2024年6月14日发(作者：)

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响＠＠　黜蓟　⑨　＠◎凹季　６＠匡嗡翊６　＠＠　６　翊　

矍　

／　基Ⅱ“ｏ￣ｎｓｉｎＪ＃ｔｉｎ８　

哪脚拙腑　

ＬＯＦＡＲ浮标定位算法的仿真研究　

廖鹏，王英民　

・算法仿真・　

（西北工业大学　航海学院，陕西西安７１００７２）　

【摘要】ＬＯＦＡＲ浮标是一种被动全向浮标，主要用于对潜搜索初始阶段。常用的定位算法很多，这些方法的基本　

思想是最大限度地利用ＬＯＦＡＲ和ＣＯＤＡＲ分析得到的目标信息，通过粗测和细测交替进行的方法，最终精确得到目　

标参数。针对Ｄｏｐｐｌｅｒ—ＣＰＡ、ＬＯＦＩＸ和ＨＹＦＩＸ定位算法进行分析和仿真，结果表明这三种算法能够很好地实现对　

目标的检测，最终精确得到目标参数。　

【关键词】ＬＯＦＡＲ；浮标定位；谱图分析　

【中图分类号】ＴＢ５６　【文献标志码】Ａ　

ＬＩＡＯ　Ｐｅｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｙｉｎｇｍｉｎ　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＬＯＦＡＲ　Ｓｏｎｏｂｕｏｙ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７２，Ｃｈｉｎａ）　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＬＯＦＡＲ　Ｓｏｎｏｂｕｏｙ　ｉｓ　ａ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｏｍｎｉ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｂｕｏｙ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　

ｌａｔｅｎｔ．Ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｉｄｅａ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｓ　ｔｏ　ｍａｘｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ＬＯＦＡＲ　

ａｎｄ　ＣＯＤＡＲ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　ｃｏａｒｓｅ　ａｎｄ　ｆｉｎｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ　ｆｉｎａｌ　

ｐｒｅｃｉｓｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｅｘｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｄｏｐｐｌｅｒ—ＣＰＡ，ＬＯＦＩＸ　ａｎｄ　ＨＹＦＩＸ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａ—　

ｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　

【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ＬＯＦＡＲ；ｓｏｎｏｂｕｏｙ　ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

１　引言　

ＬＯＦＡＲ浮标信号处理方法之一为ＬＯＦＡＲ谱　

图分析。谱图是时频图，能够反映信号时间和频　

谱图中有着高频率的窄带线谱成分，通过对这些谱　

线的多普勒分析可以实现对潜艇定位和运动参数　

估计。该方法定位如图１所示。　

率两个方面的特征，常规谱分析对于小信噪比和　

有色噪声背景噪声处理性能下降。一般是对采样　

信号先进行预白滤波，再运用自适应线谱增强技　

术（ＡＬＥ）增强线谱，抑制噪声，使信号得到改善。　

声呐浮标信号处理的目的是对目标进行检测、定　

位、跟踪和分类识别。单个ＬＯＦＡＲ浮标无法测出　

目标的方位，一般使用多枚浮标联合确定目标　

位置…。　

２　ＬＯＦＡＲ浮标定位方法　

ＬＯＦＡＲ浮标常用的定位算法包括：ＬＯＦＩＸ，ＣＯ．　

ＬＯＦＡＲ浮标通过测量ｔ　，ｔ　两个时刻的频率　，　

若关于ＣＰＡ点对称，由多普勒频移公式有　

ＤＡＲ，Ｄｏｐｐｌｅｒ—ＣＰＡ，ＨＹＦＩＸ等定位方法。这些方　

法的基本思想是最大限度地利用ＬＯＦＡＲ和ＣＯＤＡＲ　

Ｆ　＝　＋　詈ｃ。ｓ　。　

＝　＋　

（１）　

（２）　

分析得到的目标信息，通过粗测和细测交替进行的　

方法，最终精确得到目标参数。　

２．１　Ｄｏｐｐｌｅｒ—ＣＰＡ定位方法　

詈ｃ。ｓ（仃一　）＝ｆ０一ｆ０詈ｅ。ｓ　－　

Ｅｌ－　Ｆ２　（３）　

由式（１）～（２）可以得到　

Ｖ＝ＶＣＯＳ　ｑ９１＝ｃ　

Ｄｏｐｐｌｅｒ—ＣＰＡ方法是利用目标的多普勒信息　

初步得到目标航迹。由于潜艇辐射噪声的ＬＯＦＡＲ　

国　笙蔓　！查蔓　塑　

●■拽■投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．０１３　

７　工哪种般删　

ｕｄｔｏ￣ｎｇｉｎｔ＃ｒｔｎｄ　闶　＠旷　囿　＠　＠◎凹ｓ锄＠匡响翊６响＠＠　６嗡　

堡　一　

图１中，０为目标与浮标连线与ＣＰＡ点与浮标　

间的夹角，Ｄ为浮标与ＣＰＡ点的直线距离，则　

若采用三枚浮标对目标进行定位。每两个浮　

标确定一距离比圆，则问题变为求解两圆的交点，　

可以得到解析解。　

ｆ＝ｆｏ＋ｆｏ号ｃ。ｓ　＝ｆｏ＋　号ｓｉｎ　０　

当目标接近ＣＰＡ点时，有　

ＤｄＯ＝ｖｄｔ　

（４）　

（５）　

所以对式（４）一阶求导，结合式（５）并带入式　

（３），则可以得到　

２　

ｃ（Ｆ１一Ｆ２）

ｓ　Ｆ　ｆ　＋　）

　

　（６）　

由以上分析可知，式（６）是一个近似公式，它只　

有在Ｆ。，　关于ＣＰＡ点对称，且　，　与ＣＰＡ点距　

离无穷大时成立。实际使用中，只能近似得到目标　

速度和浮标与ＣＰＡ点的直线距离。　

２．２　ＨＹＦⅨ定位方法　

ＨＹＦＩＸ是利用同一时刻不同浮标得到的ＬＯ—　

ＦＡＲ图的微小时延信息按照双曲线进行目标定位　

解算。这种方法要有三枚浮标同目标保持接触，这　

时系统能同时处理，并在一幅画面上同时显示这三　

个同步的ＬＯＦＡＲ图。　

若设三枚浮标按正三角形布放，三枚浮标之间　

的距离为ｄ。观察到的时延分别为丁　丁　ｒ：。。声　

速为ｃ，则此时浮标可能的轨迹为　

｝＿ｃ×　：　

＿　

『－ｃ×下∞　

ｌ－ｃ×　

（７）　

２．３　ＬＯＦＩＸ定位方法　

声呐浮标接收到噪声强度与噪声源强度、噪　

声源距离和海区声学特性有关，强度检测又与浮　

标性能稳定性有关。单个浮标接收的噪声强度还　

不能确定距离，但是根据不同浮标接收的噪声强　

度并求出其比值，可以得出距离比，就能对目标定　

位。因此，它需要至少三枚浮标同时保持与潜艇　

接触，潜艇信号的频谱或者至少是相同谱线被三　

个浮标的ＬＯＦＡＲ图同时检测到，这些谱线的幅度　

的相对比值可以计算出来，由解析几何知识可知，　

动点与两定点的距离比为常数，则动点所在的轨　

迹为圆。　

■一拽●投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ　ｎ　

如图２所示，　，Ｂ　为圆心，Ｍ为动点，做ＭＣ上　

１　２，

令　１　Ｃ＝“，ＭＣ＝　，圆心距为ｄ，则　

＝

（ｄ　＋Ｒ　一Ｒ　）／２ｄ　（８）　

＝　

（９）　

两圆交点为Ｍ（　，ｙ），考虑到模糊有双解　

＝　１＋Ｒ１ＣＯＳ（　士０）＝　１＋Ｒｌ（ＣＯＳ　ＯＬＣＯＳ　０±　

ｓｉｎ　Ｏｓｉｎ　ＯＬ）　

Ｙ＝ｙ１＋Ｒ１　ｓｉｎ（　４－０）＝ｙ１＋Ｒｌ（ｓｉｎ　ｃｏｓ　０士　

ｓｉｎ　０ｃｏｓ　）　

（１０）　

将ｓｉｎ　０＝者，ｃ。ｓ　０＝善’ｓｉｎ　＝　，ｃ。ｓ　＝　

带人得到目标位置的解析解　

｛

ｆ

　

