大孔徑光纖拖曳陣陣形畸變對(duì)波束零陷的影響*

高守勇　邱秀分　申和平　孫春艷

(1. 91388部隊(duì)　湛江　524022)(2.北京神州普惠科技股份有限公司　北京　100085)

GAO Shouyong1　QIU Xiufen2　SHEN Heping2　SUN Chunyan2

(1.No.91388 Troops of PLA, Zhanjiang　524022)(2.Appsoft Technology Co.Ltd, Beijing　100085)

?

大孔徑光纖拖曳陣陣形畸變對(duì)波束零陷的影響*

高守勇1邱秀分2申和平2孫春艷2

(1. 91388部隊(duì)湛江524022)(2.北京神州普惠科技股份有限公司北京100085)

陣形畸變是大孔徑光纖拖曳陣信號(hào)處理中必須考慮的問題，不同程度的陣形畸變會(huì)對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理性能產(chǎn)生一定的影響。波束零陷技術(shù)是廣泛應(yīng)用于拖曳陣探測(cè)系統(tǒng)中的強(qiáng)干擾抑制方法，在本艦強(qiáng)干擾抵消和弱目標(biāo)檢測(cè)方面起著重要作用。論文對(duì)拖曳線列陣畸變?yōu)榛【€陣形后對(duì)波束零陷性能的影響進(jìn)行了研究。通過對(duì)不同畸變程度的弧線陣形進(jìn)行仿真，對(duì)比分析了直線陣形與弧線陣形的處理效果。仿真結(jié)果表明，陣形縱坐標(biāo)偏離橫軸4m后若仍用直線陣形進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，目標(biāo)波束的主瓣變寬、測(cè)向精度下降、強(qiáng)干擾抑制效果變差、弱目標(biāo)檢測(cè)效果受到嚴(yán)重影響，此時(shí)必須利用陣形校正算法對(duì)陣形進(jìn)行校正。

光纖水聽器; 大孔徑拖線陣; 強(qiáng)干擾抵消; 零陷波束形成; 陣形畸變

GAO Shouyong1QIU Xiufen2SHEN Heping2SUN Chunyan2

(1.No.91388 Troops of PLA, Zhanjiang524022)(2.Appsoft Technology Co.Ltd, Beijing100085)

Class NumberTB565

1　引言

陣形畸變對(duì)拖線陣探測(cè)性能的影響研究大部分是對(duì)雙線陣左右舷分辨的影響，且均為基于常規(guī)波束形成[4～5]，有關(guān)強(qiáng)干擾抑制算法影響的文獻(xiàn)很少。本文通過仿真分析了陣形畸變對(duì)波束零陷形成性能的影響，并研究了不同頻率對(duì)陣形畸變的敏感程度。

2　陣形畸變模型

拖曳線列陣在拖曳的過程中，由于海流等因素的影響，陣形畸變不可避免，特別是長(zhǎng)線陣在低速拖曳或轉(zhuǎn)彎時(shí)更易產(chǎn)生陣形畸變。經(jīng)分析，線列陣畸變陣形可近似為一段弧線[6～7]。在直角坐標(biāo)系中畫出畸變的弧線陣形如圖1所示。

圖1　弧線陣形示意圖

(1)

式(1)中，R是圓弧的半徑，ηi為第一陣元與后續(xù)任意陣元連線偏離拖船前進(jìn)方向的夾角，由式(1)可以得到各個(gè)水聽器的真實(shí)位置。3基于Bartlett權(quán)的遠(yuǎn)場(chǎng)波束零陷形

成方法

3.1算法原理

在高速公路橋梁施工伸縮縫結(jié)構(gòu)處理的前期，施工技術(shù)部門要結(jié)合施工圖紙和具體操作流程進(jìn)行系統(tǒng)化技術(shù)交底，并且要對(duì)伸縮縫異行邊緣的順直程度以及平整度等進(jìn)行統(tǒng)籌分析，關(guān)注縫隙之間的間隙結(jié)構(gòu)，從而提升施工流程的基本效果。最重要的是，在施工過程中，技術(shù)部門要對(duì)機(jī)器進(jìn)行集中篩查，合理提升設(shè)備配備的完整性，也為公路橋梁質(zhì)量管理優(yōu)質(zhì)性奠定基礎(chǔ)。

