目标定位研究的技术和方法

郭秀珍+赵春+雷兵+赵永军

摘要：目前基于传感器阵列的目标源定位技术主要包含基于最大输出功率的可控波束形成目标源定位技术、基于高分辨率谱估计的目标源定位技术、基于到达时间差（TDOA）的目标源定位技术。基于到达时间差的定位技术，利用到达阵列上各传感器的目标源信号间的时间差来确定目标源位置，这类技术计算量小，比较适用于实时处理，在实际应用中占有很大的比重。

关键词：传感器阵列、目标源定位、基于时延估计

1.1 基于最大输出功率的可控波束形成定位技术

基于最大输出功率的可控波束形成目标源定位技术的主要思路是：将阵列中各个传感器所采集到的目标源信号进行滤波、求加权，使其形成波束，并且调节各个阵列的接收方向，同时扫描整个接收空间，波束输出功率最大的点就是目标源的位置。

相比之下，现代的波束形成器更占优势。基于可控波束形成的定位算法主要包含延迟累加波束算法和自适应波束算法。

此方法除了一步完成定位以外还可以对不相关的噪声有抑制作用，还具有最大似然意义上的最优。

1.2 基于高分辨率谱估计的目标源定位技术

高分辨率谱估计技术是通过信号相关矩阵的空间谱，求出阵列中各个传感器之间的相应矩阵来确定方向角和目标源位置的。

在均匀线阵列的情况下有：

1.3 基于时延估计的目标源定位技术

基于时延估计定位技术在诸多的传感器阵列目标源定位中脱颖而出。由于它的定位方法精度比较高、计算量比较小，所以广泛应用于实际测量中。

该方法分为两个步骤：

第一步，对目标源到达阵列中各个传感器的时间进行时延估计（Time Delay Estimation，TDE）。

第二步，确定目标源位置。

一、角度距离定位法

在一些传感器数较少、摆放比较固定的情况下，传感器阵列的目标源定位系统的结构就相对简单一些。图2-2所示结构就是一种典型的传感器阵列结构。

其结果为：

二、球形插值法

推导过程如下：

图2-3给出传感器mi和mj目标源S的几何关系。

由矢量几何和三角形三边关系[42]可得

将上式展开并整理得

实际上式（2-17）不为零，误差为

假设有M个传感器，记为（0，1，...，M-1），第（1，...，M-1）个传感器与第0个传感器之间的距離差对应着M-1个方程，它们的矩阵形式为

三、线性插值法

线性插值法的基本传感器摆放如图2-4所示。

图中传感器mj1和mj2的连线与传感器mj3和mj4的连线相互垂直平分，原点为mj，当目标源离传感器比较远的时候，根据公式 可得，

其中面dmj1mj2是目标源到传感器mj1和mj2的距离差（等于时延乘以传播速度），dmj3mj4是目标源到传感器mj3和mj4距离差，Dmj1mj2传感器mj1和mj2间的距离，Dmj3mj4是传感器mj3和mj4间的距离。由空间解析几何可知，目标源就在由角αj和速离角βj唯一确定的直线Lj上。

目标源的定位需要通过线性插值法来实现。

综上所述，在这几种定位方法中，基于到达时间差的目标源定位方法应用比较广泛，精度较高。

参考文献：

[1]邱天爽，王宏禹，几种基本时间延迟估计方法及其相互关系，大连理工大学学报，1996，36（4）：493～497

[2]张元，陈庆生，吴喜录.被动声定位系统的计算机仿真[J].现代引信，1996（1）：47～50

作者简介：郭秀珍（1982.02-），女，蒙族，内蒙古呼和浩特市人，讲师，硕士，主要从事机电一体化研究

赵春（1982.01-），女，汉族，内蒙古呼和浩特市人，讲师，硕士，主要从事机电一体化研究

赵永军（1979.12～）男，汉族，内蒙古呼和浩特市人，工程师，主要从事计算机、电子设备研究

通讯作者：雷兵（1980.10～）男，汉族，内蒙古呼和浩特市人，工程师，硕士，主要从事机电一体化，虚拟技术，电气工程及自动化研究endprint