雙基陣節點被動測距方法實驗研究*

劉 流 孟彧仟 張自麗 葛輝良

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

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雙基陣節點被動測距方法實驗研究*

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軍事代表局 上海 201206)(2.杭州應用聲學研究所 杭州 310023)

采用方位交叉定位方法,利用兩個聲基陣節點的測向結果實現水中噪聲源的被動測距。為抑制測向隨機誤差引入的測距誤差,對雙節點基陣測向結果先進行最小二乘擬合平滑處理,以及對解算的目標距離作滑動平均后置處理。海上實驗結果表明,該方法能夠得到穩定的目標定位結果。

雙節點基陣; 被動定位; 最小二乘擬合; 后置處理

Class Number TN911.72

1 引言

被動測距是聲納系統的一項主要功能,單個基陣被動測距方法主要有三類[1～3]:一類是基于波前彎曲的被動測距方法,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聲傳播模型的被動測距方法,最典型的是匹配場算法;第三類是目標運動分析方法。單基陣被動測距往往對陣元位置測量精度、水文參數、平臺機動等有特定要求,提高單基陣被動測距的精度和寬容性仍是需要努力解決的技術難題。

當聲納系統中配有多個間距達數百米以上的聲基陣時,則可融合聲基陣獨立測得的目標方位信息實現被動測距。其中,方位交叉定位基于各基陣獨立測得的方位信息、基陣間距,通過三角函數關系式計算目標距離。和其它方法相比,方位交叉定位對信號形式、信號相關性、海洋水文參數等無特別要求,寬容性好。

本文對雙基陣被動測距進行實驗研究。為提高測距精度和穩定性,在方位交叉定位法的基礎上增加了預處理和后置處理。即通過三步實現雙基陣被動測距: 1) 對兩個基陣測得的目標方位結果進行最小二乘擬合平滑處理; 2) 然后利用三角運算解算目標距離; 3) 對目標距離解算結果進行滑動平均后置處理。

2 雙節點基陣被動測距基本原理

雙基陣被動測距原理如圖1所示。設1#聲基陣、2#聲基陣中心距為L,和陣中心連線的夾角分別為β、γ。設噪聲源S離聲基陣距離滿足單條基陣的遠場條件,則對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目標方位。設兩條聲基陣測得的噪聲源S方位(相對于基陣陣首)分別為θ1、θ2,則利用三角函數關系式,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)

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

圖1 雙基陣被動測距原理

3 單基陣測向結果預處理

由于噪聲、海洋環境起伏等因素的影響,單基陣測得的目標方位角呈現不同程度的隨機變化。當目標較遠時,為抑制目標方位角微小變化引起的雙基陣測距結果較大幅度擺動,需要首先對單基陣測向結果進行平滑濾波處理。較常用的方法有卡爾曼濾波方位,但該方法常會因測向結果中的野值導致發散?？紤]到遠處目標的方位變化是緩慢的,在短時間內可認為是線性變化,因此,可采用一定時間窗內方位值的線性最小二乘擬合處理實現測向結果的平滑。平滑處理后的瞬時方位值為

(3)

式中,N為時間窗內包含的數據點數,a、b為最小二乘擬合系數:

(4)

式(4)中各系數表達式為

(5)

4 雙基陣測距結果后處理

單基陣測向結果平滑處理后,有利于減小雙基陣測距結果的方差,但雙基陣測距結果仍有可能出現較大的離散性,甚至出現野值。因此,有必要對雙基陣測距結果進行后置處理,以減小隨機誤差。

用于減小數據離散性的方法主要有滑動窗平均、中值濾波、卡爾曼濾波等方法,其中,滑動窗平均方法簡單且無需考慮閾值和初始值,也不存在發散問題,適用于已通過預處理抑制方差的雙基陣測距結果的后處理。

設雙基陣方位交叉測距結果為ri,其中,下標i為數據點序號,則滑動窗平均處理后的測距結果為

(6)

5 海上試驗驗證

為了驗證上述算法,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目標實際距離4.9810.70均方誤差0.250.75相對誤差5%7%

為驗證雙基陣測距方法,試驗船依次在位置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。在每個位置,試驗船布放聲源到水下20m,發射寬帶噪聲信號。兩條線列陣接收信號分別進行平面波波束形成和拋物線插值實現對目標測向,并利用本文雙基陣測距方法對聲源位置實現連續測量。處理結果見表1、圖2、圖3,由圖表可見,對兩個位置處的聲源均能實現穩定測距。當聲源距離為4.98km時,測距平均誤差為5%;當聲源距離為10.7km時,測距誤差為7%。

圖3 目標位置1測距結果

圖4 目標位置2測距結果

6 結語

本文對雙基陣被動測距方位進行了算法改進和實驗研究。為抑制測向隨機誤差引起的測距隨機誤差,對單基陣測向結果先經過最小二乘擬合平滑處理,并對方位交叉測距結果進行了滑動窗平滑處理。試驗表明,對于陣間距約為400m的兩條線列陣,對距陣約5km的聲源測距可達到5%的精度,對距陣約10km的聲源測距可達到7%的精度,驗證了雙基陣被動測距方法的有效性。

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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