銳波束形成技術(shù)在圓柱陣被動聲納中的應(yīng)用

丁明惠

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 第1研究室，云南 昆明 650051)

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銳波束形成技術(shù)在圓柱陣被動聲納中的應(yīng)用

丁明惠

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 第1研究室，云南 昆明 650051)

水下被動跟蹤系統(tǒng)是通過分析和處理目標(biāo)輻射的噪聲對目標(biāo)進(jìn)行定位，目前對于水面、水下等目標(biāo)的被動跟蹤均已得到實(shí)際應(yīng)用。文中針對海上多目標(biāo)和弱目標(biāo)被動跟蹤問題，采用了圓柱陣銳波束形成方法，通過對圓柱陣采集的信號進(jìn)行銳波束形成，減小波束主瓣寬度，同時(shí)壓低副瓣。給出了Matlab仿真和實(shí)際應(yīng)用情況，結(jié)果表明，使用該方法圓柱陣的多目標(biāo)分辨能力得到明顯提高。

銳波束形成技術(shù)；圓柱陣；雙目標(biāo)分辨

波束形成技術(shù)一直是現(xiàn)代聲納的核心技術(shù)內(nèi)容之一，波束形成技術(shù)能改善聲納系統(tǒng)的技術(shù)性能，有效提高聲納的作用距離，最簡單也是最常用的波束形成技術(shù)為常規(guī)波束[1-3]，但常規(guī)波束形成的主瓣較寬，副瓣級較高，不利于多目標(biāo)分辨和弱目標(biāo)檢測[4-5]。為此，水聲工程人員不斷研究和探索既能使主瓣尖銳，又能使副瓣級變低的其他波束形成方法，出現(xiàn)了一些如銳波束、自適應(yīng)波束形成等技術(shù)[6-7]。

線列陣銳波束形成技術(shù)能在給定線列陣的條件下，降低波束主瓣寬度，同時(shí)壓低旁瓣，具有計(jì)算簡單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。在綏中36-1油田安防系統(tǒng)中，被動監(jiān)測聲納采用了圓柱形基陣以實(shí)現(xiàn)360°測向，油田區(qū)域生產(chǎn)平臺及作業(yè)船只較多，為提高多目標(biāo)分辨能力，把銳波束形成技術(shù)應(yīng)用于圓柱陣被動聲納上，獲得了較好的效果[8-10]。

文中推導(dǎo)了圓柱陣銳波束形成技術(shù)的理論公式，并在海上鉆井油田區(qū)域進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用銳波束形成技術(shù)，圓柱陣的多目標(biāo)分辨能力得到明顯提高，銳波束形成技術(shù)在圓柱形被動聲納基陣上具有較好的應(yīng)用前景。

1 理論推導(dǎo)

1.1 線列陣常規(guī)波束形成原理

圖1 線列陣示意圖

線列陣通常由一組全向陣元組成，如圖1所示。陣元在位置Pn(n=0,1,…,N-1)上對信號進(jìn)行空間采樣。將每個(gè)陣元的輸入信號加以延時(shí)，使之在時(shí)間上對齊，然后將其相加求和輸出，即為延時(shí)求和波束形成，也稱常規(guī)波束形成。

圖2 線列陣銳波束形成原理

若先將圖1所示的線列陣平均分成兩部分，分別對左、右兩邊的換能器陣進(jìn)行常規(guī)波束形成。假設(shè)左、右兩半線列陣各自的常規(guī)波束輸出分別為RL和RR。則常規(guī)波束形成輸出為

|S|=|RL+RR|

(1)

對兩半線列陣的輸出求差，|D|=|RL-RR|，求差波束是右半波束信號與左半波束信號考慮信號相位后進(jìn)行相減得到的幅度值。線列陣陣的銳波束方程為

RHyp=|RL|+|RR|-|D|

(2)

1.2 圓柱陣銳波束形成原理

假設(shè)半徑為R的圓柱上均勻排列著M個(gè)水聽器，從S到T號的水聽器輸出信號相加形成0°方向的波束，若以圓心O為各水聽器時(shí)間補(bǔ)償?shù)膮⒖键c(diǎn)，則第i號水聽器的時(shí)間補(bǔ)償可寫為[11]

(3)

其中，c為聲速。

水聽器輸出的模擬信號經(jīng)A/D采樣后，時(shí)間補(bǔ)償具有不連續(xù)性，最小時(shí)間補(bǔ)償為Ts，則上式可改寫為

(4)

令

(5)

則τi=n·Ts，其中int[·]表示對[·]里的內(nèi)容取整。

相對參考點(diǎn)O，第i點(diǎn)提前接收到信號的時(shí)間為

(6)

圖3 圓弧陣波束形成示意圖

(7)

令

(8)

則

(9)

對于入射方向?yàn)?的平面波，其在參考點(diǎn)O處的信號記為s(t)，離散后表示為s(n)，則第i路水聽器的信號經(jīng)離散補(bǔ)償后，可表示為

(10)

對于從S到T號水聽器組成的圓弧陣，左半圓弧陣波束輸出信號可寫為[12]

(11)

右半圓弧陣波束輸出信號為

(12)

