长基线水声定位基阵阵形优化设计*

于 平 吴 波

(91388部队 湛江 524022)



长基线水声定位基阵阵形优化设计*

于 平 吴 波

(91388部队 湛江 524022)

长基线水声定位是水中试验靶场的重要测量手段,是靶场常用的测量设备,但是其海上作业比较复杂,所以需要在获得足够高的测量精度和足够大的可靠性冗余度的前提下,尽量减少布设阵元个数。论文分析了基阵优化设计原则,分析对比了矩形阵和菱形阵的测量性能,给出了水声作用距离估计方法和阵形优化设计方法。在实际应用中,应根据试验计划,现场测量的水文条件、海况、海底声学特性等条件预报水声信号作用距离,然后根据不同的使用要求选择阵形,确定阵间距和布设阵元个数,制定相应的布设方案,从而使海底基阵处于最佳工作状态,既能更好地满足试验需要,又能使海上作业方便安全,快速可靠。

矩形阵; 菱形阵; 水声作用距离; 阵形优化设计

Class Number TB566

1 引言

长基线水声定位系统通常是由基线长度为几千米的海底潜标基阵或海面浮标基阵和安装在被定位目标上的问答机组成。通过测量目标上问答机发出的声信号,传播到各个接收阵元的时延(对同步系统)或时延差(对异步系统),采用球面交汇(对同步系统)或双曲面交汇(对异步系统)来确定目标在发射信号时刻的水平位置[1～3]。

长基线水声定位是水中试验靶场的重要测量手段,是靶场常用的测量设备。但是其海上作业比较复杂,所以需要事先根据试验需求,及现场的海洋环境参数,对基阵阵形进行优化设计,在满足试验需要,得到可能高的测量精度和尽可能大的可靠性冗余度的前提下,尽量减少布设阵元个数,使海上作业方便安全,快速可靠。

2 水声作用距离估计[4～9]

准确预报水声信号的作用距离才能合理地选取测量基阵的尺寸,使阵的测量性能优化。作用距离受水文条件(即声速分布)、海况(风速或波高)、海底声学特性(海底声反射特性)、海深和系统检测性能的限制。

2.1 系统检测性能

系统的检测性能由检测阈决定,它可以在实验室中用电信号测量,被称为DT。

2.2 声速分布

海水中的声速分布将影响声线的弯曲形状及声波的干涉结构,影响到接收信号的强弱和波形,它是影响作用距离的主要因素。尽管已有多种预报声场的波动理论,但声线理论方法仍是工程应用中最有效而且最简便的。

2.3 背景干扰

三级海况1kHz频率谱级为68dB(re:1μpa),谱级每倍频程(ocf)递减6dB。例如:8kHz时谱级为68-18=50dB(8kHz,1Hz)。若带宽为200Hz,通带内总干扰级为:50+10log200=73dB,三级海况在200Hzf内总干扰为73dB,假设系统检测门限为15dB,则可检测到的最小信号级为73+15=88dB。

2.4 作用距离估计

假设系统发射信号声源级为192dB,则允许的最大传播损失为192-88=104dB,则传播损失TL为

TL=60+20lgR+A+aR

(1)其中:R为作用距离,单位为km;A为异常传播损失,异常传播损失是指由于水文条件异于均匀介质及水面波浪干扰产生的附加损失,负梯度时A值大,高海况时A值大,近程A值小,远程A值大。通常A值在10dB～20dB,良好水文时A取0或负数;a=0.036f3/2,单位dB/km,f单位kHz。25kHz时,a大约为4dB/km;9kHz时,a大约为0.36dB/km。

3 优化设计原则[8～10]

首先了解水声定位原理,在研究解算定位精度的基础上,研究阵形优化设计须遵循的原则。

在海底或海面布设N个测量阵元,水下目标作定深航行,目标声源在同步钟的作用下周期性地发射声信号,各接收阵元接收测量声信号传播时延,利用球面交汇模型求解。

(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2=C2ti2
(i=1,2,…,N)

(2)

其中,(xi,yi,zi)是第i个阵元的空间位置,海底潜标基阵系统需要在试验前对其进行测阵校准;海面浮标基阵系统则由装载其上的GPS模块实时测定[1]。ti是第i个阵元测得的目标到自身的声传播时延。(x,y,z)为声源(目标)空间坐标。

