聲納電子平臺穩(wěn)定及束控技術探仿

況貺吉雨冠劉超

（1.海裝駐上海地區(qū)軍事代表局 上海 200083；2.中國船舶工業(yè)集團公司第七○八研究所 上海 200011；3.海鷹企業(yè)集團有限責任公司 無錫 214061）

聲納電子平臺穩(wěn)定及束控技術探仿

況貺1吉雨冠2劉超3

（1.海裝駐上海地區(qū)軍事代表局 上海 200083；2.中國船舶工業(yè)集團公司第七○八研究所 上海 200011；3.海鷹企業(yè)集團有限責任公司 無錫 214061）

聲納；電子平臺穩(wěn)定；束控；聲基陣

介紹了聲納電子平臺穩(wěn)定及束控技術的一般實現(xiàn)方法，并針對聲納系統(tǒng)較常使用的聲基陣——圓柱陣，分析了一種基于母線錯層布陣的改進型電子平臺穩(wěn)定及束控方法。同時針對圓柱陣的不同成陣方式，對電子平臺穩(wěn)定及束控的效果進行模擬仿真。

0 引言

裝載聲納的艦艇會因海上風浪的影響發(fā)生縱搖和橫搖，這將使聲納波束偏離預定方向，造成性能下降、甚至丟失目標。傳統(tǒng)聲納系統(tǒng)中采用機械平臺穩(wěn)定波束，但隨著對聲納系統(tǒng)戰(zhàn)術性能要求的不斷提高，聲納基陣系統(tǒng)變得更復雜，基元數(shù)也大量增加，使得采用機械平臺穩(wěn)定波束的方法變得更加困難，而且也導致導流罩空間尺寸加大，降低了適裝性。在數(shù)字波束形成系統(tǒng)中，可以較方便地利用計算機控制波束形成權系數(shù)，以保持波束的穩(wěn)定，這種控制方法稱為電子平臺穩(wěn)定。利用同樣的原理，可以實現(xiàn)發(fā)射或接收波束的方向控制，這種方法稱為束控。

本文給出電子平臺穩(wěn)定及束控的一般處理方法和過程；在此基礎上給出基于母線錯層布陣的改進型電子平臺穩(wěn)定及束控方法；最后給出圓柱陣的仿真結果，對比印證兩種方法的優(yōu)劣。

1 電子平臺穩(wěn)定及束控的一般方法

電子平臺穩(wěn)定及束控的關鍵是求出形成波束的各基元在波束指向參考坐標系中的位置。亦即求出各基元在參考坐標系中與波束形成參考點的聲程差。這將涉及到聲基陣所在艦艇平臺坐標系和波束指向所在大地坐標系的相互轉(zhuǎn)化，以及空間矢量與三維坐標系中參考點間距離的求解。

1.1 兩種坐標系的變換

對于固定安裝在艦艇平臺上的聲基陣，各個基元在艦艇平臺坐標系XgYgZg中的物理位置是固定不變的。而波束指向的參考坐標系一般為大地坐標系XoYoZo。因此需要將大地坐標系XoYoZo中的波束指向轉(zhuǎn)換到艦艇平臺坐標系XgYgZg中來。這種轉(zhuǎn)換是隨著艦艇平臺的搖擺而實時響應的。

設波束指向處于大地坐標系XoYoZo中，k號波束的俯仰角為φk。由于波束的水平指向與弦角相差一個航向角，為了表述方便，這里用弦角qk代替波束的水平指向。k號波束在大地坐標系中的方向以空間單位矢徑表示，如圖1所示。設基元處于艦艇平臺坐標系XgYgZg中，OXg為艦艇平臺艏艉線，YgOZg為艦艇平臺肋骨面。

圖1 波束指向與大地坐標系示意

1.2 基元相對波束指向參考點的聲程差

對應聲速c，相應的時間延遲τik為：

對于波長為λ的聲波來說，對應的相移φik為：

為了在大地坐標系XoYoZo某一方向形成一穩(wěn)定的波束，對每一個基元輸出的信號所需的時間延遲或相位延遲。對于寬帶波束形成而言，可以對基元輸出信號進行延時dik、幅度加權后相加，得到波束形成的輸出值。對于窄帶波束形成或頻率合成波束形成，可以對基元輸出信號的不同頻率分量分別移相φik、加權后相加，得到波束形成輸出［1］。