對兩半圓弧陣的輸出信號求差，得到圓弧陣的差波束為

|SD(n,θ)|=|SL(n,θ)-SR(n,θ)|

(13)

則從S到T的水聽器組成的圓弧陣銳波束方程為

RHyp=|RL|+|RR|-|D|

(14)

SRHyp=|SL(n,θ)|+|SR(n,θ)|-|SD(n,θ)|

(15)

2 Matlab仿真

若線列陣陣元個(gè)數(shù)N=26，陣元間距d=0.1 m，則線列陣孔徑為D=2.5 m，以中心頻率f0=3 kHz進(jìn)行波束形成，常規(guī)波束和銳波束的波束圖比較如圖4所示，常規(guī)波束的主瓣寬度約為9.8°，第一副瓣級約為-13 dB；銳波束的主瓣寬度為4°，第一副瓣級約為-20 dB。

對于圓弧陣，若陣元個(gè)數(shù)N=26,陣元角度間隔θ=4.5°，圓弧半徑r=1.51 m，則圓弧陣孔徑約為D=2.51 m，同樣以中心頻率f0=3 kHz進(jìn)行波束形成，常規(guī)波束和銳波束的波束圖比較如圖5所示，常規(guī)波束的主瓣寬度約為9.2°，第一副瓣級約為-10.6 dB；銳波束的主瓣寬度為3.8°，第一副瓣級約為-16 dB。

圖4 線列陣波束圖

圖5 圓弧陣波束圖

3 實(shí)際應(yīng)用

中國海洋石油公司某油田安防系統(tǒng)被動監(jiān)測聲納采用帶空腔障板的圓柱形基陣，基陣上水平方向以4.5°為間隔安裝80根棒形水聽器，圓柱陣直徑為3.06 m，如圖6所示[13-15]。通過波束輸出對360°方向上的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，在水平面內(nèi)均勻形成了80個(gè)波束，每次波束形成時(shí)利用了26個(gè)陣元。

圖6 圓柱形被動監(jiān)測聲納

在海上調(diào)試過程中，分別采用常規(guī)波束和銳波束形成方法實(shí)時(shí)對油田區(qū)域船只進(jìn)行監(jiān)測及測向。

圖7為多個(gè)目標(biāo)間隔較遠(yuǎn)時(shí)常規(guī)波束形成和銳波束形成方法的波束能量圖，對比圖7(a)和圖7(b)可以看出，常規(guī)波束和銳波束形成技術(shù)對目標(biāo)的測向結(jié)果一致，但銳波束的波束能量圖的目標(biāo)更突出，更易分辨。由圖7可見，有3個(gè)目標(biāo)的輻射噪聲較強(qiáng)，另有6個(gè)目標(biāo)的輻射噪聲較弱，在225°～270°方向上，采用常規(guī)波束僅能分辨一個(gè)弱噪聲目標(biāo)，而采用銳波束，能明顯分辨出兩個(gè)弱噪聲目標(biāo)。

圖7 多個(gè)目標(biāo)間隔較遠(yuǎn)的分辨情況

圖8為兩艘方位角間隔約為10°的近距離作業(yè)船只的波束能量圖。圖8(a)為采用常規(guī)波束方法的波束能量圖，由圖可見，僅能分辨43°方向上的船只；圖8(b)為采用銳波束方法的波束能量圖，除了43°方向上的船只外，還能分辨出53°方向上的船只。由于兩作業(yè)船只噪聲較大，油田區(qū)域的鉆井平臺及遠(yuǎn)距離船只等弱信號已經(jīng)被以上兩船只噪聲湮沒，波束能量圖上已無法分辨。

圖8 方位角相差10°的兩船只分辨情況

4 結(jié)束語

銳波束形成技術(shù)能在不改變基陣物理結(jié)構(gòu)的情況下，減小波束主瓣寬度，同時(shí)壓低副瓣，具有比常規(guī)波束更好的目標(biāo)分辨特性。文中推導(dǎo)了圓柱陣銳波束形成技術(shù)的理論公式，并在海上鉆井油田區(qū)域進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果表明，銳波束算法簡單，采用銳波束形成技術(shù)，圓柱陣的多目標(biāo)分辨能力得到明顯提高，銳波束形成技術(shù)在圓柱形聲納基陣上具有較好的應(yīng)用前景。

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The Application of Super Beam Formation Technology on Cylindrical Array Passive Sonar

DING Minghui

(First Research Room，Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

Underwater passive tracking system locates the targets by analyzing and processing the noise that the target radiated. At present, the passive tracking of surface and underwater target has been practical application. In this paper, aiming at the problem of passive tracking of multi targets and weak targets at sea, the cylindrical array super beam formation(SBF) method is adopted. By super beam forming the signal collected by cylindrical array, the beam width of the main lobe is reduced, and the side lobe is lowered. Finally, Matlab simulation and practical application are given. The results show that the multi-targets distinguishing capability of the cylindrical array is significantly improved by using this method.

super beam formation; cylindrical array; distinguishing of two target

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.008

2016- 02- 01

丁明惠(1986-)，男，碩士，工程師。研究方向：自主水下航行器控制。

TN911.7；TB556

A

1007-7820(2016)12-026-04