式中0°≤θ≤90°,O°≤ψ≤360°。由式(9)可知,与定位相关的量包括时差τ01,τ02,τ03,τ04,阵元间距D以及声速c有关,由于在一定的阵列和环境中,阵元间距D和声速c相对固定,这里可视为常数,因此定位精度主要取决于时差的估计精度,这里设时差估计精度为dτ。对式(9)求相对时差τ01,τ02,τ03,τ04的偏导,相应估计值的标准偏差可表示为:
由式(11)可知,定位参量估计值与时差估计精度dτ、阵元间距D、声速c、俯仰角θ和目标真实距离r有关,结合式(10),对定位相关的三个坐标变量求偏导,可得:
定位误差则可表示为:
4 仿真实验
为验证算法的有效性,下面分别就直接相关、广义相关和基于盲分离的直接相关方法进行一系列的实验。由图l建立的接收模型可知,延迟时间为50个采样间隔。接收的主要源信号包括一路舰船实测信号,一路服从α稳定分布的尖峰脉冲噪声,见图2。服从α稳定分布的随机变量如下产生:分别产生两个独立的随即变量V和W,其中,V满足在(一π/2,π/2)范围内均匀分布,W满足均值为l的指数分布。
试验过程如下:首先对接收信号直接进行相关处理,结果如图3的第一排所示,相关易出现多个极值且有偏差,从而使得到的结果并不准确。其次,将接收信号经盲信号处理后的进行处理相关,相关峰非常明显,结果如图3的第二排所示。通过改变噪声的影响,对每个噪声点分别进行了1000次实验,结果(如图4所示)证明:经盲相关处理后对延迟时间估计的结果远比直接进行相关、广义相关方法估计的结果要准确和稳定,达到一定的信噪比后,正确估计的概率几乎为100%,广义相关方法相比直接相关的正确概率有一定的提高,显然还是存在一定的误差。由实验结果可知:在复杂信号环境中,最好的方式是先将信号提取出来再进行相关处理,否则,时差估计的精度和稳定性将很难提高,进而影响定位精度及其稳定性。这里信噪比定义为:
为验证定位性能,分别进行了一系列实验,限于篇幅原因,这里只对其中的一种状况进行说明:设声速c=340.29m/s,俯仰角θ=45°,方位角ψ=30°。在不同的时差估计精度下,当目标真实距离r变化时,对目标的定位精度误差如图5所示。实验结果表明这种定位方法与接收阵元间距、目标真实距离和时差估计精度等都有关系,这与第3部分的分析是一致的,具有一定的指导意义。
5 结束语
本文通过建立的接收模型和定位算法,能够通过对接收的舰船辐射噪声对舰船目标进行定位,在一定程度上可提高水下探测能力。对于不同的舰型,由于舰船噪声的音质节拍、音色及其频谱分布、信号过零点分布等不同,通常可根据这些特征,同时通过本文的盲分离算法处理结果,还可对目标类型进行识别。