劉 流 孟彧仟 張自麗 葛輝良

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 上海 201206)(2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 杭州 310023)

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雙基陣節(jié)點(diǎn)被動(dòng)測(cè)距方法實(shí)驗(yàn)研究*

劉 流1孟彧仟2張自麗2葛輝良2

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 上海 201206)(2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 杭州 310023)

采用方位交叉定位方法,利用兩個(gè)聲基陣節(jié)點(diǎn)的測(cè)向結(jié)果實(shí)現(xiàn)水中噪聲源的被動(dòng)測(cè)距。為抑制測(cè)向隨機(jī)誤差引入的測(cè)距誤差,對(duì)雙節(jié)點(diǎn)基陣測(cè)向結(jié)果先進(jìn)行最小二乘擬合平滑處理,以及對(duì)解算的目標(biāo)距離作滑動(dòng)平均后置處理。海上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠得到穩(wěn)定的目標(biāo)定位結(jié)果。

雙節(jié)點(diǎn)基陣; 被動(dòng)定位; 最小二乘擬合; 后置處理

Class Number TN911.72

1 引言

被動(dòng)測(cè)距是聲納系統(tǒng)的一項(xiàng)主要功能,單個(gè)基陣被動(dòng)測(cè)距方法主要有三類[1～3]:一類是基于波前彎曲的被動(dòng)測(cè)距方法,如三子陣定位法和聚焦波束形成方法;第二類是基于海洋波導(dǎo)聲傳播模型的被動(dòng)測(cè)距方法,最典型的是匹配場(chǎng)算法;第三類是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析方法。單基陣被動(dòng)測(cè)距往往對(duì)陣元位置測(cè)量精度、水文參數(shù)、平臺(tái)機(jī)動(dòng)等有特定要求,提高單基陣被動(dòng)測(cè)距的精度和寬容性仍是需要努力解決的技術(shù)難題。

當(dāng)聲納系統(tǒng)中配有多個(gè)間距達(dá)數(shù)百米以上的聲基陣時(shí),則可融合聲基陣獨(dú)立測(cè)得的目標(biāo)方位信息實(shí)現(xiàn)被動(dòng)測(cè)距。其中,方位交叉定位基于各基陣獨(dú)立測(cè)得的方位信息、基陣間距,通過三角函數(shù)關(guān)系式計(jì)算目標(biāo)距離。和其它方法相比,方位交叉定位對(duì)信號(hào)形式、信號(hào)相關(guān)性、海洋水文參數(shù)等無特別要求,寬容性好。

本文對(duì)雙基陣被動(dòng)測(cè)距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為提高測(cè)距精度和穩(wěn)定性,在方位交叉定位法的基礎(chǔ)上增加了預(yù)處理和后置處理。即通過三步實(shí)現(xiàn)雙基陣被動(dòng)測(cè)距: 1) 對(duì)兩個(gè)基陣測(cè)得的目標(biāo)方位結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合平滑處理; 2) 然后利用三角運(yùn)算解算目標(biāo)距離; 3) 對(duì)目標(biāo)距離解算結(jié)果進(jìn)行滑動(dòng)平均后置處理。

2 雙節(jié)點(diǎn)基陣被動(dòng)測(cè)距基本原理

雙基陣被動(dòng)測(cè)距原理如圖1所示。設(shè)1#聲基陣、2#聲基陣中心距為L(zhǎng),和陣中心連線的夾角分別為β、γ。設(shè)噪聲源S離聲基陣距離滿足單條基陣的遠(yuǎn)場(chǎng)條件,則對(duì)于單基陣聲波前可近似為平面波[8],可利用平面波束形成估計(jì)目標(biāo)方位。設(shè)兩條聲基陣測(cè)得的噪聲源S方位(相對(duì)于基陣陣首)分別為θ1、θ2,則利用三角函數(shù)關(guān)系式,可以解算聲源S離兩條聲基陣的距離[9～10]:

(1)

式中,

α1=θ1-β,α2=π-θ2-γ

(2)

雙基陣被動(dòng)測(cè)距方法對(duì)聲源位置有一定限制。當(dāng)聲源S和基陣距離遠(yuǎn)大于L時(shí),α1+α2趨向于π,式(1)分母趨向于0,微小的測(cè)向誤差將引起很大的測(cè)距誤差;當(dāng)α1+α2=π/2,式(1)分母趨向于1,測(cè)向誤差的影響最小。

圖1 雙基陣被動(dòng)測(cè)距原理

3 單基陣測(cè)向結(jié)果預(yù)處理

由于噪聲、海洋環(huán)境起伏等因素的影響,單基陣測(cè)得的目標(biāo)方位角呈現(xiàn)不同程度的隨機(jī)變化。當(dāng)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí),為抑制目標(biāo)方位角微小變化引起的雙基陣測(cè)距結(jié)果較大幅度擺動(dòng),需要首先對(duì)單基陣測(cè)向結(jié)果進(jìn)行平滑濾波處理。較常用的方法有卡爾曼濾波方位,但該方法常會(huì)因測(cè)向結(jié)果中的野值導(dǎo)致發(fā)散?？紤]到遠(yuǎn)處目標(biāo)的方位變化是緩慢的,在短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為是線性變化,因此,可采用一定時(shí)間窗內(nèi)方位值的線性最小二乘擬合處理實(shí)現(xiàn)測(cè)向結(jié)果的平滑。平滑處理后的瞬時(shí)方位值為

