拖線陣陣形估計技術(shù)研究綜述

張 琪

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江 杭州 310012）

0 引 言

拖曳線列接收陣聲吶又稱為拖線陣，其在拖曳時遠(yuǎn)離艦體，具有受本船噪聲影響小的優(yōu)點(diǎn)。拖線陣的工作頻率較低，能夠遠(yuǎn)距離探測水下目標(biāo)，在對潛探測方面發(fā)揮著重要作用。在水中拖曳過程中，由于受洋流、本船航速變化以及回轉(zhuǎn)機(jī)動等影響，拖線陣的姿態(tài)往往無法保持直線，容易產(chǎn)生陣形畸變。有文獻(xiàn)指出，如果陣形畸變超過拖線陣長度的十分之一，需要補(bǔ)償由此引起的陣處理增益損失[1]。因此，對畸變陣形做陣形姿態(tài)校正尤為必要。對此，本文主要簡述現(xiàn)階段陣形估計的常用方法，指出不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并就陣形估計技術(shù)的發(fā)展給出一點(diǎn)建議和思考。

1 拖線陣陣形估計常用方法

拖線陣陣形估計技術(shù)主要分為聲學(xué)方法和非聲學(xué)方法兩大類。聲學(xué)方法主要是根據(jù)拖線陣水聽器接收的聲學(xué)信號，利用信號處理的方法反推陣形姿態(tài)，該方法一般需要借助輔助聲源；非聲學(xué)方法是根據(jù)布置在拖線陣上的非聲傳感器采集得到深度、航向等數(shù)據(jù)，采用插值擬合或者構(gòu)建拖曳陣空間運(yùn)動方程進(jìn)行陣形預(yù)測。

1.1 聲學(xué)法陣形估計

聲學(xué)方法主要包括銳度法[2-4]和特征矢量 法[5-11]。BUCKER 首次采用銳度法來預(yù)測陣形，該方法通過枚舉得到所有陣元的位置坐標(biāo)，再就對應(yīng)位置做波束形成，當(dāng)目標(biāo)方位上存在功率極大值時即認(rèn)為是真實(shí)的陣元位置。其缺點(diǎn)是對于陣元數(shù)量較多的情形，該搜索算法比較復(fù)雜[2]。后來，F(xiàn)ERGUSON 采用銳度法做自適應(yīng)波束形成來預(yù)測陣形[3]。特征矢量陣形估計法首先由GRAY D A 提出，該方法通過對信號協(xié)方差矩陣做特征分解，認(rèn)為陣列流形矢量與協(xié)方差矩陣大特征值對應(yīng)的特征向量具有一致的子空間[4]。FERGUSON 仿真比較了銳度法和特征矢量法陣形估計的效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)陣形畸變嚴(yán)重時，銳度法得到的陣形位置誤差大于特征矢量法[5]。SMITH J J 仿真分析了分子陣特征矢量法陣形估計的性能，發(fā)現(xiàn)在不影響陣形估計精度的同時可顯著提高計算效率，并給出了存在遠(yuǎn)場窄帶聲源時，陣形估計精度的克拉美羅下界[6-7]。隨后，考慮存在遠(yuǎn)場寬帶聲源信號的情形，SMITH J J 提出了加權(quán)準(zhǔn)相干和非相干特征矢量估計陣形的方法，數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明加權(quán)準(zhǔn)相干陣形估計的性能優(yōu)于非相干法[8]。NING M 提出了聲源方位未知特征矢量陣形估計方法，可在快速獲取聲源方位（DOA）的同時仍能保持陣形估計的精度[9]。WEISS A J 采用極大似然法進(jìn)行陣形估計，該方法不需獲取輔助聲源的初始方位[10]。QUINN B G 提出采用隱藏馬爾可夫鏈陣形估計法，數(shù)值模擬結(jié)果表明當(dāng)接收的聲源信號信噪比較低時，陣形估計效果優(yōu)于極大似然法[11]。

1.2 非聲法陣形估計

非聲輔助測量方法主要包括插值擬合法和流體力學(xué)法。插值擬合法根據(jù)加裝在拖線陣的非聲傳感器測量得到的航向、縱橫搖等位置信息，經(jīng)多項(xiàng)式插值擬合得到陣形。該方法雖然能實(shí)時獲取陣形姿態(tài)信息，不過在拖線陣上大量加裝非聲傳感器造價昂貴，且增加了硬件設(shè)計難度，其估計效果受傳感器數(shù)量和精度的限制。流體力學(xué)法通過構(gòu)建力學(xué)方程（Paidoussis Equation）來描述拖纜的水下運(yùn)動狀態(tài)，該方法將航向、深度等非聲傳感器實(shí)測值作為邊界條件輸入，需要的非聲傳感器數(shù)量較少。不過，當(dāng)海洋環(huán)境變化劇烈，需要實(shí)時給出拖線陣在不同運(yùn)動狀態(tài)下方程的模型參數(shù)，模型解算復(fù)雜[12]。