不同波束形成方法的原理基本相同，針對(duì)窄帶信號(hào)波束輸出均滿足式(2)：

y(t)=WH(θ)X(t)

(2)

式中W(θ)=[W0(θ),W1(θ),…,WM(θ)]T為波束形成權(quán)矢量，θ是波束的指向角。其中每個(gè)元素都是一個(gè)復(fù)數(shù)，模表示對(duì)陣元輸出信號(hào)的幅度加權(quán)，輻角表示對(duì)陣元輸出信號(hào)的相位補(bǔ)償。

各種波束形成的不同之處在于式(2)中的加權(quán)向量各不相同，下面介紹如何獲得零陷波束形成的加權(quán)向量。

零陷波束形成[8～10]的加權(quán)向量獲取準(zhǔn)則是：使目標(biāo)方位上波束形成功率輸出最大，而使所有干擾方向的波束輸出為零。假設(shè)目標(biāo)的方位為θ，干擾的方位為θ1，則最優(yōu)化求解的問題可以表述為

max(P1)=max(E[|y(t)|2])

=max(WHE[X(t)XH(t)]W)

(3)

在下述條件下的解：

(4)

式中，max表示取最大值，W為待求解的最優(yōu)權(quán)，X(t)為接收數(shù)據(jù)。a(θ1)干擾的導(dǎo)向矢量，經(jīng)過求解可得波束零陷的最佳權(quán)向量為

(5)

式中，A=[I-a(θ1)(aH(θ1)a(θ1))-1aH(θ1)]，式(5)中目標(biāo)的方位是可以掃描的，干擾的方向是確定的，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需給定干擾的方位，干擾可以是一個(gè)也可以是多個(gè)，當(dāng)存在多個(gè)干擾時(shí)，新的約束條件為

WHa(θ1)=0,WHa(θ2)=0，…，WHa(θN)=0

(6)

式中，θi為第i個(gè)干擾方向矢量。由此可以得到多個(gè)干擾目標(biāo)時(shí)的加權(quán)向量為

(7)

式中，B=[I-H(HHH)-1HH]，在B中H=[a(θ1),a(θ2),…,a(θN)]。

得到加權(quán)向量后，利用加權(quán)向量對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，即可得到零陷后的波束輸出。

Popt(θ)=WHRW

(8)

當(dāng)信號(hào)為寬帶信號(hào)時(shí)，處理方式是將接收信號(hào)在頻域上劃分為若干個(gè)窄帶信號(hào)，然后在每個(gè)子帶上用窄帶波束形成算法估計(jì)目標(biāo)的方位譜。因此，上述導(dǎo)向矢量的表達(dá)式除了與θ相關(guān)外，還與頻率f相關(guān)，第i個(gè)頻段的導(dǎo)向矢量為

a(θ,fi)=[1,e-j2πfiτ,…,e-jM2πfiτ]T

(9)

最后再將所有頻段的輸出累加，得到寬帶的結(jié)果：

(10)

式中，ξi為各個(gè)子帶能量加權(quán)系數(shù)，通常取該系數(shù)為1。

3.2仿真結(jié)果分析

波束零陷技術(shù)需要給定正確的干擾抵消方向，在抵消前需進(jìn)行常規(guī)波束形成獲得需要抵消的干擾方向。當(dāng)陣形畸變時(shí)，通過常規(guī)波束形成獲得的干擾方向與真實(shí)的干擾方向存在偏差，從而會(huì)對(duì)干擾抵消的效果產(chǎn)生影響。接下來對(duì)不同畸變程度陣形下Bartlett權(quán)波束零陷形成方法性能進(jìn)行仿真。

