空中运动目标时延变化的仿真

    引 言

    利用直升机飞行时发出的噪声,研制一种无人值守的智能探测系统,对直升机进行声测被动定位、跟踪和攻击,是对相比,声测被动定位具有隐蔽性能好、全天候、低功耗、不易被电磁波干扰等突出优点。英、美、法等国都在这方面投入了积极研究,并已有此类设备装备部队。

    被动声定位技术是该直升机探测系统中的一项关键技术。而时延估计又是被动声定位技术中的关键因素[1-2]。因,在对某一对象进行估计前,需要建立一个能正确反映该对象特征的模型。本文研究了直升机通过该探测系统上空的各种可能情况下,要估计的参量)))时延的变化趋势及状态,为进一步时延估计算法的研究提供了有益的参考价值。

    1 被动声定位原理

    声测被动定位的基本原理是通过空间布设的传感器阵元,接收目标声场信息,再根据一定算法,估计出目标的空间位置。由于声波到达不同传感器阵元时经过的路径不同,阵元接收的信号之间存在一时间差,即时延。被动定位正是利用这一信息进行声学定位的,通常是通过组合平面来达到空间定向的。由N个声传感器阵元组成的阵列,可以得到N-1个独立的时延,空中的直升机对于接收系统来说可以看成点目标,有三个自由度。因此要确定其坐标,最少需四个阵元组成的声传感器阵列。由于十字形阵列具有分维特性(指二维参量可分开估计),且阵列冗余度也较小,因此,十字阵是最为合适的阵形。由美国Textron公司给出的同类系统实物照片可以看出,其阵形结构也属于十字形阵。

    十字形声传感器阵列,由两个相互正交的线阵组成,定位原理如图1所示。设阵元间距为D,以两线阵交点为原点,可建立如图所示的直角坐标。四个阵元的坐标分别为S1(D/2,0,0),S2(0,D/2,0),S3(-D/2,0,0),S4(0,-D/2,0),目标声源T的坐标为(x,y,z),目标到坐标原点的距离为r,俯仰角为H,方位角为U。

    假设目标为点声源,目标产生的声源以球面波形式传播[2],声源到达阵元S1的传播时间为t1,相对于S1声源到达阵元S2、S3、S4的时延,分别为S12、S13、S14。目标距离r、俯仰角H(0b

    其中,C为声速。

     2 空中运动目标的时延变化

    通常,直升机通过探测系统上空的时间极短,为简化分析,假定直升机作恒高等速直线飞行,飞行速度为V(米/秒),飞行高度为H(米),直升机距离地面声阵的水平横距为DOH(米)。飞行时间为dt(秒)时,直升机从位置(x1,y1,z1)飞行到位置(x2,y2,z2),飞行距离为dt*V=dr米。只有当直升机朝向声阵方向,飞行至声阵H=45b的伏仰角范围内时,反直升机雷才对直升机进行攻击,如图2所示。