摘 要： 研究了一種基于該方法的分布式麥克風(fēng)陣列，詳細(xì)分析了節(jié)點(diǎn)測(cè)向離散誤差產(chǎn)生的原因，仿真分析了該誤差對(duì)最終定位結(jié)果的影響，并提出一種節(jié)點(diǎn)優(yōu)選的建議。仿真結(jié)果表明，所述措施能夠有效消減定位誤差。
關(guān)鍵詞： 分布式；測(cè)向交叉定位；聲源；定位誤差
分布式聲源定位系統(tǒng)已有許多應(yīng)用，如空中被動(dòng)聲定位[1]、智能雷場(chǎng)[2]、水下監(jiān)控[3]等。而作為應(yīng)用極為廣泛的測(cè)向交叉定位[1-2]系統(tǒng)的性能與許多因素有關(guān)，如精度與實(shí)時(shí)性的平衡、抗噪聲能力等。對(duì)噪聲而言，可以通過(guò)諸如噪聲抑制算法、濾波等措施來(lái)改善。
在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于該方法在利用數(shù)字處理芯片實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，多個(gè)環(huán)節(jié)采用數(shù)字化處理，各測(cè)向節(jié)點(diǎn)存在固有的離散定向誤差，使得此方法的定位性能與節(jié)點(diǎn)數(shù)目及布局呈現(xiàn)密切的關(guān)系，并造成定位結(jié)果與真實(shí)值的偏離，稱之為“系統(tǒng)定位誤差”。由于此類誤差無(wú)法避免，因此，掌握其分布特性，對(duì)陣列布局、傳感器節(jié)點(diǎn)選取具有重要的實(shí)際意義。
以往的研究工作主要集中在對(duì)各類應(yīng)用的定位算法流程及外界噪聲干擾導(dǎo)致定位誤差的研究，在具體分析導(dǎo)致系統(tǒng)定位誤差產(chǎn)生的機(jī)理，及節(jié)點(diǎn)數(shù)量跟布局對(duì)其影響等方面的研究較少。鑒于此，本文以地面車輛聲源定位為例，分析一種基于麥克風(fēng)十字陣構(gòu)建的定位系統(tǒng)的系統(tǒng)定位誤差，及其分布特性，并引出節(jié)點(diǎn)優(yōu)選的建議。
單個(gè)節(jié)點(diǎn)其探測(cè)范圍有限，在有限的孔徑條件下，無(wú)法獲得較高精度的目標(biāo)空間位置信息。通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，不僅可以擴(kuò)大對(duì)目標(biāo)的時(shí)空探測(cè)范圍，而且可以融合多個(gè)節(jié)點(diǎn)的定向信息，獲得更為準(zhǔn)確的聲源目標(biāo)位置估計(jì)。
分布式陣列網(wǎng)絡(luò)的測(cè)向交叉定位模型如圖2所示。探測(cè)區(qū)域內(nèi)有若干個(gè)節(jié)點(diǎn)M1，M2，……，Mn。節(jié)點(diǎn)Mk（其中k∈[1，n]）獲得的目標(biāo)方向角為αk，各節(jié)點(diǎn)同一時(shí)刻對(duì)同一目標(biāo)的估計(jì)結(jié)果連線的交點(diǎn)即為目標(biāo)的位置。
3 仿真分析
3.1 仿真條件
實(shí)際中，由于CSP算法不能獲得任意精確的估計(jì)值，只能通過(guò)就近原則，從離散角度集合Ω中選取最接近的角度值作為估計(jì)結(jié)果，造成了單節(jié)點(diǎn)的定向離散誤差。這類誤差傳遞給下一步的最小二乘算法，將會(huì)進(jìn)一步造成系統(tǒng)定位誤差。本文重點(diǎn)對(duì)此類誤差的特性進(jìn)行仿真，對(duì)仿真條件做如下約定：
（1）監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)?00 m×400 m的正方形；
（2）僅存在一個(gè)寬帶聲源（100 Hz~4 000 Hz）；
（3）仿真中不考慮環(huán)境噪聲對(duì)定位誤差的影響，僅分析離散定向誤差因素；
（4）待測(cè)目標(biāo)原則上可處于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)任意位置。在仿真時(shí)，以5 m×5 m的方塊為間隔進(jìn)行平面掃描，依次計(jì)算當(dāng)目標(biāo)處于各方塊中心處時(shí)，整個(gè)定位系統(tǒng)對(duì)其定位的誤差。
3.2 仿真結(jié)果
圖4為將整塊監(jiān)測(cè)區(qū)域掃描后得到的誤差等高線示意圖，等高線附近的數(shù)字表示系統(tǒng)定位誤差的大小。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)M1（350 m，100 m）和M2（450 m，300 m）。當(dāng)車輛處于兩節(jié)點(diǎn)端射方向上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。這是因?yàn)楫?dāng)目標(biāo)處于2個(gè)節(jié)點(diǎn)連線上時(shí)，2個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算獲得的兩個(gè)方位角剛好相等或相差180°，理論上是無(wú)法得到目標(biāo)在該線上的準(zhǔn)確位置的。實(shí)際并非如此，由于各節(jié)點(diǎn)定向離散誤差的存在，從而在式（10）求逆時(shí)造成較大病態(tài)，導(dǎo)致較大的誤差。
下面對(duì)3個(gè)節(jié)點(diǎn)和4個(gè)節(jié)點(diǎn)的布局進(jìn)行仿真。三角形分布的3個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況如圖5所示，其中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為M1（350 m，100 m）、M2（550 m，100 m）和M3（450 m，300 m）。4個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況如圖6所示。其中4個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為M1（350 m，100 m）、M2（550 m，100 m）、M3（350 m，300 m）和M4（550 m，300 m）。
由圖4、圖5、圖6可知，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，系統(tǒng)定位誤差會(huì)不斷減小。多節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域如Q1、Q2是定位性能比較理想的區(qū)域。
可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)M4的遠(yuǎn)離，ε在不斷增加，當(dāng)x軸坐標(biāo)值超過(guò)250 m以后，定位效果甚至不如2個(gè)或者3個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況。
這種現(xiàn)象是因?yàn)樽钚《嗽硎橇钭兞康墓烙?jì)誤差平方和達(dá)到最小，在單節(jié)點(diǎn)定向偏差一定的條件下，離目標(biāo)距離越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)對(duì)定位結(jié)果的影響反而越大。所以，在車輛聲源定位時(shí)，優(yōu)先選取離目標(biāo)較近的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行運(yùn)算以提高定位精度。
在實(shí)際測(cè)量中，由于車輛位置未知，不易確定哪些節(jié)點(diǎn)離目標(biāo)較近。一般可通過(guò)能量檢測(cè)或信噪比檢測(cè)等方法來(lái)解決。
本文研究了一種基于測(cè)向交叉定位法的分布式麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)定位誤差特性，并得出以下結(jié)論：
（1）CSP定向算法得到的離散角度值呈一定規(guī)律分布，對(duì)融合算法的最終定位結(jié)果造成一定的影響；
（2）各節(jié)點(diǎn)的連線端射方向及附近區(qū)域都存在“模糊估計(jì)誤差”，這是系統(tǒng)定位誤差的主要分布區(qū)域。處于多節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)誤差分布較小；
（3）節(jié)點(diǎn)數(shù)量和節(jié)點(diǎn)位置不同也會(huì)造成誤差大小以及分布的差別，但并非節(jié)點(diǎn)越多定位誤差越小，優(yōu)先選取離聲源目標(biāo)較近的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行運(yùn)算可以提高系統(tǒng)的定位精度。
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