一種多陣聯(lián)合的拖線陣左右舷分辨方法

尚金濤，楊柳，駱國強(qiáng)

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 聲吶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023)

0 引 言

由于線列陣指向性的圓錐對稱性，單線陣不能區(qū)分目標(biāo)的左右舷方位，左右舷模糊一直是困擾拖曳線列陣聲吶使用的關(guān)鍵技術(shù)，其制約了拖線陣聲吶在作戰(zhàn)中的使用效能[1]，為解決拖線陣左右舷模糊問題，國內(nèi)外提出了多種解決途徑：1）本艇（艦）機(jī)動(dòng)，根據(jù)觀測目標(biāo)寬帶空間能量變化情況實(shí)現(xiàn)左右舷目標(biāo)分辨[2]；2）由于在拖線陣實(shí)際使用過程中，其陣形發(fā)生了不同程度的畸變，通過有效的陣形估計(jì)，并利用估計(jì)后的陣形進(jìn)行波束成形，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的左右舷分辨[3]；3）采用拖曳雙線陣[4]或多線陣，利用目標(biāo)達(dá)到每條線陣上的時(shí)延差進(jìn)行左右舷分辨；4）采用三元組水聽器拖曳單線陣[5-7]分別形成左舷波束和右舷波束，利用左、右兩側(cè)的寬帶能量比實(shí)現(xiàn)目標(biāo)左右舷分辨；5）采用聲矢量傳感器拖曳單線陣[8]實(shí)現(xiàn)目標(biāo)左右舷分辨。方法1需要本艇（艦）機(jī)動(dòng)，易暴露自己；方法2需要估計(jì)拖線陣陣形，難度也較大且估計(jì)的陣形往往誤差較大；方法3～方法5主要從陣形設(shè)計(jì)方面出發(fā)尋求拖線陣左右舷分辨的解決方案，需進(jìn)一步開展研究工作?，F(xiàn)有艦艇除裝備有拖線陣外，還裝備有多種其他類型的平臺聲吶，如首端陣、舷側(cè)陣等，各部聲吶在時(shí)域、頻域、空域構(gòu)成了一定的互補(bǔ)性[9]，且首端陣和舷側(cè)陣具有左右舷分辨能力，因此可以考慮聯(lián)合利用多陣信息的互補(bǔ)性和互作用性實(shí)現(xiàn)拖線陣聲吶的左右舷分辨問題。本文提出了一種多陣聯(lián)合的拖線陣左右舷分辨方法（這里的多陣指舷側(cè)陣和拖線陣），該方法利用了舷側(cè)陣的左右舷分辨能力，通過利用舷側(cè)陣和拖線陣公共頻段的聯(lián)合波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了拖線陣的左右舷分辨，并通過仿真研究驗(yàn)證了所提方法的有效性和寬容性。

1 研究思路

1.1 研究方案

實(shí)際中，拖線陣聲吶不具備左右舷分辨能力，而舷側(cè)陣布放在艇體左右舷且均有障板遮擋，舷側(cè)陣聲吶具備左右舷分辨能力，同時(shí)舷側(cè)陣聲吶工作在中低頻段，而拖線陣聲吶工作在低頻段，二者存在公共工作頻段。對于遠(yuǎn)場目標(biāo)的平面波假設(shè)條件下，考慮分別采用舷側(cè)陣左陣和右陣與拖線陣在公共頻段內(nèi)的聯(lián)合波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)拖線陣聲吶的左右舷分辨具有一定的可行性。圖1給出了一種舷側(cè)陣和拖線陣多陣聯(lián)合的拖線陣聲吶左右舷分辨方法的研究方案，該方法采用常規(guī)波束形成（CBF）技術(shù)分別得到拖線陣、拖線陣和舷側(cè)左陣以及拖線陣和舷側(cè)右陣的空間能量譜，并采用能量檢測器給出拖線陣目標(biāo)左右舷分辨結(jié)果。