当目标深度z先验已知时,式(1)蜕化为圆交汇模型。三个方程即可确定一个唯一的解,两个方程交汇可以通过先验初始值淘汰虚解。

3.1 冗余原则

水下环境十分复杂,实际工作过程中,漏检、信道串漏、虚警等现象时有发生,为了提高定位测量的可靠性,就必须提高交汇解算的冗余度。采用基于冗余测量的最优迭代解算方法,对方程数约束较宽,多个方程参与迭代可以抵消测量误差,从而提高定位精度。因此,冗余原则不仅可以提高系统可靠性,而且对提高系统定位精度具有积极的作用。

3.2 阵内原则

理论上讲三个圆交汇即可确定一个唯一的解,即只要有三个有效阵元,无论目标与阵元的相对位置怎样,都可以得到最优解。但大量的仿真试验证明了交汇角度对定位精度的影响。当目标与各阵元连线两两正交时,定位精度最高,随着交汇角度变小,定位精度随之降低。显然只有有限数量的点能够满足两两正交交汇条件,因此阵形设计应遵循阵内原则,阵内定位精度较阵外高。

3.3 非直线阵交汇原则

两个以上阵元呈直线排列,组成直线阵,虽然可以通过式(2)交汇模型解算确定目标的位置,但其交汇角度较差,仿真试验表明,定位精度较低。

3.4 两阵元交汇连线盲区原则

两个有效阵元交汇时,如果目标位于两个阵元连线附近,两个圆交汇于唯一的一个点,此时,由于阵元测量误差和测时误差的影响,理论上讲算法很难收敛,而海上试验也证明此位置无法定位。

4 基阵测量性能分析

依据作用距离R的大小来选择基阵的尺度,以便使系统测量性能达到最优化,即希望得到最大的测量范围(宽度和长度),并且使测量精度尽可能高,使测量的可靠性冗余度尽可能大。

4.1 矩形阵和菱形阵测量性能对比

4.1.1 矩形阵测量性能分析

矩形阵是由多个正方形子阵级联而成。用黑点表示阵元,用圆形表示位于圆心的阵元的水声作用范围,半径为作用距离R。阵间距L,设比例系数为η=L/R。当η=1时矩形阵的测量性能如图1所示。

图1 η=1时矩形阵的测量性能示意图

图1中标注的数字为圆交汇个数,数字越大冗余量越大。根据上面优化设计原则的分析,用灰色的深浅表示定位精度和冗余可靠性的高低,白色区域为定位盲区。

由图1可以看出阵中存在两阵元交汇连线盲区,要避免矩形阵中的测量盲区,必须缩小阵间距。理论上,当如图2所示阵间距时,阵内部恰好没有了测量盲区,根据图中所示的几何关系不难得出

由于测量误差的存在,η<0.89才能避免阵中的测量盲区。

图2 η=0.89时矩形阵的测量性能示意图

如图3,当η<0.89时,阵内部有足够的测量冗余量,能够保证较高的定位精度。A×B为总的测量范围(四个角有小片测量盲区),由几何关系不难算出测量长度A和宽度B与水声作用距离的关系式为

(3)

图3 η=0.7时矩形阵的测量性能示意图

4.1.2 菱形阵测量性能分析

菱形阵是由多个三角形子阵级联而成,阵间距L,比例系数为η=L/R,两排阵元之间距离h,则有

由图4可以看出,对于菱形阵,当η=1时阵内就没有测量盲区,当η<1时测量性能如图5所示,由几何关系不难算出测量范围与水声作用距离的关系式为

(4)

图4 η=1时菱形阵的测量性能示意图

图5 η=0.7时菱形阵的测量性能示意图

4.1.3 矩形阵和菱形阵测量性能对比

由式(3)、式(4),得到如表1矩形阵和菱形阵测量范围对比表格。可以看出,当阵间距增大时,虽然横向测量范围A有所增加,但纵向范围B减小,测量区域变得比较狭长;菱形阵的作用范围比矩形阵大,作用区域较矩形阵狭长。

