徐 瑜, 唐 波, 苑秉成

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水下目標(biāo)回波亮點(diǎn)高分辨方位估計(jì)與仿真

徐 瑜, 唐 波, 苑秉成

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

水下目標(biāo)回波亮點(diǎn)識別技術(shù)是現(xiàn)代聲納系統(tǒng)與水聲對抗的一個(gè)極為重要的組成部分。基于單源方位精估的短脈沖切割方法, 對于發(fā)射信號為長脈沖以及正橫中軸方位下的目標(biāo)回波亮點(diǎn)方位估計(jì)效果較差。因此研究基于多源的水下目標(biāo)回波亮點(diǎn)高分辨方位估計(jì)方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文重點(diǎn)研究了水下目標(biāo)回波亮點(diǎn)高分辨方位估計(jì)方法, 首先采用基于共軛倒序陣蓋氏圓準(zhǔn)則的方法對目標(biāo)回波進(jìn)行解相干和亮點(diǎn)數(shù)估計(jì), 然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)回波空間譜估計(jì)以獲得目標(biāo)亮點(diǎn)的方位。在具體仿真過程中, 采用板塊元散射方法仿真目標(biāo)回波, 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高分辨方位估計(jì), 取得了較好的仿真效果。結(jié)果表明, 本文的研究對于正橫中軸方位的潛艇目標(biāo)識別具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

水下目標(biāo); 高分辨方位估計(jì); 板塊元算法; 共軛倒序陣; 蓋氏圓; 亮點(diǎn)數(shù)估計(jì)

0 引言

隨著水聲技術(shù)的發(fā)展, 對抗和反對抗技術(shù)也相應(yīng)迅速發(fā)展, 各種人工對抗干擾器材在模擬潛艇的輻射噪聲、反射回波、運(yùn)動狀態(tài)等一系列目標(biāo)特征方面取得了顯著進(jìn)展。由于魚雷武器自動檢測、跟蹤、向目標(biāo)導(dǎo)引的能力主要依靠聲學(xué)自導(dǎo), 因此可以說魚雷目標(biāo)識別的主要目的是對抗模擬潛艇特性的聲誘餌。盡管聲誘餌等對抗器材在魚雷聲自導(dǎo)的發(fā)射信號回波等部分特征的模擬越來越真實(shí), 但與真實(shí)潛艇相比, 其尺度信息卻無法加以精確模擬, 因此研究水下目標(biāo)回波的空間結(jié)構(gòu)對于水下目標(biāo)識別技術(shù)具有重大意義。

目前, 對水下目標(biāo)進(jìn)行尺度識別的一種通用方法是采用雙通道短時(shí)互譜法, 得到目標(biāo)的方位走向特征來進(jìn)行目標(biāo)尺度識別[1]。但分裂波束互譜法是基于單源方位精估的短脈沖切割方法。當(dāng)使用較長脈沖時(shí), 由于亮點(diǎn)回波之間會發(fā)生重疊, 因此在對目標(biāo)回波進(jìn)行時(shí)域分割之后仍然會有部分子回波中包含有2個(gè)以上的目標(biāo)方位信息。特別是處在正橫方位陣位探測目標(biāo)的情況下, 基于單源的方位精估方法識別能力就更差。在這種情況下, 就需要采用基于多源的目標(biāo)回波高分辨方位估計(jì)方法, 但該類方法要求目標(biāo)信源個(gè)數(shù)已知[2]?；诖? 本文重點(diǎn)研究了水下目標(biāo)回波亮點(diǎn)數(shù)估計(jì)方法, 以板塊元散射方法仿真的潛艇目標(biāo)回波為研究對象, 采用基于共軛倒序陣的蓋氏圓準(zhǔn)則對仿真的目標(biāo)回波進(jìn)行解相關(guān)和亮點(diǎn)數(shù)估計(jì), 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)回波空間譜估計(jì)。

1 陣列仿真模型

求解目標(biāo)參數(shù)估計(jì)問題時(shí), 陣元基陣一般可以具有任意幾何形狀。絕大多數(shù)算法都是針對這種信號源與基陣共處一個(gè)平面的情況而提出的。對陣元基陣幾何形狀的最常見約束是單元陣元均勻地分布在一條直線上, 即均勻分布線列陣。基陣的這種幾何構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單, 工程中易于實(shí)現(xiàn)。

圖1 均勻線列陣示意圖

2 蓋氏圓準(zhǔn)則的目標(biāo)回波信源數(shù)估計(jì)

蓋氏圓方法是一種不需要具體知道協(xié)方差矩陣特征值數(shù)值的信號源數(shù)目估計(jì)方法, 即利用蓋氏圓盤定理, 就可以估計(jì)出各特征值的位置, 進(jìn)而估計(jì)出信號源。

蓋氏圓盤定理: 設(shè)=(a)為任一階復(fù)數(shù)矩陣, 則的特征值都在復(fù)數(shù)平面上的個(gè)圓盤

|-a|≤R(=1,2,…,) (4)

