沈正一 汪晴

（第七一五研究所，杭州，310023）

拖曳線列陣聲吶是水面艦艇、潛艇的主要裝備之一，目標信號左右模糊是傳統(tǒng)拖曳線列陣的主要難題[1]。引入三元水聽器組設計線列陣后，可以在線列陣中線左右兩側位置獲得目標信號的采樣，進而利用左右兩側微小孔徑獲得的信號差異，使用特殊的波束形成方法，抑制目標鏡像方向的目標能量，獲得實時、無左右舷模糊的水平全波束能量輸出。

STMV方法是適用于寬帶信號，基于最小方差無失真原則的自適應波束形成方法。該方法使目標真實方向信號無失真通過，鏡像方向目標信號響應歸為干擾被自適應抑制。此方法可用于三元組線陣，將三元組三線陣波束形成與三子陣 STMV波束形成結合，從而在最終的多波束輸出中獲得無鏡像模糊的目標信號輸出。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)，當外部因素造成三元拖曳線陣發(fā)生大幅度的首尾不同扭轉時，按照三元組中三水聽器安裝通道號劃分子陣進行 STMV處理的多波束輸出的左右舷分辨能力會大幅下降甚至出現(xiàn)分辨錯誤。本文提出一種按照三元組上各水聽器滾轉后的實際位置重構子陣，再進行STMV處理。湖試結果證明，采用此方法后，當實際三元拖曳線陣發(fā)生大幅度首尾不同扭轉時，線陣的左右舷分辨結果正確且左右舷抑制能力優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

1 子陣重構左右舷分辨方法

1.1 STMV方法介紹

針對寬帶信號的場景，Krolik和 Swingler在Capon 的最小方差無畸變波束形成方法（Minimum Variance Distortion Less Response，MVDR）基礎上，提出了導向最小方差波束形成STMV[2]。STMV是基于導向協(xié)方差矩陣（Steered Covariance Matrix，STCM）對不同頻點的互譜密度矩陣進行相干積累，計算寬帶空間譜。STMV利用聲場的空-時統(tǒng)計特性，在一定帶寬下僅需少量快拍數(shù)就能實現(xiàn)快速收斂，可以在獲得寬帶增益的同時減少收斂所需時間[3-4]。

1.2 三元線陣坐標系的STMV左右舷分辨方法

首先建立三元線陣在三維直角坐標系中的位置模型[5]，見圖1。該線陣水平方向由N個三元組部件組成，每個部件有三個無指向性水聽器。三個水聽器均勻分布在一個半徑為r的圓周上，其兩兩連線形成一個等邊三角形。三元組中心水平間距為d，橫滾為βn。

圖1 三維直角坐標系中三元線陣示意圖

1.3 STMV左右舷分辨方法的抗線陣扭轉改進

由于線陣背景噪聲有很強的相關性，且不同側噪聲相關性不同。因此在三元拖曳線陣發(fā)生大幅度的首尾不同扭轉時，各三元組相同安裝序號的水聽器可能會出現(xiàn)在線陣左右兩側。此時背景噪聲的改變會降低STMV方法的左右舷分辨能力，甚至造成左右舷分辨錯誤。本文的解決方法是，按照各三元組橫滾后的水聽器實際左右位置確定其歸屬子陣，進行子陣重排，使得三線子陣中構成子陣的水聽器在線陣左右的同側。具體處理步驟如下。

步驟1子陣重排目標的確立。兩種通道重排后的子陣劃分方案見圖2。合理的選擇重排目標，可使重排后劃分出的子線陣橫滾最小，在[-30°,30°]之間。

圖2 兩種子陣劃分方法

2 實際數(shù)據(jù)處理

為驗證本文介紹的扭轉線陣左右舷分辨方法的正確性和實際效果，對某次湖試數(shù)據(jù)進行處理和分析。下文提到的左右舷抑制比是用來比較不同方法的左右舷分辨能力[6]，抑制比越大，左右舷分辨能力越強。

湖試使用的線陣由60個0.6 m等間距均勻分布的三元組水聽器構成，其中每個三元組上三個水聽器兩兩間距為0.06 m。三元組水聽器編號從0開始，橫滾傳感器安裝在4、9、12、20、28、36、41、44、53、58號三元組水聽器位置。聲源發(fā)射的目標信號為1 s脈寬、1000～1500 Hz帶寬的寬帶脈沖信號。信號從水平方向相對陣首的右舷81°方向入射。湖試中，將三元組線陣的首端固定后，在陣尾端施加人為扭轉。通過線陣上安裝的橫滾傳感器可知，陣尾端相比首端共扭轉約2圈?？紤]到線陣柔性和受力均勻，因此假設橫滾值隨距離線性變化。用一次最小二乘擬合法，計算得到所有三元組水聽器的橫滾值。橫滾實測和三元組位置的橫滾擬合值見圖3所示。

圖3 橫滾實測值和各三元組處橫滾擬合值

數(shù)據(jù)處理中使用1.2節(jié)介紹的STMV方法進行左右舷分辨的波束形成。在STMV的具體實現(xiàn)中，按照子陣劃分和使用橫滾值的不同，分為三種不同實現(xiàn)方法：

方法 1，按本文 1.2節(jié)中方法進行全方位波束形成。其中按照三元組中水聽器安裝序號劃分三條子陣，各三元組的橫滾值取為所有橫滾傳感器測量值的均值；

方法 2，按本文 1.2節(jié)中方法進行全方位波束形成，其中按照三元組中安裝序號劃分三條子陣，各三元組的橫滾值取由橫滾傳感器擬合得到的值（圖3）；

方法3，按本文1.3節(jié)中方法進行全方位波束形成，其中，三元組的橫滾值取由橫滾傳感器擬合得到的值（圖3），再以此進行子陣重構和橫滾值修正。

三種方法的全方位波束輸出功率幅度和目標/鏡像方向的左右舷抑制比結果見圖4與表1。從圖表中可見，本文方法在目標方位估計正確的前提下，有最佳的左右舷抑制比。

圖4 三種數(shù)據(jù)處理方法的全方位波束輸出能量

表1 三種方法的輸出左右舷抑制比

3 結論

本文介紹了一種可用于扭轉后的三元線列陣的目標左右舷分辨方法。方法按照橫滾后各個三元組中每個水聽器實際的空間位置進行三子陣分割，再在重新分割后的三子陣數(shù)據(jù)上進行各子陣的波束形成和三子陣的STMV處理。此處理方法可以在線陣首尾發(fā)生不同扭轉時，提供正確的左右舷處理結果和比其它方法更好的左右舷抑制比，為扭轉的三元線陣提供有效的目標左右舷分辨能力。