基于双圆锥阵的水下目标被动定位方法

Abstract : To solve t he p roblem t hat passive location of t he underwater target based on do uble2co ne array can
not achieve target distance estimation in t he case t hat t he target dept h is unknown ,a underwater passive locatio n met hod based on double2co ne array is p ropo sed. The do uble2co ne array co mp rised of two seven2element cone ar2 rays can achieve t he passive estimation of underwater target azimut h ,pitch angle and distance when t he target dept h is unknown. Simulation shows t he effectiveness and feasibility of t he met hod.
张群良等 : 基于双圆锥阵的水下目标被动定位方法 结果表明 , 俯仰角增大 , 距离估计误差减小 ; 距 离增大 , 距离估计误差增大 ; 上下子阵间距离 h 增 大 ,距离估计误差减小 。
修回日期 :2010202206 3 收稿日期 :2009211212
法 ,实现对水下未知航行深度目标的方位角 、 俯仰角 和目标距离的被动估计 。
1 定位坐标系
水下目标定位要实现对目标方位角 、 俯仰角和 距离估计 ,而线列阵 、 平面阵以及一些立体阵都是围 绕对目标方位角 、 俯仰角的估计 。为实现对航行深 度未知目标的被动声定位 , 设计的双圆锥阵的十四 元基阵如图 1 所示 , 由上下两个七元立体阵组成 。 每个子阵圆周上均匀的分布着六个基元 , 圆心的上 方布设一基元 。其中 ,圆半径为 D , 圆心上方基元到 圆心的距离为 K , 上下两个立体子阵之间的距离
第 32 卷 第 2 期
2010 年 4 月
探测与控制学报
Journal of Detection & Control
Vol1 32 No1 2 Ap r1 2010
基于双圆锥阵的水下目标被动定位方法
张群良1 ,刘海军2
( 1 . 西安邮电学院电子工程学院 ,陕西 西安 710121 ; 2 . 西北工业大学航海学院 ,陕西 西安 710072 )
摘 要 : 针对目标航行深度未知的水下目标被动定位 ,提出了基于双圆锥阵列的水下被动定位方法 ,解决了常
规超短基阵无法实现被动目标距离估计的问题 。双圆锥阵列是通过上下两个七元圆锥阵组合实现 , 可完成水 下未知航行深度目标的方位角 、 俯仰角和目标距离的被动估计 。仿真证明了该方法的有效性和可行性 。
R =
co s β - sin β・ cot β 1
h
( 7)
由式 ( 7) 知 ,目标距离估计与上下两个子基阵之间的 距离 h 和俯仰角β有关 。
图2 目标距离估算简化模型
Fig. 2 Simplized model of t he target distance estimation
上式 6 个方程中 , 只有 3 个独立方程 。式中两个未 知参数β,α , 其中右侧为观测值 。上式方程利用最 小二乘法求解得 :
Tab. 4 Target parameter estimation 方位角 俯仰角 距离/ m
图4 俯仰角对方位角估计的影响
Fig. 4 The estimatio n effect on t he angle of pitch to t he azimut h
仿真设定值 仿真估计值
0. 785 4 0. 783 6
O O′ = h , O′ 、 O 为上下两个子基阵的中心 , 是坐标系
作者简介 : 张群良 (1968 - ) ,男 ,陕西西安人 ,工程师 ,研究方向 : 电子与通信工程 。E2mail :liujnp u @126. co m 。
张群良等 : 基于双圆锥阵的水下目标被动定位方法
X′ Y′ Z、 X Y Z 的坐标原点 , X′ Y′ Z 与 X Y Z 两个坐标
Key words :aco ustic passive locatio n ;double2cone array ;underwater target ; simulation
0 引言
水下目标被动定位技术广泛应用于水下生产作 业、 国防建设等领域 ,研究水下目标定位具有现实意 义 。超短基线阵列被动声定位系统由于尺寸小 、 工 作隐蔽等优点得到了广泛研究 。目前 , 水下超短基 线阵列被动定位研究旨在实现目标方位角 、 俯仰角 的估计 ,如线列阵 、 平面阵以及一些立体阵都围绕着 这两个角度信息估计而进行 。然而 , 当目标航行深 度信息未知时对水下目标进行声被动定位 ( 方位角 、 俯仰角 、 距离被动估计 ) , 在常规超短基线阵列中的 研究还是空白 。本文以超短基线阵列对水下目标定 位技术为基础 , 针对目标航行深度未知的水下目标 被动定位 ,介绍了基于双圆锥阵的十四元阵定位方