(3)

式中,N為時(shí)間窗內(nèi)包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù),a、b為最小二乘擬合系數(shù):

(4)

式(4)中各系數(shù)表達(dá)式為

(5)

4 雙基陣測(cè)距結(jié)果后處理

單基陣測(cè)向結(jié)果平滑處理后,有利于減小雙基陣測(cè)距結(jié)果的方差,但雙基陣測(cè)距結(jié)果仍有可能出現(xiàn)較大的離散性,甚至出現(xiàn)野值。因此,有必要對(duì)雙基陣測(cè)距結(jié)果進(jìn)行后置處理,以減小隨機(jī)誤差。

用于減小數(shù)據(jù)離散性的方法主要有滑動(dòng)窗平均、中值濾波、卡爾曼濾波等方法,其中,滑動(dòng)窗平均方法簡(jiǎn)單且無需考慮閾值和初始值,也不存在發(fā)散問題,適用于已通過預(yù)處理抑制方差的雙基陣測(cè)距結(jié)果的后處理。

設(shè)雙基陣方位交叉測(cè)距結(jié)果為ri,其中,下標(biāo)i為數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào),則滑動(dòng)窗平均處理后的測(cè)距結(jié)果為

(6)

5 海上試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述算法,在距岸約1km的海底固定布放兩條32元、陣元間距為0.7m光纖水聽器線列陣,基陣布設(shè)具體位置如圖2所示。兩條線列陣夾角為140.6°,基陣中心距為453.3m。

圖2 基陣布放示意圖

序號(hào)位置1距離(km)位置2距離(km)14.7510.8824.7510.6234.759.8744.749.7054.749.9664.739.6374.739.6984.729.8194.7210.38104.7210.11目標(biāo)實(shí)際距離4.9810.70均方誤差0.250.75相對(duì)誤差5%7%

為驗(yàn)證雙基陣測(cè)距方法,試驗(yàn)船依次在位置1(18°14.24′N,109°8.9′E)和位置2(18°14.22′N,109°3.72′E)錨泊,離1#線列陣中心的距離分別為4.98km和10.7km。在每個(gè)位置,試驗(yàn)船布放聲源到水下20m,發(fā)射寬帶噪聲信號(hào)。兩條線列陣接收信號(hào)分別進(jìn)行平面波波束形成和拋物線插值實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)測(cè)向,并利用本文雙基陣測(cè)距方法對(duì)聲源位置實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。處理結(jié)果見表1、圖2、圖3,由圖表可見,對(duì)兩個(gè)位置處的聲源均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)距。當(dāng)聲源距離為4.98km時(shí),測(cè)距平均誤差為5%;當(dāng)聲源距離為10.7km時(shí),測(cè)距誤差為7%。

圖3 目標(biāo)位置1測(cè)距結(jié)果

圖4 目標(biāo)位置2測(cè)距結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)雙基陣被動(dòng)測(cè)距方位進(jìn)行了算法改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)研究。為抑制測(cè)向隨機(jī)誤差引起的測(cè)距隨機(jī)誤差,對(duì)單基陣測(cè)向結(jié)果先經(jīng)過最小二乘擬合平滑處理,并對(duì)方位交叉測(cè)距結(jié)果進(jìn)行了滑動(dòng)窗平滑處理。試驗(yàn)表明,對(duì)于陣間距約為400m的兩條線列陣,對(duì)距陣約5km的聲源測(cè)距可達(dá)到5%的精度,對(duì)距陣約10km的聲源測(cè)距可達(dá)到7%的精度,驗(yàn)證了雙基陣被動(dòng)測(cè)距方法的有效性。

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Experiment on Bi-static Array Passive Ranging Method

LIU Liu1MENG Yuqian2ZHANG Zili2GE Huiliang2

(1. Shanghai Military Representative Bureau of Navy Equipment Department, Shanghai 201206) (2. Hangzhou Applied Acoustic Institute, Hangzhou 310023)

By use of bearing cross location method, the range of underwater noise source can be estimated from the bearing results of two bi-static array. To reduce the random ranging errors, the input bearing results are smoothed by use of the least squares fitting pretreatment, and the estimated target range results are smoothed by use of moving average post processing. It is shown from experiment results at sea, the stable target ranging results can be obtained by use of the method.

bi-static array, passive ranging, least squares fitting pretreatment, post process

2014年10月17日,

2014年11月27日

劉流,男,工程師,研究方向:裝備監(jiān)造、管理。孟彧仟,男,工程師,研究方向:水聲工程。

TN911.72

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.016