圖 1 多陣聯(lián)合的拖線陣左右舷分辨方法研究方案Fig. 1The reaearch plan of port-starboard discrimination method of towed array based on multi-arrays joint

1.2 多陣聯(lián)合波束形成

這里基于常規(guī)波束形成（CBF）技術(shù)實(shí)現(xiàn)多陣聯(lián)合波束形成，設(shè)目標(biāo)信號為，舷側(cè)陣陣元數(shù)，陣元間距；拖線陣陣元數(shù)，陣元間距。舷側(cè)陣左陣坐標(biāo)為：

舷側(cè)陣右陣坐標(biāo)為：

拖線陣坐標(biāo)為：

舷側(cè)陣和拖線陣位置關(guān)系如圖2所示。

圖 2 舷側(cè)陣和拖線陣位置關(guān)系Fig. 2The location relation between flank array and towed array

不考慮陣元接收信號相關(guān)性損失，由舷側(cè)陣右陣和拖線陣組成的多陣聯(lián)合常規(guī)波束形成器輸出為：

同理可以得到舷側(cè)陣左陣和拖線陣多陣聯(lián)合波束形成結(jié)果，即

其中：

左右舷目標(biāo)能量檢測器的輸出分別為：

2 仿真分析

仿真1 給出了2種不同陣間距下所提方法的處理結(jié)果。實(shí)際中拖線陣受海流等因素影響陣形往往發(fā)生畸變，仿真2和仿真3分別給出了幾種典型拖線陣陣形畸變下所提方法的處理結(jié)果。

仿真1：設(shè)有3個(gè)目標(biāo)，其中目標(biāo)1舷角75°、右舷，目標(biāo)2舷角50°、左舷，目標(biāo)3舷角100°、右舷，舷側(cè)陣左陣和右陣間距20 m，舷側(cè)陣和拖線陣間距400 m和600 m，舷側(cè)陣陣元間距0.625 m，拖線陣陣元間距1.0 m，二者公共頻段300～750 Hz，3條陣均為理想陣形，某一時(shí)刻拖線陣、拖線陣+舷側(cè)左陣和拖線陣+舷側(cè)右陣3種情況下處理結(jié)果如圖3所示。

圖 3 不同間距下多陣CBF空間能量譜Fig. 3Multi-arrays CBF spatial energy spectrum under different array distance

利用能量檢測器對多陣聯(lián)合波束形成結(jié)果進(jìn)行目標(biāo)左右舷分辨判別，2種陣間距條件下分別統(tǒng)計(jì)100次目標(biāo)左右舷分辨結(jié)果，見表1和表2。

由圖3和表1、表2可以看出，2種不同陣間距下利用舷側(cè)陣和拖線陣的多陣聯(lián)合波束形成及能量檢測器均可以有效實(shí)現(xiàn)拖線陣聲吶目標(biāo)左右舷分辨，左右舷分辨的平均正確概率均達(dá)到了90%以上。

表 1 陣間距400 m拖線陣目標(biāo)左右舷分辨統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 1The statistical result of port-starboard discrimination under 400 m array distance

表 2 陣間距600 m拖線陣目標(biāo)左右舷分辨統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 2The statistical result of port-starboard discrimination under 600 m array distance

仿真2 設(shè)3個(gè)目標(biāo)，其中目標(biāo)1舷角75°、右舷，目標(biāo)2舷角50°、左舷，目標(biāo)3舷角100°、右舷，舷側(cè)陣左陣和右陣間距20 m，舷側(cè)陣和拖線陣間距400 m，舷側(cè)陣陣元間距0.625 m，拖線陣陣元間距1.0 m，二者公共頻段300～750 Hz，拖線陣陣形小幅度隨機(jī)擾動(dòng)結(jié)果如圖4所示，拖線陣、拖線陣+舷側(cè)左陣和拖線陣+舷側(cè)右陣3種情況下處理結(jié)果如圖5所示。

