阶近似,即保留平方小量,且在远场条件下,有d<

　　声速c和阵元间距d为已知量,只需求出τ和τ23就可以计算出方向角H和距离r。在满足远场条件d<

　　2 互相关时延估计原理

　　由导出的测向测距公式可知,必须求出不同阵元接收信号的时延差,才能对方向角和距离进行计算。本文使用了互相关时延估计方法。