插值擬合法方面，HOWARD 采用四次樣條插值方法擬合得到了水聽器三維空間位置分布，該方法兼顧了數(shù)值計算穩(wěn)定性以及擬合曲線的平滑性[13]。AARTSEN 對放置在拖線陣固定位置處的深度和航向傳感器進(jìn)行連續(xù)測量，結(jié)合聲學(xué)傳感器獲取得到的沖擊信號計算估計陣形，并選取本船機(jī)動的情況對該法進(jìn)行驗(yàn)證[14]。FELISBERTO 對獲取的非聲傳感器（傾斜儀、加速度計、壓力傳感器）數(shù)據(jù)做插值得到估計陣形，可解決左右舷分辨模糊的問題[15]。PARK H Y 采用迭代樣條插值法擬合陣形，仿真試驗(yàn)表明，選擇5 階插值多項(xiàng)式，可在保證陣形估計精度的同時，最大程度地減少計算復(fù)雜度[16]。CHO C G 根據(jù)航向傳感器數(shù)據(jù)，采用最小二乘多項(xiàng)式擬合法得到了估計陣形，可在一定程度上補(bǔ)償陣形畸變帶來的增益損失[17]。焦君圣采用改進(jìn)的多項(xiàng)式擬合法，修正了陣形擾動較大時，陣形畸變橫坐標(biāo)近似等于直線陣橫坐標(biāo)帶來的位置誤差[18]。

流體力學(xué)法方面，GRAY D A 基于Paidoussis方程構(gòu)建了柔性拖線陣在水中的運(yùn)動姿態(tài)方程，通過對拖線陣空間離散化，采用有限差分法求解Paidoussis 方程，再結(jié)合卡爾曼濾波得到不同時刻拖線陣位置分布[19]。Paidoussis 方程解算陣形的原理是認(rèn)為拖線陣在水中拖曳時，拖點(diǎn)處的擾動不斷傳導(dǎo)至整個拖線陣。當(dāng)擾動波長與基陣長度相當(dāng)時，該擾動基本可以無衰減地傳導(dǎo)至拖線陣尾端。理論上講，只要確定拖點(diǎn)處的運(yùn)動機(jī)制或者僅需要拖點(diǎn)處的航向、深度等信息，即可估計完整的陣形。不過，當(dāng)拖船遭遇急轉(zhuǎn)向或者拖線陣處于穩(wěn)定的海流干擾下，該方法的陣形估計精度較差，并存在相位滯后的現(xiàn)象，不能做到實(shí)時陣形估計。對此，NIKITAKOS 提出的自適應(yīng)多模分割算法更能適應(yīng)本船急轉(zhuǎn)向的情況，陣形估計的誤差更小[20]。NEWHALL 采用改進(jìn)型Kalman 濾波法，克服了相位滯后的缺點(diǎn)[21]。LU F 仿真試驗(yàn)了利用拖線陣尾部航向傳感器信息可進(jìn)一步修正拖船航速變化引起的陣形估計與傳感器測量值的偏差[22]。

2 陣形估計技術(shù)存在的問題及建議

梳理現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，聲學(xué)與非聲學(xué)陣形估計方法各有優(yōu)劣。聲學(xué)法可以標(biāo)定拖線陣絕對空間位置，不過其定位精度取決于輔助聲源信噪比。另外，大孔徑拖線陣由于具有較多的聲學(xué)水聽器，實(shí)時陣形預(yù)測無疑會大量增加計算負(fù)荷，這對硬件資源是較大考驗(yàn)。非聲學(xué)法中的插值擬合法獲取了航向、深度等信息，能夠?qū)崟r得到陣形的整體變化趨勢，不過估計準(zhǔn)確度不如聲學(xué)方法。流體力學(xué)法在引入拖纜運(yùn)動學(xué)方程后，也存在運(yùn)算量大、實(shí)時性差的問題。因此，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)與非聲學(xué)陣形估計法的有效結(jié)合，將是未來陣形估計技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。而在具體實(shí)現(xiàn)上，可以引入人工智能領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)等方法，在盡可能多地獲取聲學(xué)與非聲數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)數(shù)據(jù)處理算法或者引入分布式計算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的實(shí)時分析，并提取出估計陣形所需的主要特征數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

低頻、大孔徑拖線陣由于對潛艇具有良好的探測性能而越來越受到重視。海洋環(huán)境變化的復(fù)雜性以及本船機(jī)動等原因，使得拖線陣在水中的姿態(tài)愈來愈難以受控。加之潛艇較低的輻射噪聲以及靈活機(jī)動的特點(diǎn)，都極大地增加了對艇探測的難度。因此，在被動探測中，只有實(shí)時、準(zhǔn)確地獲取拖線陣陣形位置信息，才能最大限度地減少主瓣寬度以及旁瓣高度，使得潛艇等微弱目標(biāo)不至于淹沒在背景噪聲或旁瓣干擾中，從而增大潛艇探測的概率。未來，隨著陣形估計算法的更新迭代以及計算機(jī)運(yùn)算性能的提升，相信陣形估計的實(shí)時性和準(zhǔn)確性問題將得到有效解決。