【正文】 由于聲波波長相對于聲源到定位陣列的距離較小，故可以把聲源看作點聲源。膛口激波的波形如圖 所示，但其波形方程未知，因此，本文采用正弦波形作為聲源波形進行仿真。 采樣頻率的選擇選擇合適的采樣頻率對測量結果的精確度有重要的影響。采樣頻率過低，計算量較小，相應計算時間較短，但計算誤差較大；采樣頻率過高，能夠更準確地反映出原信號的特征，從而達到較高的精確度，然而，與之相對應的計算量也會較大，計算時間較長，不利于及時獲取信息。在本文中，由于定位陣列已知，所以我們先來看一下，數(shù)據(jù)精確度對目標定位誤差的影響。設定十字陣對角線陣元之間的距離 D=1m，定位陣列接收到信號的信噪比為 20dB。下面以點 P(50,60,70)為例進行分析：定位陣列仿真程序見附錄 A將 P 點坐標代入方程可以得到三個時延值 ???、 ???、 ???，再將 ???、 ???、 ???均精確到清華大學 2022 屆畢業(yè)論文26小數(shù)點后 6~10 位，即采樣頻率為 106~1010Hz，得到時延值的近似解，然后將得到的近似解再代入方程組中便可以解出 x,y,z，接下來將所得到的 x,y,z，分別與 P 點的三個坐標值比較就可以得到對應的偏差。其結果如圖 所示(a)清華大學 2022 屆畢業(yè)論文27(b)(c)圖 誤差和采樣頻率的關系圖 中(a) 、(b)、 (c)分別是采樣頻率為 106~1010Hz 時所得到的橫坐標、縱坐標、豎坐標與 P 點三個坐標值的偏差。由圖可知，要想得到較為準確的結果，陣元間的時延值最好精確到小數(shù)點后 9 位或者至少應精確到小數(shù)點后 7 位。根據(jù)第三章所介紹的時延估計方法，要保證時延值精確到小數(shù)點后 7 位，采樣頻率至少應為 10MHz。下面討論時延值精確到小數(shù)點后 7 位，采樣頻率為 10MHz 時的情況。保持 P 點縱坐標和豎坐標的值不變，橫坐標分別取值 10,20,30,40,50,70，再對其進行如上的偏差計算，結果如圖 所示清華大學 2022 屆畢業(yè)論文28(a)(b)清華大學 2022 屆畢業(yè)論文29(c)圖 不同 x 對應的偏差圖 中(a) 、(b) 、 (c)分別為不同橫坐標下，對應的橫坐標、縱坐標、豎坐標與其精確值的偏差?？梢?，此時偏差仍然較小。根據(jù)以上的結果，本文將采用將陣元間的時延值精確到小數(shù)點后 7 位，采樣頻率為 10MHz 來進行仿真。 時延估計時延估計仿真程序見附錄 B。將 P 點坐標代入方程組后，在將所得到的時延值精確到小數(shù)點后 7 位，結果為104，，所對應的采樣點數(shù)為 1406,14021,15420。由第三章可知當選擇大的步長因子 ?時收斂速度較快，但穩(wěn)態(tài)失調比較嚴重；相反，當選擇較小的 ?時，穩(wěn)態(tài)失調較小但收斂速度比較慢。表 給出 ?分別為?? ???和?? ???時的時延估計值。清華大學 2022 屆畢業(yè)論文30表????不同 ?值對應的估計時延?的取值 時延估計值對應的采樣點數(shù) 估計時延????? 1329,13909,15367 104， ????? 1405,14037,15433 104， 由上表可知 ???????時，估計的時延已經較為準確。故本文將采用 ???????作為步長因子。仿真結果如圖???所示。其中，抽頭數(shù)為估計試驗所對應的采樣點數(shù)。(a)清華大學 2022 屆畢業(yè)論文31(b)(c)圖 ???????時估計權矢量分布清華大學 2022 屆畢業(yè)論文32其中，?a? 、(b) 、(c)分別為時延 1406，14021，15420 個采樣點時的權值分布情況。 估計結果 將估計時延值帶入定位方程組得X =Y =Z =可見，此時精度不太理想，故可以在陣元間時延值精確到小數(shù)點后 9 位，采樣頻率位1GHz 的情況下再次進行仿真，由于過程與之前所述類似，本文不再重復。 仿真中暴露出來的問題本文所選的平面四元十字陣在對目標進行定位時存在盲區(qū)，即在 y=x 平面、y=x平面及接近兩平面的區(qū)域定位誤差較大。而且要達到較為理想的精確度，所需采樣頻率較高，從而在時延值的估計時計算量較大，定位所需時間較長。 本章小結 本章用 MATLAB 軟件對之前所構建的定位模型進行了仿真，并討論了時延值的精確度對定位結果的影響，步長因子對時延估計值的影響。