声测定位原理及误差分析

    1　声测技术发展概况

    声测定位技术是利用声学与电子装置接收声波,以确定声源位置的一种重要的战场侦察手段。

    声测技术产生于第一次世界大战,当时人们根据火炮发出的声音测定火炮位置,声测系统一般由声测哨和声测中心组成,多个声测哨组成一条声测基线。声测哨之间相距约1000～1500米。声测系统用于准确打击敌方炮兵武器,也可用于对已方火炮进行校射。在第二次世界大战和朝鲜战争中, 75%的战场火炮侦察任务是依靠声测手段完成的,后由于雷达技术的兴起致使声测技术的发展一度受到冷落,但近年来,现代科技使雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、隐身技术和低空突防四大威胁,致使声测这一被动式传感侦察手段重新受到重视。尤其是在80年代末和90年代,各军事强国在开发各种侦察手段的同时,重新把声测技术作为重点发展的传感器技术之一。

    现代声测系统主要是通过采用诸如电子技术、计算机技术等现代高科技来提高其性能,实现自动化、集成化和智能化,而声测基线也由早期的长基线发展为短基线,使其更为简便、实用。

    2　声测定位中的短基线时差定位原理

　　众所周知,平面上一动点到两定点间距离差为常数的点的轨迹为双曲线(一旁瓣),两条曲线相交确定一点,所以为了确定一个目标点的位置至少需要三个声接收点。

    我们讨论如图所示的情况:

    A、B、C为三个声接收点, P点为需定位的声源位置,设其坐标为(r,H),且AB=BC=a,可得如下关系:

    其中c为声速,SAB、SBC分别为AB、BC两点间时延,由此定位关键式,并结合三角关系:

    由以上关系可确定出P (r,H)点坐标为:

    3　定位的误差分析

    利用时延和方位间的三角关系可以得出,方位误差的标准偏差用弧度表示时的表示式如下[1]:

    分析该式:当时延误差RSAC一定时,H=P/2, 3P/2时RH项的误差为最小,即直线型基线沿法线方向有最小误差;同理可得,沿基线方向误差为最大。

    3.2　距离误差的方差

    Carter[2]指出,距离误差的方差如下:

    其中方位误差RH用弧度表示。将(9)代入(10)可得:

    比较(9)、(11)可以发现距离误差的方差和方位误差的方差都线性依赖于时延误差的方差,但距离误差与声源的位置(r4/a4sin4H一项的值)存在很大关系。具体地说,被动测距从物理上固有的要求使用长基线,特别精确的时延估计,声源与接收阵间较短的距离,或对三方面都有要求。

    4　提高定位精度的方法