关键词 : 水声被动定位 ;双圆锥阵 ;水下目标 ;仿真 中图分类号 : TN911. 7 文献标志码 :A 文章编号 :100821194( 2010) 0220026204
Passive Location Method of Under water Target Based on Double2cone Array
3 计算机仿真
28
探测与控制学报 仿真验证中假设处理信噪比为 5 dB , 样本数据
长度为 2 048 ,基阵圆半径为 0. 25 m ,圆心基元上方 距离圆心 0. 25 m ,上下子阵距离为 10 m 。设目标方 位角α = π/ 4 , 俯仰角β = π/ 3 , 距离 R = 300 m ,仿 真结果如表 1 。 表1 目标参数估计
1. 047 2 1. 062 0
300 299
3. 2 距离估计影响因素
仿真结果表明 : 系统可实现对水下未知航行深 度目标的定位 , 定位精度可满足水下探测与定位系 统对目标定位的要求 。为进一步提高本文研究成果 应用 ,下面对影响本方法定位精度的因素进行分析 。 3. 1 目标俯仰角对角度估计的影响 假设各个基元接收的噪声相互独立 , 圆周上各 基元接收的信号相对于圆心上方基元接收的信号时 延量不相关 ,且各时延估计值的误差服从均值为 0 , 2 τ 的高斯分布 。由误差理论公式知 : 方差为σ
d0 d1 M d5 ( 3)
N =0
∑-
1τ
K
( 6)
N
由式 ( 5) 和式 ( 6) 根据反三角可得出方位角 α和 俯仰角β 。
2. 2 距离估计
距离估计模型如图 2 所示 , 上子基阵 R7 , R8 , R9 , R10 , R11 , R12 , R13 与下子基阵 R0 , R1 , R2 , R3 , R4 , R5 , R6 同样构成 M + 1 ( M = 6) 圆锥阵 , 用与下子阵 同样的方法估计得到目标相对于原点 O′ 的俯仰角 β 1 , 最后根据三角关系求得目标的距离 R :
图6 距离对距离本身估计的影响
Fig. 6 The estimation effect o n t he distance to t he distance it self
图7 上下子阵之间距离 h 对距离估计的影响 图3 俯仰角对俯仰角自身估计的影响
Fig. 3 The estimation effect on t he angle of pitch to t he angle of pitch it self Fig. 7 The estimation effect on t he distance h of t he up &down sub2array to t he distance
5
27
系共 Z 轴 。
T T -1 T T ( A A) A b =
N =0
φd co s ∑ 6D
N
2 2
N
5
N =0
sinφ d ∑ 6D
N
N( 4)5Fra bibliotekN =0
d ∑ 6K
1
N
目标方位的估计公式为 :
5
tan α =
N =0
∑
5
2 sin φN d N 6D
5
N =0
∑
2
2 co s φN d N 6D
)2 =
2 双圆锥阵定位原理
(
N =0
∑
1 dN 6K
5
5
2. 1 方位角和俯仰角估计
N =0
∑D
2
co s φNτN ) 2 + (
5
N =0
∑ D sin φτ )
N N
2
基元 R0 , R1 , R2 , R3 , R4 , R5 , R6 构成 M + 1 ( M = 6) 圆锥阵 , 如图 1 所示 。 使用该子阵 ( R0 , R1 , R2 , R3 , R4 , R5 , R6 ) 来估计目标的方位角α和俯仰角β 。 圆心 O 和圆周上第一个阵元 R 0 的连线与 OX 轴 的夹角为 0 , 圆心 O 和圆周上第 N 阵元的连线与 O X 轴的夹角为 φN ,即 : φN = N ・ π/ M , N = 0 , 1 , …, 5 ( 1) 2 设 R6 的空间坐标为 R6 = [ 0 , 0 , K] , R N ( N = 0 , 1 , …, 5) 的坐标为 PN = [ Dco s φN , D sinφN , 0 ] , 目标的 单位向量为 : T = [ sin β co s α sin β sin α co s β ] , 其中 β α分别为俯仰角和方位角 。 、 当目标声源距基阵的距离远大于阵元间距时 , 基阵接收的信号可视为是平面波 , 以 R6 为参考基 元 ,目标到圆周各基元的声程差 : T d N = ( PN - R6 ) ・T = φN sin β Dco s co s α + DcsinφN sin β sin α β ( ) ( 2) Kco s N = 0 , 1 , …, 5 写成矩阵形式为 : A ・TT = b ,即 : φ φ Dco s D sin - K 0 0 sin β co s α φ φ Dco s D sin - K 1 1 ・ sin β sin α = M M M co s β φ φ Dco s D sin - K 5 5