基于拖曳线列阵转向的波束形成方向向量估计_杨美娇.pdf

总第341期1引言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16。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713。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，没有大规模应收稿日期：2022年5月12日，修回日期：2022年6月26日基金项目：国家自然科学基金项目（编号：11374001）；博士后基金项目（编号：2015M581182）；基础加强计划技术领域基金项目（编号：2019-JCJQ-JJ-036）资助。作者简介：杨美娇，女，硕士研究生，研究方向：基于空域矩阵滤波技术的水声信号处理。韩东，男，博士，教授，研究方向：水下信号处理。基于拖曳线列阵转向的波束形成方向向量估计杨美娇1韩东2（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）摘要拖曳线列阵声纳是探测水下目标的重要装备。在实际使用时，由于探测盲区的存在，需要经常改变平台航向，从而实施对目标的探测与稳定跟踪。然而，平台转向会引起拖曳线列阵阵形畸变，使得实际接收的阵列数据与理想接收的阵列数据存在较大误差，导致目标方位估计不准。基于此，文中给出了平台转向过程中5个转向阶段的模型及方向向量估计表达式。仿真结果验证了表达式的正确性。通过该方法校准的方向向量为后续目标方位估计性能的提高奠定了基础。关键词拖曳线列阵；阵形估计；平台转向；方向向量；波束形成中图分类号TN911.7DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2022.11.037Estimation of Beamforming Direction Vector Based on Steering ofTowed Linear ArrayYANG Meijiao1HAN Dong2（1.Midshipmen Group Five，Dalian Naval Academy，Dalian116018）（2.Department of Information System，Dalian Naval Academy，Dalian116018）AbstractTowed linear array sonar is an important equipment for detecting underwater targets.In actual use，due to the existence of the detection blind zone，it is necessary to change the course of the platform frequently，so as to detect and stably track thetarget.However，platform steering will cause the shape deformation of the towed linear array，resulting in a big difference betweenthe actual received array data and the ideally received array data.This can lead to inaccurate target bearing estimates.Therefore，themodels and direction vector estimation expressions of the five stages in the platform steering process are given in this paper.The simulation results verify the correctness of the expressions.The direction vectors calibrated by this method can lay a foundation for thesubsequent improvement of target orientation estimation performance.Key Wordstowed linear array，array shape estimation，platform steering，direction vector，beamformingClass NumberTN911.7舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 341 期2022 年第 11 期Vol.42 No.11172舰 船 电 子 工 程2022 年第 11 期用到实际工程中1522。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波束形成方向向量估计2.1平台转向的临界时刻平台转向过程中，转向圆弧上的阵列所对应的圆心角度数随时间变化，的取值可以将阵列转向分成5个阶段。定义各阶段交界点分别为时刻t0、t1、t2、t3，各时刻对应的阵列和转向圆环的位置关系如图1所示。可看出，随着阵列转向，共有4个临界时刻点，这4个时刻点是不同阶段之间的 相 交 时 刻。这 里，t0是 基 准，t1=t0+rv，t2=t0+()N-1 dv，t3=t0+()N-1 d+rv，其中v是平台（阵列）速度。（a）t0时刻（b）t1时刻（c）t2时刻（d）t3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，表示远场平面波入射方向，可得到：1）当0tt0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。此时方向向量为a()=exp02()N-1 dsin（1）2）当t0tt1时，阵列的一部分位于转向圆环上，另一部分呈直线与转向圆环相切，如图 3 所示。此时，位于圆环上的阵列长度所对应的圆心角为。当阵列转向角度达到最大值max=（是平台转向的最终角度），此时阵列在圆环上的长度达到最大值r。在此阶段，由0增大至。图2转向阶段1示意图图3转向阶段2示意图令k=()t-t0vd+1，表示下取整，k表示阵列 在 转 向 圆 环 上 的 最 后 一 个 阵 元 数；m=()m-1 dr1mk，m表示阵列位于第1和第k阵元之间的阵元数，m表示第1至第m阵元的阵列所在圆弧对应的圆心角；阵列在圆环上对应的圆心角=()t-t0vr。此时方向向量为a()=exp2r-cos+cos()-12r-cos+cos()-k2rcos()-cos-()t-t0v-kd sin()-2rcos()-cos-()t-t0v-Nd+d sin()-（2）3）当t1tt2时，阵列的第一个阵元出圆环，最后一个阵元未入圆环，如图4所示。此时，位于圆环上的阵列长度是r，也就是达到了最大值173总第341期max=，且此阶段保持不变。图4转向阶段3示意图令k=()t-t1vd+1，k表示阵列前段出圆环的最后一个阵元数；q=r+()t-t1vd+1，q表示阵列 在 转 向 圆 环 上 的 最 后 一 个 阵 元 数；m=()m-1 d-()t-t1vrk+1mq，m表示阵列位于转向圆环上的第1个阵元数k+1和第q阵元之间的阵元数，m表示阵列在转向圆环上的第一个切点至第m阵元的阵列所在圆弧对应的圆心角。此时方向向量为a()=exp02()k-1 dsin2-rcos+()t-t1vsin+rcos()-k+12-rcos+()t-t1vsin+rcos()-q2-rcos+()t-t1vsin+rcos()-+qd-()t-t0v sin()-2-rcos+()t-t1vsin+rcos()-+()N-1 d-()t-t0v sin()-（3）4）当t2t3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。此时方向向量为a()=exp02()N-1 dsin（5）杨美娇等：基于拖曳线列阵转向的波束形成方向向量估计174舰 船 电 子 工 程2022 年第 11 期图6转向阶段5示意图3仿真结果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=20，基准时刻t0=0s，=-90270。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。（a）0s时刻阵列流形实部及其局部极大值点（b）20s时刻阵列流形实部及其局部极大值点（c）40s时刻阵列流形实部及其局部极大值点（d）60s时刻阵列流形实部及其局部极大值点（e）80s时刻阵列流形实部及其局部极大值点图80s80s中，阵列流形实部值及其局部极值点175总第341期4结语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。参 考 文 献1Feng Lu，E.Milios，et al.New towed-array shape-estimation scheme for real-time sonar system J.IEEE Journalof Oceanic Engineering，2003，28（3）：552-563.2B.K.Newhall，J.W.Jenkins，J.E.G.Dietz.Improved estimation of the shape of towed sonar arrays C/IEEE Instrumentation&Measurement Technology Conference Proceedings，2003，2（1）：873-876.3Hee-Young Park，Dae-Hee Youn，et al.Evaluation ofthe calibration method using iterative spline interpolationfor array estimationC/IEEE Oceans，2004，1（40）：54-68.4罗薇，张攀.拖缆系统运动仿真 J.武汉理工大学学报，2005，29（5）：724-726.5焦君圣.本艇机动时拖曳阵的阵型估计及左右舷分辨方法 J.声学与电子工程，2007（4）：16-19，34.6J.L.Odom，J.L.Krolik.Passive towed array shape estimation using heading and acoustic data J.IEEE Journal ofOceanic Engineering，2015，40（2）：465-474.7B.G.Ferguson.Sharpness applied to the adaptive beamf