1.3 對某型圓柱陣的仿真

針對已知圓柱陣，建立如圖2所示艦艇平臺坐標系。

圖2 圓柱陣在艦艇平臺坐標系中位置示意

艦艇平臺坐標系原點O與基陣幾何中心重合，OXg軸與基陣母線相互垂直，OZg軸與基陣母線平行。由于基陣相對于艦艇平臺坐標系的位置不變，所以可預先求出各基元的矢徑模值和方向角余弦，存于結構表中，再根據(jù)導航信息中的縱橫搖角度和預形成波束指向，即可求出實時變化的時延和相移值。

在上述公式中，很多變量都可以預先求得。實時計算時，更新一次縱橫搖角度需計算12次乘法、5次加法、2次余弦、2次正弦；計算參與某個波束的一個等效基元相對參考點的時延τik，需要求4次乘法、2次加法。

依據(jù)1.1、1.2節(jié)的方法，采用時域波束形成法，得到母線8個基元分4層時波束形成的仿真結果，如圖3。由該圖可以看出，艦艇平臺的搖擺或波束指向的俯仰，會使得波束的主瓣、旁瓣的幅值和指向發(fā)生變化。若母線分層數(shù)不夠多的話，還會出現(xiàn)較大的柵瓣，影響波束形成的效果，進而影響聲納系統(tǒng)的功能和性能指標。這里不作詳細討論。

圖3 仿真結果

2 基于母線錯層布陣的改進型電子平臺穩(wěn)定及束控方法

圓柱陣是主動聲納系統(tǒng)普遍采用的聲基陣成陣方式。本節(jié)將以圓柱陣為分析對象，給出一種基于母線錯層布陣的改進型電子平臺穩(wěn)定及束控方法。

2.1 改進型電子平臺穩(wěn)定及束控方法分析

如圖4所示，圓柱陣一般由水平360°方位內(nèi)等間隔排列的M條線列陣構成，每條線列陣（母線）又由N個垂直方向上等間隔排列的基元構成。在圓柱陣聲納系統(tǒng)中，一般在水平360°方位內(nèi)等間隔形成若干個波束，每個波束在垂直方向上的束寬和指向性由母線上的線列陣決定。若要實現(xiàn)電子平臺穩(wěn)定和束控，必須對母線上的基元進行分層。

圖4 母線不同布陣方式圓柱陣局部示意圖

根據(jù)線列陣波束形成原理，若波束在空間一個扇面內(nèi)轉(zhuǎn)動指向時，這個扇面的寬度實際上不是任意的，存在一個極限值。當扇面超過這個極限時，將會出現(xiàn)方位模糊［2］。若要避免這種模糊，則掃描的扇面寬度θs、聲波波長λ以及基元間距d須滿足：

可見，對于給定的聲波波長λ，中心非模糊扇面的大小取決于基元間距d。以圖4所示圓柱陣為例，對于給定的母線上基元間距和基元個數(shù)，若要增大垂直方向中心非模糊扇面，則基元分層越多越好，亦即各個分層上若干個基元組成的等效陣元間距越小越好。若母線上分層數(shù)為K，則聲納系統(tǒng)通道數(shù)將由M個變?yōu)镸·K個。顯然，這將使設備的規(guī)模和復雜度大大提高。

針對圓柱陣，改進型電子平臺穩(wěn)定及束控方法采用一種母線錯層布陣的方法，使得圓柱陣在母線分層較少的條件下，也能取得常規(guī)布陣（母線等高）、母線分層較多時的效果。如圖4所示，左側(cè)圖為母線等高布陣圓柱陣，右側(cè)為母線錯層布陣圓柱陣。