仿真條件：間距為2.4m的128基元大孔徑拖曳線列陣，分別對(duì)陣形偏離橫軸1m、4m和8.5m的情況進(jìn)行仿真，對(duì)比未估計(jì)陣形與估計(jì)陣形的波束零陷形成效果。仿真中認(rèn)為實(shí)際接收陣形即為估計(jì)陣形，兩個(gè)目標(biāo)一強(qiáng)一弱，頻率為250Hz、300Hz，分別從60°、63°方向入射到接收陣，兩個(gè)目標(biāo)的能量之差為15dB。

1) 實(shí)際接收陣形為縱坐標(biāo)偏離橫軸最大1m，仿真結(jié)果如圖2～圖5所示。

從常規(guī)波束形成的效果來看，陣形畸變1m后沒有對(duì)方位估計(jì)的結(jié)果產(chǎn)生影響，未進(jìn)行陣形估計(jì)與進(jìn)行陣形估計(jì)得到的方位均為60°。從抵消的對(duì)比圖來看，估計(jì)陣形可以將強(qiáng)干擾完全抵消，弱目標(biāo)被凸顯出來。而用未估計(jì)的陣形對(duì)強(qiáng)干擾進(jìn)行抵消后發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)干擾抵消得并不徹底，抵消了16dB左右，抵消后強(qiáng)干擾的能量與弱目標(biāo)相差不大。

圖2　估計(jì)前后陣形對(duì)比圖

圖3　陣形估計(jì)前后波束形成效果圖

圖4　未估計(jì)陣形波束零陷前后效果圖

圖5　估計(jì)陣形波束零陷前后效果圖

2) 實(shí)際接收陣形為縱坐標(biāo)偏離橫軸最大4m，仿真結(jié)果如圖6～9所示。

圖6　估計(jì)前后陣形對(duì)比圖

圖7　陣形估計(jì)前后波束形成效果圖

圖8　未估計(jì)陣形波束零陷前后效果圖

圖9　估計(jì)陣形波束零陷前后效果圖

從常規(guī)波束形成的效果來看，陣形畸變4m后，未進(jìn)行陣形估計(jì)與進(jìn)行陣形估計(jì)得到的方位分別為60°和61°，未進(jìn)行陣形估計(jì)得到的干擾方向有1°的誤差。從抵消的對(duì)比圖來看，估計(jì)陣形可以將強(qiáng)干擾完全抵消，弱目標(biāo)被凸顯出來。而用未估計(jì)的陣形對(duì)強(qiáng)干擾抵消后，抵消效果較仿真1中又差了一些，僅抵消了9dB左右。抵消后強(qiáng)干擾的能量還要比弱目標(biāo)強(qiáng)5dB，弱目標(biāo)仍沒有被檢測(cè)出來。

3) 實(shí)際接收陣形為縱坐標(biāo)偏離橫軸最大8.5m，仿真結(jié)果如圖10～13所示。

圖10　估計(jì)前后陣形對(duì)比圖

圖11　陣形估計(jì)前后波束形成效果圖

圖12　未估計(jì)陣形波束零陷前后效果圖

圖13　估計(jì)陣形波束零陷前后效果圖

從常規(guī)波束形成的效果來看，陣形畸變8.5m后，未進(jìn)行陣形估計(jì)與進(jìn)行陣形估計(jì)得到的方位分別為60°和62°，未進(jìn)行陣形估計(jì)得到的干擾方向有2°的誤差。從抵消的對(duì)比圖來看，估計(jì)陣形可以將強(qiáng)干擾完全抵消，弱目標(biāo)被凸顯出來。而未進(jìn)行陣形估計(jì)的強(qiáng)干擾抵消效果較仿真2中又差了一些，僅抵消了4dB左右。

4) 在仿真3的基礎(chǔ)上，改變強(qiáng)目標(biāo)的頻率為100Hz，弱目標(biāo)的方位為65°，仿真結(jié)果如圖14、15所示。