圖 4 拖線陣陣形小幅度隨機(jī)擾動(dòng)的2種情況Fig. 4Two cases of small amplitude random perturbations of towed array

拖線陣陣形存在小幅度隨機(jī)擾動(dòng)誤差情況下，利用能量檢測器對拖線陣目標(biāo)進(jìn)行左右舷分辨判別，統(tǒng)計(jì)100次目標(biāo)左右舷分辨結(jié)果，見表3。

圖 5 拖線陣陣形小幅度隨機(jī)擾動(dòng)下多陣CBF空間能量譜Fig. 5CBF spatial energy spectrum under small amplitude random perturbations of towed array

表 3 拖線陣陣形小幅度隨機(jī)擾動(dòng)誤差下目標(biāo)左右舷分辨統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 3The statistical result of port-starboard discrimination under small amplitude random perturbations of towed array

由圖4、圖5和表3可以看出，在拖線陣陣形小幅度隨機(jī)擾動(dòng)情況下，利用舷側(cè)陣和拖線陣的多陣聯(lián)合波束形成及能量檢測器也可以有效實(shí)現(xiàn)拖線陣聲吶目標(biāo)左右舷分辨，左右舷分辨的平均正確概率均達(dá)到了90%以上。

仿真3 設(shè)3個(gè)目標(biāo)，其中目標(biāo)1舷角75°、右舷，目標(biāo)2舷角50°、左舷，目標(biāo)3舷角100°、右舷，舷側(cè)陣左陣和右陣間距20 m，舷側(cè)陣和拖線陣間距400 m，舷側(cè)陣陣元間距0.625 m，拖線陣陣元間距1.0 m，二者公共頻段300～750 Hz，拖線陣陣形為正弦隨機(jī)擾動(dòng)如圖所示，拖線陣、拖線陣+舷側(cè)左陣和拖線陣+舷側(cè)右陣三種情況下處理結(jié)果如圖6所示。

圖 6 拖線陣陣形正弦隨機(jī)擾動(dòng)下多陣CBF空間能量譜Fig. 6CBF spatial energy spectrum under sine wave random perturbations of towed array

拖線陣陣形存在正弦隨機(jī)擾動(dòng)誤差情況下，利用能量檢測器對拖線陣目標(biāo)進(jìn)行左右舷分辨判別，統(tǒng)計(jì)100次目標(biāo)左右舷分辨結(jié)果，見表4。

表 4 拖線陣正弦隨機(jī)擾動(dòng)誤差下目標(biāo)左右舷分辨統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 4The statistical result of port-starboard discrimination under sine wave random perturbations of towed array

由圖4和表4可以看出，拖線陣陣形在正弦隨機(jī)擾動(dòng)情況下，利用舷側(cè)陣和拖線陣的多陣聯(lián)合波束形成及能量檢測器可以有效實(shí)現(xiàn)拖線陣聲吶目標(biāo)左右舷分辨，左右舷分辨的平均正確概率達(dá)到了90%以上。

3 結(jié) 語

為解決拖線陣左右舷分辨問題，文中提出了一種多陣聯(lián)合的拖線陣左右舷分辨方法，該方法聯(lián)合利用舷側(cè)陣和拖線陣，通過二者的聯(lián)合波束形成技術(shù)，采用能量檢測器實(shí)現(xiàn)了拖線陣的左右舷分辨，同時(shí)在拖線陣隨機(jī)擾動(dòng)情況下該方法也能夠?qū)ν暇€陣左右舷目標(biāo)進(jìn)行分辨，分辨的平均正確率達(dá)到了90%以上，具有一定的寬容性，為潛艇拖線陣聲吶左右舷分辨提供了一種解決途徑，具有一定的參考價(jià)值。但實(shí)際中，不同陣元接收的目標(biāo)信號存在空間相關(guān)性損失，當(dāng)2條陣間距增大時(shí)相關(guān)性損失也相應(yīng)的增大，后續(xù)還需要深入研究陣間距、空間相關(guān)性損失等因素對該方法性能的影響。