若母線上基元間距為d，8個基元分為4層、等效為4個等效陣元，則相鄰等效陣元間距為2d。對于母線等高布陣的圓柱陣，母線水平展開后如圖5a所示，各條母線上等效陣元的聲中心處在同一水平面上。對于母線錯層布陣的圓柱陣，母線水平展開后如圖5b所示，相鄰母線上等效陣元的聲中心垂直距離為d，水平距離為r。若將相鄰兩條母線上等效陣元綜合考慮，則可以近似認為等效陣元聲中心垂直距離為因此，在垂直分層數(shù)相同的情況下，只要滿足r＜1.7d，依據(jù)公式5，母線錯層排列的圓柱陣在垂直方向上中心非模糊扇面就會大于母線等高布陣的圓柱陣，亦即母線錯層排列的圓柱陣的電子平臺穩(wěn)定效果和束控范圍將優(yōu)于母線等高排列的圓柱陣。

圖5 母線不同布陣圓柱陣母線水平展開示意圖

2.2 母線兩種布陣方式下電子平臺穩(wěn)定和束控效果仿真

針對圖4所示的圓柱陣，按本文第1節(jié)中給出的方法和計算公式，在相同條件下，分別對母線等高布陣和母線錯層布陣的圓柱陣進行波束形成垂直方向上的仿真計算，得到如圖6所示的仿真結果。

不難看出，在相同條件下，母線上8個基元分4層、錯層布陣（圖6c）時，電子平臺穩(wěn)定及束控效果和母線上8個基元分8層、等高布陣（圖6a）時電子平臺穩(wěn)定及束控效果基本相當，僅在波束主瓣幅值、主旁瓣比上略有差別，但通道數(shù)減少一半。而在同等條件下，母線上8個基元分4層、等高布陣（圖6b）時，電子平臺穩(wěn)定及束控效果明顯不及圖6a所示的效果［3］。由此可以得出，在母線上基元分層且錯層布陣時，可以減少聲納系統(tǒng)的通道數(shù)，而獲得較好的電子平臺穩(wěn)定及束控效果。

圖6 相同條件下，母線不同分層和布陣方式下電子平臺穩(wěn)定和束控效果

3 結語

本文給出了聲納系統(tǒng)電子平臺穩(wěn)定及束控的一般計算方法，并針對圓柱陣，分析了一種基于母線錯層布陣的改進型電子平臺穩(wěn)定及束控方法。需要特別指出的是，對于不同的聲納系統(tǒng)，在采用電子平臺穩(wěn)定及束控手段時，需要在1.1節(jié)所述坐標變換中，考慮艦艇平臺搖心位置的影響。

第2節(jié)介紹的改進型電子平臺穩(wěn)定及束控方法，會使聲納系統(tǒng)預形成的多個波束極大值指向和理論值發(fā)生偏差。一般情況下，系統(tǒng)可以容忍這種偏差，也可以通過加權或另一種母線分層和母線錯層布陣方式來糾正這種偏差。本文在此不作討論。

［1］劉孟安．水聲工程［M］．浙江：浙江科學技術出版社，2002．

［2］田坦，劉國枝，孫大軍．聲納技術［M］．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1999．

［3］（美）尤立克RJ著，洪申譯．水聲原理［M］．哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1990．

Discussion on sonar electronic platform stabilization and shading

KUANG Kuang1JIYu-guan2LIU Chao3
（1.Military Representative Office of Naval Armament，Shanghai200083，China；2.Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China；3.Haiying Enterprise Group Co.,Ltd.，Wuxi214061，China）

sonar；electronic platform stability；shading；sonar array

This paper introduces the general technique of sonar electric stabilization and shading，and analyses a modified method based on bus bar stagger array for the cylindrical array，which is often adopted in sonar system.Meanwhile，the platform stabilization and shading effect are simulated for various arrangements of cylindricalarray.

U665.26

A

1001-9855（2011）06-0054-04

2011-06-08；

2011-06-21

況貺（1979-），男，漢族，工程師，研究方向：艦船及設備管理。

吉雨冠（1959-），男，漢族，高級工程師，研究方向：觀通和作戰(zhàn)系統(tǒng)研究。

劉超（1979-），男，漢族，工程師，研究方向：水聲信號處理。