圖14　未估計(jì)陣形波束零陷前后效果圖

圖15　估計(jì)陣形波束零陷前后效果圖

仿真4與仿真3的區(qū)別在于強(qiáng)干擾的頻率不同，雖然抵消后也未檢測(cè)到弱目標(biāo)，但抵消前后的能量差有11dB，較相同畸變程度下高頻的效果要好。這說明，在陣形畸變程度相同的情況下，強(qiáng)干擾的頻率低時(shí)抵消效果更好，由此證明高頻受陣形畸變更敏感。

4　結(jié)語

強(qiáng)干擾抵消對(duì)拖線陣的探測(cè)是比較重要的問題，通過仿真分析陣形畸變對(duì)零陷波束形成算法的影響，可以得到以下結(jié)論：1)當(dāng)陣形畸變大于4m時(shí)，需要進(jìn)行陣形估計(jì)才能達(dá)到較好的抵消效果。2)強(qiáng)干擾的頻率越高，零陷波束形成對(duì)陣形畸變?cè)矫舾?。因此，大孔拖線陣在實(shí)際探測(cè)時(shí)需要安裝姿態(tài)傳感器，對(duì)陣形的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，這樣可以保證最好的抵消效果。

[1] Cranch.G.A，Nash.P.J. Large-scale multiplexing of interferometric fiber-optic sensors using TDM and DWDM[J]. Journal of Lightwave Technology,2001,19(5):687-699.

[2] T. G. Giallorenzi，J. A. Bucaro，A. Dandridge，et al. Optical Fiber Sensor Technology[J]. Quantum Electronics,1982,18(4):626-633.

[3] J. A. Bucaro，H. D. Dardy，E. Carome.Fiber-optic Hydrophone[J]. The Journal of the Acoustical Society of America,1977,62(5):1302-1304.

[4] 張賓,孫貴青.一種典型陣形畸變對(duì)雙線陣聲納左右舷分辨性能的影響[J].電子學(xué)報(bào)，2010，38(10):2383-2388.

[5] 林鵬，宮在曉，郭永剛.基于陣形畸變補(bǔ)償?shù)亩嗑€陣左右舷分辨研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，2012，31(1):54-59.

[6] 姚海濤.陣形隨機(jī)時(shí)變條件下自適應(yīng)陣列信號(hào)處理技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007:38-40.

[7] 董永峰.單線陣陣形估計(jì)與左右舷快速分辨研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013，2013:12-15.

[8] 梅繼丹.水聲聲圖測(cè)量技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010:77-79.

[9] 梅繼丹，惠俊英，王逸林等.Bartlett波束形成的波束零陷權(quán)設(shè)計(jì)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(12):1315-1318.

[10] 梅繼丹，王新勇，惠俊英等.近場(chǎng)聲聚焦波束形成與波束零陷研究[J].大連海事學(xué)報(bào)，2009，35(3):21-24.

Influence of Shape Distortion of Large-aperture Optical FibreTowed Array on Null-forming*

Distortion of array shape must be taken into account in large aperture optical towed array signal processing. Array shape distortion in different degrees will have influences on the performance of subsequent signal processing. The null-forming technique is a strong interference suppression method widely used in towed linear array detection systems, which plays an important role in the ship interference cancellation and the detection for weak target. The effect of towed linear array distorted into arc array on null-forming performance is researched. In this paper, the analysis results of straight array are compare with that of arc array through simulating arc arrays in different degrees. Simulation results indicate that the main lobe of target’s beam becomes wider, the accuracy of DOA descends, the effect of strong interference suppression gets worse, not only that, the detection of weak targets is severely affected if linear array is still processed as straight when y-coordinate of the array deviates from horizontal axis is more than 4 meters.

optical fiber hydrophone, large-aperture towed array, strong interference cancellation, null-beamforming, array shape distortion

2016年2月18日,

2016年3月25日

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013YQ140431)資助。

高守勇，男，高級(jí)工程師，研究方向：水聲工程。邱秀分，女，工程師，研究方向：水聲信號(hào)處理。申和平，男，高級(jí)工程師，研究方向：水聲信號(hào)處理。孫春艷，女，工程師，研究方向：水聲信號(hào)處理。

TB565

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.041