一種適用淺海聲源的多陣列直接定位方法

王冠群，張春華，李 宇，張揚(yáng)帆

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190；2.中國科學(xué)院先進(jìn)水下信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

0 引 言

在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的聲源定位方法[1-3]需要兩個(gè)步驟：各個(gè)節(jié)點(diǎn)首先對陣元域接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到聲源的波達(dá)方向(Direction of Arrival,DOA)估計(jì)，并將DOA估計(jì)值以有線或無線的方式傳輸至融合中心；然后在融合中心將所有節(jié)點(diǎn)的聲源方位量測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而得到聲源的位置估計(jì)。在傳統(tǒng)方法中，各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立完成中間參數(shù)估計(jì)過程，忽略了接收信號(hào)來自同一聲源的約束條件，造成信息損失，從而無法獲得聲源的最優(yōu)位置估計(jì)。

為了避免傳統(tǒng)分步定位方法的缺點(diǎn)，Weiss 等[4]提出基于最大似然估計(jì)的直接定位方法(Direct Position Determination,DPD)。DPD方法聯(lián)合多節(jié)點(diǎn)陣元域接收數(shù)據(jù)來構(gòu)造似然代價(jià)函數(shù)，并 通過空間二維搜索直接獲得目標(biāo)位置估計(jì)。該方法能夠在減少傳統(tǒng)方法中因兩步分離而造成信息損失的同時(shí)，避免多目標(biāo)定位過程中因數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)所帶來的高算法復(fù)雜度等問題。在傳統(tǒng) DPD方法的基礎(chǔ)上，王云龍等[5]在估計(jì)代價(jià)函數(shù)中考慮了多普勒頻移信息，提出了改進(jìn)的直接定位方法(Improved Direct Position Determination,IDPD)方法，提高了目標(biāo)的定位精度；Tirer等[6]針對于多目標(biāo)狀態(tài)下，DPD方法的估計(jì)精度不高問題，提出將 DPD和最小方差無失真響應(yīng)(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)方法聯(lián)合，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)的超分辨定位等。上述的 DPD及其衍生方法中均用平面直達(dá)波建立信號(hào)接收模型，而水下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多布放在近海海域，在淺海環(huán)境中由于聲波的多模態(tài)傳播特性不能簡單地用直達(dá)波表示，侯云山等[7]根據(jù)簡正波理論，在平坦硬質(zhì)海底和高斯白噪聲條件下構(gòu)造出適用于均勻線陣的淺海接收模型。……