仿真結果表明，選用的平面四元十字陣列在很大程度上限制了定位的準確性和快速性。清華大學 2022 屆畢業(yè)論文33第五章 全文總結和展望 全文總結本文以反狙擊手聲學探測系統(tǒng)為背景，研究了利用平面四元十字陣和自適應濾波算法對目標進行定位的方法。首先，介紹大氣中聲波的傳播規(guī)律、聲波的傳播模型、聲波傳播過程中的衰減、環(huán)境對聲波的影響等相關理論，然后介紹針對該課題的武器中兩種特有的聲波，即彈頭沖擊波和膛口激波，其中膛口激波包含目標的位置信息。然后，詳細介紹了聲定位的兩個關鍵技術，即聲測陣列和時延估計算法。首先，介紹了作為定位陣列的平面四元十字陣，并列出了目標定位方程，然后，通過比較選擇了自適應算法作為時延估計算法，并描述了 LMS 算法及其特點。最后，利用 MATLAB 軟件對所建立的定位模型進行了仿真，并討論了模型中時延值精度的選擇、步長因子等對定位結果的影響。仿真結果表明，選用的平面四元十字陣列在很大程度上限制了定位的準確性和快速性。 對未來的展望關于聲測定位這個課題的研究，涉及到多方面的理論和原理。由于時間和能力的限制，目前所做的工作是十分有限的，對于未來的發(fā)展，尚有許多問題需要進一步地探討和研究。以下為四點改進想法：1. 加強對信號的前期處理，最大限度地減少噪聲對源信號的影響；2. 采用更好的定位技術實現(xiàn)對目標的精確定位；3. 通過比較選擇更好的定位陣列；4. 采用多陣列定位，從而提高定位精度；在國外，被動目標定位技術正迅速發(fā)展，在國內，許多兵器工作者也正不遺余力在此領域展開研究工作。該領域所涉及的技術方法是相當靈活的，囊括的可變因素也是很多的，目前所做的工作仍然相當有限，在此領域的研究仍然任重道遠。清華大學 2022 屆畢業(yè)論文34附錄 A 定位陣列仿真程序format longx=50。y=60。z=70。D=1。C=340。t1=sqrt((xD/2)^2+y^2+z^2)/C。t2=sqrt(x^2+(yD/2)^2+z^2)/C。t3=sqrt((x+D/2)^2+y^2+z^2)/C。t4=sqrt(x^2+(y+D/2)^2+z^2)/C。tao12=t2t1。tao13=t3t1。tao14=t4t1。S=solve(39。(xD/2)^2+y^2+z^2=(C*t0)^239。,39。x^2+(yD/2)^2+z^2=(C*t0+C*tao12)^239。,39。(x+D/2)^2+y^2+z^2=(C*t0+C*tao13)^239。,... 39。x^2+(y+D/2)^2+z^2=(C*t0+C*tao14)^239。,39。t0,x,y,z39。)。time=eval()。X=eval()。Y=eval()。Z=eval(abs())。[THETA,PHI,R]=cart2sph(X,Y,Z)。tao2=vpa(tao12,4)tao3=vpa(tao13,5)tao4=vpa(tao14,5)tao22=double(tao2)。tao32=double(tao3)。tao42=double(tao4)。T=solve(39。(x1D/2)^2+y1^2+z1^2=(C*t01)^239。,39。x1^2+(y1D/2)^2+z1^2=(C*t01+C*tao22)^239。,39。(x1+D/2)^2+y1^2+z1^2=(C*t01+C*tao32)^239。,...清華大學 2022 屆畢業(yè)論文35 39。x1^2+(y1+D/2)^2+z1^2=(C*t01+C*tao42)^239。,39。t01,x1,y1,z139。)。time1=eval()。A=eval()。B=eval()。C=eval(abs())。X1=double(A)。Y1=double(B)。Z1=double(C)。[THETA1,PHI1,R1]=cart2sph(X1,Y1,Z1)。%轉換成球坐標Xt=X1XYt=Y1YZt=Z1ZTHETAt=THETA1THETAPHIt=PHI1PHIRt=R1R清華大學 2022 屆畢業(yè)論文36附錄 B 時延估計仿真程序clear allclose allhold offTs=1e7。%抽樣間隔N=60000。%總采樣次數(shù)sysorder=N/2 。%抽頭數(shù)k=1:N。source=sin(2*pi*k/N)。%聲源信號s=reshape(source,N,1)。delay=1406。