基于拖曳線列陣轉(zhuǎn)向的波束形成方向向量估計(jì)?

楊美嬌 韓 東

（1.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員五大隊(duì) 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

拖曳線列陣聲納是探測(cè)低頻、隱蔽性目標(biāo)的重要工具。它在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行方位估計(jì)時(shí)，經(jīng)常需要改變航向，此時(shí)柔性拖線陣列也隨之轉(zhuǎn)向，這就需要實(shí)時(shí)對(duì)陣形進(jìn)行估計(jì)和校準(zhǔn)，從而提高估計(jì)準(zhǔn)確度。

拖曳線列陣陣形估計(jì)方法主要分為兩類(lèi)：一種是非聲學(xué)陣形估計(jì)法，即在陣列的不同位置安裝姿態(tài)傳感器，利用動(dòng)力學(xué)方程及狀態(tài)空間模型對(duì)陣形進(jìn)行估計(jì)［1～6］。這類(lèi)方法的缺點(diǎn)是對(duì)傳感器的測(cè)量精度要求高，所需計(jì)算量很大，在實(shí)際工程應(yīng)用中難以應(yīng)用。另一種是基于聲學(xué)計(jì)算的陣形估計(jì)方法，即對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理從而估計(jì)陣形［7～13］。這類(lèi)方法不需要依靠陣形的先驗(yàn)知識(shí)，能夠較好地適應(yīng)水聲環(huán)境變化，但缺陷是計(jì)算復(fù)雜，誤差較大［14］?？傮w來(lái)看，對(duì)于拖曳線列陣陣形估計(jì)和校準(zhǔn)問(wèn)題，還處于理論研究階段，沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用到實(shí)際工程中［15～22］。

拖曳線列陣陣形估計(jì)和校準(zhǔn)的前提是獲得準(zhǔn)確的陣列方向向量。本文以平臺(tái)轉(zhuǎn)向?yàn)楸尘?，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，得到了陣列方向向量的估計(jì)表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了陣列方向向量的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。

2 波束形成方向向量估計(jì)

2.1 平臺(tái)轉(zhuǎn)向的臨界時(shí)刻

圖1 轉(zhuǎn)向的4個(gè)臨界時(shí)刻

2.2 各階段方向向量

拖曳線列陣聲納的目標(biāo)方位估計(jì)是建立在接收信號(hào)為遠(yuǎn)場(chǎng)平面波假設(shè)條件下的?？紤]拖曳線列陣是均勻的，θ表示遠(yuǎn)場(chǎng)平面波入射方向，可得到：

1）當(dāng)0≤t≤t0時(shí)，陣列還未到達(dá)轉(zhuǎn)向的圓環(huán)，呈標(biāo)準(zhǔn)的線列陣排列如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向階段1示意圖

此時(shí)方向向量為

2）當(dāng)t0

圖3 轉(zhuǎn)向階段2示意圖

3）當(dāng)t1

圖4 轉(zhuǎn)向階段3示意圖

4）當(dāng)t2

圖5 轉(zhuǎn)向階段4示意圖

5）當(dāng)t>t3時(shí)，最后一個(gè)陣元已出圓環(huán)，所有陣元都位于圓環(huán)切線上，呈一條均勻線列陣排列，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向階段5示意圖

此時(shí)方向向量為

3 仿真結(jié)果

假設(shè)拖曳線列陣是均勻的，陣元數(shù)N=32個(gè)，陣元間隔d=8m，信號(hào)中心頻率為93.75Hz，聲速c=1500m/s，平臺(tái)（陣列）運(yùn)動(dòng)速度v=10節(jié)，轉(zhuǎn)彎半徑r=0.25海里，轉(zhuǎn)向角度α=20°，基準(zhǔn)時(shí)刻t0=0s，θ=[- 90°,270°]。

圖7給出了臨界時(shí)刻t0、t1、t2、t3的值。

圖7 臨界時(shí)刻值

隨著時(shí)間 t的增加（這里分別取0s、20s、40s、60s、80s），可得到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向階段的陣列流形矩陣，陣列流形的實(shí)部可以驗(yàn)證陣列在轉(zhuǎn)向過(guò)程中是否存在畸變，以及畸變的程度。圖8（a）～（e）繪制出了陣列流形的實(shí)部。其中，子圖上半部分是陣列流形實(shí)部的結(jié)果，下半部分是陣列流形每一行中實(shí)部部分的局部極大值點(diǎn)結(jié)果。

圖8 0s～80s中，陣列流形實(shí)部值及其局部極值點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

在拖曳線列陣進(jìn)行陣形估計(jì)前對(duì)陣列方向向量進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)具有重要價(jià)值。文中給出了平臺(tái)轉(zhuǎn)向過(guò)程中4個(gè)臨界時(shí)刻和5個(gè)轉(zhuǎn)向階段模型，分析計(jì)算得到了各階段的方向向量估計(jì)表達(dá)式，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法可有效對(duì)陣列方向向量進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。