基于声探测定位算法及精度分析

    利用目标运动时发出的噪声测出其声音的参数,利用声程差来确定目标方向和距离是无源声探测技术的核心,而声传感器阵列的设计是其关键技术之一。声传感器阵列可分为线阵、面阵和立体阵。线阵结构简单,但线阵只能对阵列所在直线为界的半个平面进行定位;面阵可以在整个平面对目标进行定位,也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位;而立体阵可以对整个空间进行定位。由N个声传感器组成的阵列,可以得到N-1个独立的时延,空中目标对于无源声探测系统来说可以看成点目标,有3个自由度。所以,对目标进行定位,至少需要4个声传感器组成的阵列[1-4]。由于十字阵列具有分维特性,且阵列冗余度小,因此,十字阵是较为合适的阵形。

    对各种形式的平面阵算法,已经开展了大量的研究[5-7]。但平面阵的最大问题是小仰角时仰角探测精度较差,因此在原有平面四元阵的基础上增加1个声传感器组成立体声传感器阵是一个可行的方案。笔者推导了立体声传感器阵的定位算法,并对其定向精度进行了分析。结果表明,该算法提高了小仰角时的精度,且与目标方位角无关[3-4]。

    1 平面四元十字阵的定位算法

    由两个相互正交的线阵S1、S3和S2、S4组成平面四元十字阵,线阵的阵元间距为L,以两线阵的交点为坐标原点,建立如图1所示的直角坐标系。设目标M到坐标原点的距离为r,方位角为U,仰角为H,到达阵元S2、S3、S4与相对于到达阵元S1的时间延迟为S12、S13、S14。

    得到目标的方位角和仰角如下[4]:

    式中:c为空气中声速。

    在实际探测中,由于距离估计精度较差,无实用价值。方位角的探测精度较好,仰角只有较大时才有较好的探测精度,这是平面阵的通病。

    2 立体声传感器阵定位算法

    目标以低空、超低空巡航时大多数时间都处于声探测系统小仰角的状态,只有很近时仰角才较大。如目标以100 m高度飞行,水平距离小于300m时仰角才大于20b,水平距离小于200 m时仰角才大于30b。因此,有必要采用立体阵,提高小仰角时的探测精度。立体声传感器阵就是一种简单的空间阵型。

    立体声传感器阵结构如图2所示。以声传感器阵的中心为原点建立右手坐标系,坐标系原点为O,在z轴正向布置声传感器S0,在y轴的正、负两个方向布置声传感器S2和声传感器S4,在x轴的正、负两个方向布置声传感器S1和声传感器S3,这5个声传感器到坐标系原点O的距离相等均为L。目标M方位角为U,仰角为H,目标M距原点O的距离为r,S0i表示声波传播到声传感器S0和声传感器Si之间的时间差,即时延值。

    设被测目标与声传感器S0的距离为r0,而被测目标声信号以球面波进行传播,所以声传感器S0、S1、S2、S3和S4分别位于以被测目标声信号源为球心,以r0、r0+d01、r0+d02、r0+d03和r0+d04为半径的5个球面上,因而,可以联立列出如下方程组: