基于实时估计衰减指数的LOFIX算法研究
刘桂瑜
(七一五研究所十室，浙江 杭州 310012)
摘要: LOFIX是被动全向声纳主要的定位方法，然而精度和稳健性受到诸多环境因素的影响，尤其是传播失配因素的影响较大。基于此，本文从工程实现的角度出发，提出了一种近似实时估计声波传播衰减指数的方法。计算机仿真表明，与通常使用的经验值相比，本方法可以改善LOFIX的定位性能。
关键词: 被动声纳浮标；LOFIX定位；声波传播衰减指数
1 引言
被动全向声纳浮标具有作用距离远、性价比高、隐蔽性强、部署灵活等优点，是目前航空声纳反潜常用的一种探测器材。单枚被动全向声纳浮标无法对目标进行定位，LOFIX利用多枚浮标收到的声源噪声强度对目标进行定位，定位误差受各种因素影响[1]，一般在0.5～1海里，常用作对目标的初始定位。本文从工程实践的角度出发，提出了一种实时估算声波传播衰减指数的方法，即在工作海域先投放一枚声源浮标，利用其他浮标接收的该声源浮标发出的信号和各浮标的位置信息，实时估算该海域的声波传播衰减指数，计算机仿真表明，与通常使用的经验值相比，该方法可以有效的改善LOFIX的定位性能。
2 定位方法分析
2.1 LOFIX定位
假设目标为点声源，目标的辐射方向性是各向均匀的[2]，浮标接收目标的强度只和目标距离有关。使用两个浮标接收到的同一个频率的频域谱幅度比计算距离比，就可以计算出一个距离圆轨迹。此圆的圆心位于两枚浮标位置的连线上并靠近距离近的浮标一侧，公式如下：
(1)
其中x 是一个与声波传播几何衰减有关的因数，r 为目标声源与浮标的A 距离，为浮标收到的信号频域幅度。
三枚浮标收到同一目标线谱，就可以得到两个距离圆，利用距离圆的交点，进而得到两个可能的目标位置解。实际情况下一般使用多枚浮标进行定位，多个距离圆相交多个交点，可能产生多个的目标位置解，如下公式即为所要求的目标位置解：
j ∈[0...n -1]
(2)
(4)三个距离圆的有效交点为S 12(x s ,y s )，S 13(x s ,y s )，S 23(x s ,y s )，到真实目标的距离和作为定位的误差估计：
图1 LOFIX定位原理
2.2 LOFIX定位误差分析
LOFIX定位精度，主要与各浮标阵型、线谱幅度估计、浮标位置误差、声波传播衰减指数等因素有关系[4]。
在我国农村金融创新过程中，需要在农村开展普惠性的金融教育，提升农民及新型农业经营主体的金融意识、信用意识、法律意识，特别是培育负债经营意识，逐渐建立农村金融消费者自我保护意识，防止盲目投资和过度负债。
目前对浮标的位置定位主要使用声参系统，定位误差较大，一般在百米的数量级。浮标阵型排布不同也会导致的LOFIX定位的效果差异，文献[3]建议浮标布放间隔选择1～1.5倍浮标作用距离较好，一般情况不要使用直线阵。
基于2.2分析，针对海洋声场环境，暂不考虑浮标坐标误差和频域估计误差，本文提出了一种实时估算声波传播衰减指数的方法，处理流程如下：
浮标收到目标信号的幅度可能存在不一致性，即频域幅度估计会存在误差，这个误差会造成多个距离圆的交点偏差或无交点。
(2)其他工作浮标接收信号并计算频率幅度，设任两枚浮标计算的幅度为A 1、A 2，两枚浮标到声源浮标的直角坐标距离分别为d 1、d 2，记比值：
LOFIX定位误差受声场环境影响较大，如果海域声波实际的衰减指数与经验值(1.33)相差较大时，LOFIX定位的误差会较大，甚至失去意义。近年来，人们大多从浮标阵型及信号处理的角度研究提高LOFIX定位性能，提出了一些改进算法，然而声场环境对LOFIX定位的影响一直没有有效的解决方法。
2.3 基于实时估计声波衰减指数的LOFIX改进算法
海洋环境的温度、盐度在不同海域的一般不同，声波在海洋中的传播为非线性且是时变的，这种传播失配因素是难以估算的，当使用在中国近海水域时，一般认为几何衰减随距离的1.33次方变化[5-6]。
其他任两枚浮标计算的衰减指数为x 2...x n ，为消除随机误差影响，求均值作为衰减指数的估计值：
对于普通市民来说，这种社会援助要求常常是像查找不准时的列车时刻表一样，保证病人按时赶上火车，找到朋友和亲人来照顾虚弱或是正在康复期的病人，或是为病人安排黄包车或是公交车作为交通工具。例如，有一次需要救护车护送一位病人去通州，但是通州超出了医院救护车的行使范围，我们便租了一辆公共汽车来充当救护车。
由于体视显微镜的载物台没有卡尺，不能将标本固定在载物台上移动，只能手动调节观察位置。因此需要小心的手持标本移动观察。在病原生物学实验课中会用体视显微镜观察一些活体标本，如观察血吸虫毛蚴、尾蚴的形态特征和运动轨迹。其中血吸虫尾蚴是血吸虫的感染阶段，会通过皮肤接触感染人体。因此就需要教师为学生调好焦距，学生观察标本时，只需要通过轻微调节细准焦螺旋找到焦距，通过变倍旋钮调大观察尾蚴形态特征，调小来观察尾蚴运动轨迹。整个过程中教师一定要反复叮嘱学生绝对不要触碰到标本。
注册成功并登录后，即可开始创建试卷，选择在线考试，问卷说明里输入考试名称，建议与授课章节一致，方便以后问卷查询和重复使用。考生身份验证方式里，选择考生自主输入，勾选问卷上方个人信息，将默认的姓名、部门及员工编号根据需要可修改为班级、学号、姓名等。
(3)
(4)
计算衰减指数：
(5)
(4)LNG加气站储罐压力升至1 MPa时，对外排放，即从储罐当前压力升至1 MPa所经历的时间为储罐的无损存储时间。
(6)
(3)衰减指数估算完成后，停止声源浮标的工作。用估算的衰减指数x 计算距离比，进而计算距离圆对目标进行定位。
(1)先投放一枚声源浮标，其位置已知，在一定时间内发送一定频率的声波信号，从战术角度考虑，时间和频率最好特殊选取，由公式(1)可知，声源浮标到其他任两个工作浮标的距离如果相等，则此两个工作浮标不参与(2)中衰减指数的计算。
3 计算机仿真及性能分析
3.1 仿真环境条件：
(1)在3级海况下，声波到各枚浮标的传播速度相同，取c=1 500 m/s；
(2)4枚浮标的坐标为B 1(0,0)、B 2(0,10)、B 3(20,0)、B 4(9,15)，浮标坐标和目标坐标均受均值为0、方差为1的白噪声加性调制。导频范围为[4 000, 8 000] Hz，目标均在各浮标的作用范围内；
(3)声源浮标产生5 000 Hz单频信号，目标声源产生4 000 Hz单频信号，各工作浮标接收的信号幅度随距离均值为1.33、方差为1的随机数衰减；
设三枚浮标位置分别为B 1(x B1 ,y B1 )、B 2(x B2 ,y B2 )、B 3(x B3 ,y B3 )，目标位置为T (x T ,y T )，距离圆圆心分别为C 1(x C1 ,y C1 )、C 2(x C2 ,y C2 )，浮标距离在直角坐标系下为d 12、d 13、d 23，两枚浮标确定的距离圆半径分别为R 12、R 13，LOFIX定位的原理如图1所示。
资金使用效率低下是很多国企都面临的问题。国企应该建立银行账户管理制度，归并现有银行账户，严格核准账户的开立。
(7)
以三个距离圆的有效交点形成的三角形的中心作为目标的估计位置。
3.2 仿真1
目标的运动轨迹为均速直线：
其中t =[0-3]小时，v x =0.8(km/小时)，v y =1.3(km/小时)，
(km/小时)，x 、y 轴的加速度均为0。
图2 4枚浮标接收的频域数据
图3 距离圆示意图
图4 误差随频域滤波器阶数衰减情况
试验1：图2为4枚浮标接收信号的频域，图3为三个距离圆基本相交与目标。
试验2：图4为利用本算法估算声波传播衰减因子，使用LOFIX定位，对目标的运动轨迹有较好的定位精度。
4 结束语
LOFIX作为被动全向浮标的一种主要的定位方法，多在搜潜的初始阶段使用[7-9]。本文提出的基于实时估算声波传播衰减指数的算法，则可以在一定程度上改善这种定位方法的性能，扩大被动全向浮标的使用范围。实际的工程应用中可考虑建立声波衰减因数与海况的关系数据库，只需在某海域内投放一次声源浮标估算此海域的声波衰减指数并记录当时的海况，以后的定位可以利用关系数据库区去计算声波衰减指数，这也是本文下一步研究的方向。