%時延時間所對應的采樣點數(shù)M=N+delay。de=[zeros(1,delay),source]。d=reshape(de,1,M)。y=zeros(1,M)。w=zeros(sysorder,1) 。%權系數(shù)初始化x1=awgn(s,20)。%原信號加入高斯噪聲x2=awgn(d,20)。%時延后的信號加入高斯噪聲for n=sysorder:1:N u=x1(n:1:nsysorder+1)。%u的矩陣y(n)=w39。*u。%系統(tǒng)輸出e(n)=x2(n)y(n) 。%誤差mu=1e12。%步長因子w=w+mu*u*e(n)。%迭代方程end plot(x1,39。b39。)hold on清華大學 2022 屆畢業(yè)論文37plot(x2,39。r39。)title(39。原信號及延時信號39。 ) 。xlabel(39。采樣點數(shù)39。)ylabel(39。輸出39。)legend(39。原信號39。,39。 延時信號39。 )axis([0 N 3 3])figure%作圖semilogy(abs(e)) 。% e的絕對值坐標title(39。誤差曲線 39。) 。xlabel(39。采樣點數(shù)39。)ylabel(39。誤差矢量39。)figure%作圖plot(w,39。r*39。)title(39。估計權矢量 39。) 。xlabel(39。抽頭數(shù)39。)ylabel(39。估計權矢量39。)[B,I]=max(w)。I1%估計的時延時間所對應的采樣點數(shù)format longdelay_time=Ts*(I1)% 估計的時延時間 參考文獻[1] 靳瑩,楊潤澤 . 聲測定位技術的現(xiàn)狀研究[J].：電聲技術，2022,31(2)：48[2] 季瑞. 被動聲探測系統(tǒng)及應用研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學，2022：[3] 滕寶華,廖旭 .大學物理學[M].北京：科學出版社，2022：183186.[4] 向瑾. 基于四元十字陣的被動定位技術研究[D].太原：中北大學，2022：[5] 許可喜. 被動聲探測若干關鍵技術研究[D]. 南京：南京理工大學，2022：[6] [D]. 南京：南京理工大學，2022：清華大學 2022 屆畢業(yè)論文38[7] [M].北京：電子工業(yè)出版社，2022:183187.[8] 張冠武. 低空目標定向方法研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學，2022：[9] [D]. 北京：北京郵電大學，2022：[10] 張明瀚. 基于時延估計的聲源定位系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶大學，2022：[11] 張麗麗. 時間延遲估計的自適應算法研究[D].吉林：吉林大學，2022：[12] 任曉峰. 被動聲定位系統(tǒng)算法及計算機仿真[D].沈陽：東北大學，2022：[13] Simon Haykin,”Adaptive Filter Theory”, Prenticehall,2022[14] and , Adaptive Filters,Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1985.[15] . Reed, . Feintuch, N. J. Bershad. Time delay estimation using the LMS adaptive filterstatic behavior. IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2022 ,:561571.致謝本論文的研究工作是在我的指導老師侯教授的精心指導下完成的，感謝老師在論文的選題以及論文寫作過程中給予我的極大關心和悉心指導。老師嚴謹?shù)目茖W作風，淵博的知識，科學的研究方法使我受益匪淺。從他那里，我不僅學習到了許多知識，更重要的是，我學到了一種精益求精的治學精神。 其次，在論文寫作過程中我的親人，同學和朋友給了我很大的幫助，在此一并表示感謝。清華大學 2022 屆畢業(yè)論文39最后，謹向百忙之中抽出寶貴時間評審本論文和參加論文答辯的各位專家致以最誠摯的謝意