基于拖曳线列阵转向的波束形成方向向量估计∗

时间：2023-03-09 21:40:03　来源：柠檬阅读网本文已影响人

杨美娇韩东

（1.海军大连舰艇学院学员五大队大连 116018）（2.海军大连舰艇学院信息系统系大连 116018）

拖曳线列阵声纳是探测低频、隐蔽性目标的重要工具。它在对目标进行方位估计时，经常需要改变航向，此时柔性拖线阵列也随之转向，这就需要实时对阵形进行估计和校准，从而提高估计准确度。

拖曳线列阵阵形估计方法主要分为两类：一种是非声学阵形估计法，即在阵列的不同位置安装姿态传感器，利用动力学方程及状态空间模型对阵形进行估计［1～6］。这类方法的缺点是对传感器的测量精度要求高，所需计算量很大，在实际工程应用中难以应用。另一种是基于声学计算的阵形估计方法，即对接收信号进行相应的信号处理从而估计阵形［7～13］。这类方法不需要依靠阵形的先验知识，能够较好地适应水声环境变化，但缺陷是计算复杂，误差较大［14］。总体来看，对于拖曳线列阵阵形估计和校准问题，还处于理论研究阶段，没有大规模应用到实际工程中［15～22］。

拖曳线列阵阵形估计和校准的前提是获得准确的阵列方向向量。本文以平台转向为背景，通过建立数学模型，得到了阵列方向向量的估计表达式，实现了阵列方向向量的实时校准。

2.1 平台转向的临界时刻

图1 转向的4个临界时刻

2.2 各阶段方向向量

拖曳线列阵声纳的目标方位估计是建立在接收信号为远场平面波假设条件下的。考虑拖曳线列阵是均匀的，θ表示远场平面波入射方向，可得到：

1）当0≤t≤t0时，阵列还未到达转向的圆环，呈标准的线列阵排列如图2所示。

图2 转向阶段1示意图

此时方向向量为

2）当t0

图3 转向阶段2示意图

3）当t1

图4 转向阶段3示意图

4）当t2

图5 转向阶段4示意图

5）当t>t3时，最后一个阵元已出圆环，所有阵元都位于圆环切线上，呈一条均匀线列阵排列，如图6所示。

图6 转向阶段5示意图

此时方向向量为

假设拖曳线列阵是均匀的，阵元数N=32个，阵元间隔d=8m，信号中心频率为93.75Hz，声速c=1500m/s，平台（阵列）运动速度v=10节，转弯半径r=0.25海里，转向角度α=20°，基准时刻t0=0s，θ=[- 90°,270°]。

图7给出了临界时刻t0、t1、t2、t3的值。

图7 临界时刻值

随着时间 t的增加（这里分别取0s、20s、40s、60s、80s），可得到对应转向阶段的阵列流形矩阵，阵列流形的实部可以验证阵列在转向过程中是否存在畸变，以及畸变的程度。图8（a）～（e）绘制出了阵列流形的实部。其中，子图上半部分是阵列流形实部的结果，下半部分是阵列流形每一行中实部部分的局部极大值点结果。

图8 0s～80s中，阵列流形实部值及其局部极值点

在拖曳线列阵进行阵形估计前对阵列方向向量进行实时校准具有重要价值。文中给出了平台转向过程中4个临界时刻和5个转向阶段模型，分析计算得到了各阶段的方向向量估计表达式，并通过仿真验证了该方法可有效对阵列方向向量进行实时校准。

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