表1 矩形阵和菱形阵测量范围对比

对于5×2基阵,矩形阵的阵内区域为(4L×L)的长方形,而菱形阵的阵内区域为(4L×h)的平行四边形,对于同样大的η值,矩形阵阵内面积比菱形阵阵内面积较大。矩形阵必须满足η<0.89条件布阵,而菱形阵必须满足η<1条件布阵,适当地减小η值,也就是减小阵间距,即可以增加测量冗余可靠性。

由图3、图5可以看出,菱形阵定位精度分布较均匀,但其最高精度区的定位精度比矩形阵的精度稍差一些。

4.2M×3矩形阵和M×3菱形阵测量性能对比

许多大型试验往往要求更大的测量范围和可靠度,为了满足此需求,就要布设更多的基阵阵元形成M×3矩形阵或M×3菱形阵,以5×3矩形阵和5×3菱形阵为例,其测量性能分别如图6、图7所示。

图6 η=0.7时5×3矩形阵阵的测量性能示意图

图7 η=0.7时5×3菱形阵的测量性能示意图

同样可以计算5×3矩形阵的测量范围与水声作用距离的关系式为

(5)

5×3矩形阵的测量范围与水声作用距离的关系式为

(6)

从而得到表2测量范围对比表格。

可以看出,当η=0.7时,两种阵形均得到最大的测量范围。两种阵形均具有足够的冗余量,较大的高精度区域和较高的测量精度。M×3菱形阵阵内定位精度分均匀,而且高精度区域较大,但测量范围较M×3矩形阵小。

表2 5×3矩形阵和5×3菱形阵测量范围对比

5 阵形优化设计

基于以上的分析,进行阵型优化设计:

首先要根据式(1)确定水声作用距离。

然后根据试验需求选择阵形,确定阵间距。如果试验要求的作用范围较大,而对定位精度要求不太高,则可以选择菱形阵,并且在满足η<1的前提下,适当增大阵间距;如果试验区域较小,但对某个区域的定位精度要求较高,则需要选择矩形阵,并且适当减小阵间距;如果即要求更大的测量范围,又要求较高的测量精度,可以根据范围参数选择M×3矩形阵或M×3菱形阵,η的值一般取0.7,当η=0.7时,在保证测量冗余量和精度的基础上,两种阵形均具有最大的测量范围。

最后,根据选定的阵形对应的测量范围计算公式和试验要求的测量范围确定阵元个数。

6 结语

菱形阵的作用范围比矩形阵大,定位精度分布较均匀,但其最高精度区域较矩形阵小,定位精度比矩形阵的精度稍差一些。M×3菱形阵结合了矩形阵及菱形阵的优点,阵内定位精度分均匀,而且高精度区域较大,但测量范围较M×3矩形阵小。在实际应用中,应根据试验计划,现场测量的水文条件、海况、海底声学特性等条件预报水声信号作用距离,然后根据不同的使用要求制定相应的阵间距及阵形布设方案,从而使海底基阵处于最佳工作状态,更好的满足试验需要。

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Optimal Design of Long Baseline Acoustic Positioning

YU Ping WU Bo

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

Long baseline(LBL) positioning system is an important measurement means and common measuring equipment in underwater test range, but it is complicated in marine operation. So it needs to reducet numbers of array-element as far as possible with the condition of sufficiently high measurement precision and sufficiently large reliability and redundancy degree. The array optimization design principles is analyzed. The measurement performance between rectangular array and rhombus array is compared. Underwater acoustic signal distance estimation and array shape optimization design method is given in this paper. Underwater acoustic signal operating range is predicted based on test plan, the underwater acoustic conditions, sea state and the acoustic behavior of sea bottom of site measurements in practical applications, and arrays shape is chosen on the base of different usage requirements, numbers of array-element and the array space is confirmed and the corresponding layout scheme is formulated to make sea bottom array be in the best state. It can better meet the requirement of test as well as make marine operation more secure, convenient, quick and reliable.

rectangular array, rhombus array, underwater acoustic signal operating range, array shape optimal design

2014年11月20日,

2014年12月30日

于平,女,高级工程师,研究方向:水声测控技术。吴波,男,工程师,研究方向:水声测控技术。

TB566

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.035