　：　＋　（

，　

　ｚ　）　±（），ｚ—Ｙ　ｖ］　

（１１）　

【ｙ　ｙ１＋寺［（ｙ２一Ｙ－）　士（　ｚ　ｖ］　

在ＬＯＦＡＲ定位解算中，由于要测量两个声呐　

浮标在特定频率上的线谱强度比，因此，幅度测量　

精度就是ＬＯＦＩＸ定位解算误差的决定因素。由于　

声信号处理系统有信号的动态范围压缩，只能在噪　

声背景下检测出线谱强度的相对值。在实际测量　

中，特别是在浅海条件下，由于信号干涉等原因，线　

谱强度随距离起伏很大，这对ＬＯＦＩＸ的定位解算精　

度有较大影响。为了减少随机起伏的误差，可以采　

取一种方法是用多重线谱的均方根幅值为准求比　

值Ｋ，或者采用自动线谱积累技术做线谱时间平均，　

当平均时间适当长时，效果则更好　。　

２０１３￣３７卷第１０期ｌ５９ｌ　

ｎ　ｎ水声工程　

—　

后　丙　＠　＠⑥凹岛锄＠匡∞　５嗡＠＠　６囿　

３　仿真分析　

考虑三枚浮标按正三角形布放，三枚浮标之间的　

距离均为ｄ。浮标保持静止。远处目标以速度５　ｍ／ｓ　

驶来，目标中心频率为　＝１　０００　Ｈｚ，水中声音传播速　

度为１　５００　ｍ／ｓ。信噪比为一１０　ｄＢ，其中一枚浮标距　

ＣＰＡ点的距离为１００　１１１。则三枚浮标经过自适应线　

谱增强后得到的ＬＯＦＡＲ谱图如图３所示。　

囫　垒蔓　！鲞蔓！　塑　

３Ｊ　；　筹信息采用上述Ｄ。ｐｐｌ一　

ＣＰＡ方法对目标进行定位。以ｓ１处浮标为例从　

ＬＯＦＡＲ谱图中可以看出在０　ｓ和２　０００　ｓ时目标的　

频率分别Ｆ　＝１　００３．３　Ｈｚ，Ｆ２＝９９６．７　Ｈｚ，ＣＰＡ点处　

的导数为一０．１７。则目标的近似速度为　

Ｆ　一Ｆ，　

Ｖ＝ＶＣＯＳ￣１　・９５　ｍ／ｓ（　２）　

ＣＰＡ点到浮标的距离为　

Ｄ：　：９８　ｍ　（１３　

ＣＳ　

３．２　ＨＹＦＩＸ定位　

若每两个浮标的距离为ｄ＝９　２６０　ＩＴＩ，三枚浮标　

的时延分别为ｒ１２＝５．３　Ｓ，ｒｌ３＝３．２　Ｓ，　２３＝２．１　Ｓ，则　

由ＨＹＦＩＸ定位方程组可计算出浮标可能所处的位　

置如图４所示。　

由于时延的测量存在，图示的三条双曲线不能　

交于一点，而目标可能的位置在两个三角形内，可　

以根据先验信息去掉一个模糊解。　

３．３　ＬＯＦＩＸ定位　

若每两枚浮标的距离为ｄ＝９　２６０　ｍ，在三个　

ＬＯＦＡＲ谱图上可以测得的幅值分别为２．２３６，１，　

１．８。根据上述ＬＯＦＩＸ定位方法得到目标可能所在　

的位置如图５所示。　

４　结论　

在本文中笔者分析了三种ＬＯＦＡＲ浮标的定位　

算法，并通过仿真验证了三种定位算法在各自符合　

的条件下能够对目标进行良好的定位。这一结果　

为以后更深入的研究打下了基础，具有实际意义。　

（下转第７Ｏ页）　

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哪　

嘲　

⑨阿Ｄ［　凹闶５僦　＠囿　６⑥　量』＠＠　⑥囿＠⑥凹　锄＠　一⑥蜮　／　０　

咖脚拙戚　

种协议在１　０００　Ｓ中接收到数据包数量和单位时间的　

吞吐率。　

５　结论　

本文中，笔者提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ协议能够根　

从图１１和图１２可以看出，随着随机移动节点数　

∞∞∞∞∞∞∞　

目的增多，接收到数据包总量和吞吐量均有所下降，但　

Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　

据链路质量变化更改路由表的改进型ＤＳＤＶ路由算　

法。根据仿真结果可以看出，改进型ＤＳＤＶ在出现节　

点移动的隋况下明显优于ＤＳＤＶ，而且在现实中，节点　

的随机分布和随机移动是常见的情况　，因此该算法　

具有较为实际的意义。然而数量有限的节点仿真并不　

