柔性阵被动定位性能分析和改进

周湘竹

【摘要】 首先介绍球面内插算法，在此基础上通过仿真分析阵元间距及孔径对定位结果的影响，最后，在对阵元间几种可能的几何关系分析的基础上，分析收发换能器间距对测距结果的影响。

【关键字】 球面内插算法 阵元间距 孔径 收发换能器间距

一、引言

被动定位在许多领域都得到了广泛应用，并取得了实质性的进展。水下目标定位跟踪的主要手段仍是依赖于几何原理的水声学定位方法，在被动定位中的各种方法中，由于设备本身并不需要发射任何信号，设备不会被其他装置探测到，仅需要利用目标辐射的信号就能实现对目标的位置估计它主要采用从目标辐射出的到达接收基阵各个阵元的信号之间的差异来进行探测，从而计算得到目标的方位和距离。与主动定位相比，被动定位可以得到比主动定位更高的取样帧率，能够实现对各种目标的跟踪和运动轨迹的测量，对其进行深入研究具有十分重要的意义。

二、球面内插算法

球面内插算法（Sphericallnterpolation Method）主要是利用声波波阵面曲率的变化，以阵列中各个基元之间的TDOA为依据，对目标的位置信息进行估计的方法。

作为实际应用中一种比较传统的目标位置估计算法，球面内插算法是Smith于19世纪八十年代末期首先提出的，基于时延估计值并得到广泛应用的一种优秀的被动定位估计算法。

尽管存在很多种基于TDOA的目标位置估计算法，但由于球面内插算法独有的特点和性能优势，使得该算法被广泛地应用到多种场合，尤其是对实时性具有较高要求的情况。影响球面内插算法性能的主要因素有时延精度、基元精度、基阵孔径及目标距离，对于采用TDOA进行被动定位的算法而言，若时延数据存在误差，球面内插算法的定位误差也明显小于其他算法。

三、阵元间距及孔径对定位结果的仿真分析

被动定位性能的好坏受到基阵的有效孔径大小的显著影响，但在实际的设备中，若充分利用舰船的上限扩大基阵的有效孔径，且使用刚性的连接方式连接各个基元的话，往往不利于布放和回收，因此可以采用软连接的方式进行连接，即可以以柔性阵的方式构造接收基阵，此时基阵的阵形和每个基元的位置就是随时变化的。根据柔性阵特性进行阵元间距及孔径对定位结果的仿真分析。

首先对阵元间距的波动特性（阵元间距曲线波动的振幅以及周期）对阵元坐标位置和测距结果的影响进行分析，得出了阵元坐标位置和目标距离曲线的波动周期与阵元间距的波动周期相同，阵元坐标位置和目标距离曲线波动的幅度随着阵元间距波动幅度的增大而增大。

其次，对阵元间距随机误差对阵元坐标位置和测距结果的影响进行分析，得出了阵元坐标位置和测距结果的随机误差随着阵元间距随机误差的增大而增大，当阵元间距的随机误差增加2mm时，目标距离（lOOm）的随机误差就能够增加0.3m左右。

第三，分析了阵形孔径大小对测距结果的影响，得出了当阵形孔径（水平孔径或垂直孔径）越大时，目标距离曲线的波动幅度就越小，即阵元间距的波动对测距结果的影响越小，测距结果越贴近实际值。

最后，分析得到了目标距离越远，测距结果的波动幅度越大的结论。

四、收发换能器间距对测距结果的影响

首先对阵元间几种可能的几何关系进行了分析，然后在理论上对收发换能器间距对阵元间距实际值产生的影响进行分析。

随后对海上试验数据进行分析，发现与5#阵元相关的阵元间距的修正与否，对于结果的影响是关键性的。阵形孔径越大，收发换能器间距对测距结果产生的影响就越小。收发换能器的间距越小，则其对测距结果产生的影响就越小。

最后，对阵元间距修正进行仿真分析，得出经过阵元间距修正后的测距结果要好于未修正时的测距结果。同时，垂直孔径越大，收发换能器间距对测距结果的影响就越小。

五、结束语

本文的主要工作是对基于球面内插算法的柔性阵被动定位性能进行分析。

在研究过程中，取得了一些积极的成果，同时，也发现了有需要改进和进一步深入的地方。