王立军(1974-)，男，河北高邑人，石家庄职业技术学院副教授，石家庄市 “十百千人才工程”教育人才,石家庄市宣传文化系统“四个一批”人才，研究方向：思想政治教育、马克思主义政治经济学、高等职业教育研究等；
参考文献:
[1]孙明太. 航空反潜战术[M]. 北京：军事科学出版社, 2003.
[2] 赵绪明. 航空搜潜战术模型与仿真研究[D]. 烟台：海军航空工程学院, 2005.
[3] 杨福渠，鄂群，刘德才. 被动声纳浮标距离比定位[J]. 声学与电子工程, 2000(3):28-32.
[4] 胡柱喜，孙明太，苏维国，等. 被动全向浮标LOFIX定位精度仿真分析[J]. 电光与控制, 2009, 16(12):26-29.
[5] 李守军，包更生，吴水根. 水声定位技术的发展现状与展望[J]．海洋技术, 2005, 24(1):130-135.
[6] 凌国民，王泽民. 声纳浮标技术及其发展方向[J]. 声学与电子工程, 2007(3):1-5.
[7] 颜喜中. 反潜直升机声纳浮标模型搜潜研究与分析[D]. 青岛：海军潜艇学院, 2003.
[8] 张小凤，张光斌，赵俊渭. 基于最佳线性数据融合的双基地声纳定位优化算法[J]. 应用声学, 2004, 23(3):40-44.
[9] 潘勤升. 被动定向声纳系统[J]. 声学技术, 1992, 11(1):76-78.
Study on continual fixing based on LOFIX
LIU Guiyu
(CSIC, 715 research institute, Hangzhou 310012, China)
Abstract : LOFIX is the mostly location method of passive omnidirectional sonobuoy, however its precision and robusticity is influenced by many conditions, and especially transmit mis-match influence is out of control. Based on these, from the angle of project, a method is presented in this paper which computes sound wave attenuation factor in real time approximatively. Compuer simulation indicates this method can improve fixing performance of LOFIX compared with experiential value usually.
Key words : passive sonobuoy; LOFIX fixing; sound wave attenuation factor
文献引用格式： 刘桂瑜. 基于实时估计衰减指数的LOFIX算法研究[J]. 电声技术, 2019, 43(9):12-14.
LIU G Y. Study on continual fixing based on LOFIX[J]. Audio Engineering, 2019, 43(9):12-14.
中图分类号： TB56
文献标志码： A
DOI： 10.16311/j.audioe.2019.09.003
作者简介： 刘桂瑜( 1982—)，硕士研究生，工程师，研究方向：航空反潜信号处理。
责任编辑：辛美玉
收稿日期： 2019-08-27
标签：被动声纳浮标论文; LOFIX定位论文; 声波传播衰减指数论文; 七一五研究所十室论文;