是改进型的ＤＳＤＶ算法在单位时间接收到的数据包多　

于原型ＤＳＤＶ，说明其更能适应于多节点移动的情况。　

：∞　

能完全说明该算法在实际运用中的表现，因此建立更　

彝　

丽　

避　

０　

加完善的仿真环境是下一步需处理的问题，相信在完　

善后的仿真环境中，该算法更能体现它的优势。　

参考文献　

ｇ　

一　

ｆ１　张博，岁卫兵，贾方．基于ＤＳＤＶ的无线Ｍｅｓｈ网络跨层路　

由设计［Ｊ］．计算机工程，２００９（５）：９１—９３．　

［２］　ＺｉｇＢｅｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｏｂｊｅｃｔ．ＺｉｇＢｅｅ　ｄｏｃｕｍｅｎｔ０３５２５ｒ５ＺＢ［Ｍ　ｊ．　

图１１　

［Ｓ．１．］：ＺｉｇＢｅｅ　Ａｌｌｉａｎｃｅ，２００４．　

［３ｊ王颖，张鹏，杨军．基于ＺｉｇＢｅｅ信标模式的无线语音通信　

研究［Ｊ］．电声技术，２０１２，３６（４）：３４—３７．　

［４］ＢＥＨＺＡＤ　Ｒ．Ｄｅｓｉｇｎ【）１。ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｆ【）ｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｎｌｕＦｌｌ—　

ｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．［ｓ．Ｌ］：ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌｌ　Ｈｉｇｈｅｒ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２０１２．　

『５］齐东元，邵军力．一种时延受限的低代价移动ＩＰ组播路　

南算法［Ｊ］．电声技术，２００３（４）：４８—５１．　

［６］占奕瑜，田克纯，陈宏滨．基于ＡＯＤＶ改进的水下传感器　

网络多径路南策略［Ｊ］．电声技术，２０１　１，３５（７）：４９—５２．　

［７］乐强．ＷｉＭＡＸ　Ｍｅｓｈ网络技术分析［Ｊ］．信息安全与通　

信保密，２０１２（８）：７１—７３．　

作者简介　

温厚明，硕士，主要研究方向为智能组网；　

林孝康，教授，博士生导师，主要研究方向为移动通信。　

［责任编辑］史丽丽　［收稿日期］２０１２－１１－１９　

（上接第６０页）　

参考文献　

［１］桑龙，王英民，刘小明．基于自适应线谱增强的ＬＯＦＡＲ　

浮标信号处理及Ｄｏｐｐｌｅｒ—ＣＰＡ定位方法［Ｄｊ．两安：两　

北工业大学，２００９．　

ｆ２］ＭＡＲＡＮＤＡ　Ｂ　Ｈ．Ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ａｎ　ａｒｃｔａｎｇｅｎｌ　

ｂｅａｒｉｎｇ　ｅｓｔｉｍａｔｏｒ［Ｊ］．Ｐｒｅｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＯＣＥＡＮＳ，２００３（４）：　

２１２７—２１３２．　

『３］　ＮＥＨＯＲＡ１　Ａ。ＰＡＬＤＩ　Ｅ．Ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｖｅｃｔｏｒ—ｓｅｎｓｏｒ　ａｒｒａｙ　ｐｒｏ—　

ｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｓｉｇ．，１９９４，４２（９）：２４８１—２４９１．　

作者简介　

廖鹏，硕士研究生，主要研究方向为水声信号处理及其应用；　

王英民，教授，博士生导师，主要研究方向为水声信号处理。　

［责任编辑】闰雯雯　［收稿日期］２０１２－１１－２２　

园　生蔓堑鲞蔓　塑　

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