的并集內(nèi), 且這里的

用生成的酉矩陣對接收信號的協(xié)方差矩陣作酉變換

式中,()是一個(gè)與快拍數(shù)有關(guān)的調(diào)整因子, 它在0與1之間選取, 當(dāng)快拍數(shù)趨于無窮大時(shí)其取0; 在有限取樣數(shù)據(jù)情況下, 其取值應(yīng)在[0, 1],的取值范圍為1,2,…,-2, 當(dāng)從小到大時(shí), 假設(shè)GDE()第1次出現(xiàn)負(fù)數(shù)時(shí)的數(shù)為0, 則信號源數(shù)為=0-1。

理想情況下均勻線列陣信號的協(xié)方差矩陣具有Toeplitz的性質(zhì)。但是由于各亮點(diǎn)回波信號之間存在相關(guān)性, 從而導(dǎo)致矩陣秩的退化, 信號協(xié)方差矩陣將不再是Toeplitz矩陣。因此, 如果使陣列信號協(xié)方差矩陣逼近與其最為相似的Toeplitz矩陣, 就可以去除各亮點(diǎn)信號之間的相關(guān)性。

設(shè)接收線列陣輸出信號的協(xié)方差矩陣為

該方法主要分為以下4步。

2) 把原始信號協(xié)方差矩陣與共軛倒序信號協(xié)方差矩陣的和作為去相關(guān)后的協(xié)方差矩陣;

3) 對陣列協(xié)方差矩陣用Toeplitz近似進(jìn)一步去除信號之間的相關(guān)性;

3 相干源高分辨方位估計(jì)

4 數(shù)值計(jì)算與仿真

4.1 潛艇目標(biāo)幾何建模

為方便計(jì)算, 本文以標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型(BeTSSi- Sub)為主要研究對象[4]。該模型將潛艇目標(biāo)模擬為幾個(gè)簡單形狀目標(biāo)的組合, 用半橢球體來模擬艇艏, 圓柱體模擬艇體, 艇艉為圓錐體, 指揮臺圍殼前半部為半橢圓體, 后半部為錐體, 水平艉舵與垂直艉舵端面均為前半部半橢圓體, 后半部錐體。具體參數(shù)為: 艇全長62m, 艇體直徑7.5 m, 前端半橢球體的長度為7m, 中段圓柱體的長度為44.6 m, 后端錐體的長度為11.4 m。艦橋中心距艇艏頂點(diǎn)22.85m處, 前端半橢球體長半軸為3.85 m, 短半軸為2.2m。在實(shí)際建模時(shí), 先借助AutoCAD軟件對目標(biāo)進(jìn)行幾何建模, 然后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2給出了AutoCAD建模后的結(jié)果, 并根據(jù)聲納系統(tǒng)與目標(biāo)之間的相對位置關(guān)系, 建立了直角坐標(biāo)系。

圖2 潛艇目標(biāo)幾何模型

4.2 仿真結(jié)果與分析

圖3給出了采用板塊元散射算法仿真的潛艇目標(biāo)回波, 從圖中可以看出, 由于目標(biāo)各亮點(diǎn)回波之間的時(shí)延非常小, 目標(biāo)回波在時(shí)域沒有體現(xiàn)出明顯的包絡(luò)起伏。圖4分別給出了采用基于共軛倒序陣蓋氏圓準(zhǔn)則的蓋氏圓半徑分布圖(以其中最大的蓋氏圓半徑為基準(zhǔn)對各蓋氏圓半徑作歸一化處理)和使用MUSIC方法得到的空間譜分布圖, 從蓋氏圓半徑分布圖可以看出, 目標(biāo)回波體現(xiàn)了2個(gè)較強(qiáng)亮點(diǎn)的方位信息, 從亮點(diǎn)的方位來進(jìn)行分析, 分別對應(yīng)的是艦橋亮點(diǎn)和艇艉亮點(diǎn)。

圖3 正橫中軸情況下的潛艇目標(biāo)仿真回波

圖4 基于共軛倒序陣蓋氏圓準(zhǔn)則的亮點(diǎn)數(shù)和空間譜估計(jì)

5 結(jié)束語

分裂波束互譜法是基于單源方位精估的短脈沖切割方法。當(dāng)使用較長脈沖時(shí), 由于亮點(diǎn)回波之間會發(fā)生重疊[7], 采用分裂波束互譜法進(jìn)行方位走向估計(jì)就會產(chǎn)生較大的誤差?；诖? 本文重點(diǎn)研究了基于共軛倒序陣蓋氏圓準(zhǔn)則進(jìn)行水下目標(biāo)回波亮點(diǎn)數(shù)和空間譜的估計(jì)方法, 采用板塊元散射算法仿真的正橫方位下的標(biāo)準(zhǔn)潛艇回波數(shù)研據(jù)為究對象進(jìn)行了亮點(diǎn)數(shù)估計(jì)與空間譜估計(jì)的仿真試驗(yàn)。仿真取得了較好的效果。本文的研究對于正橫中軸方位的潛艇目標(biāo)尺度識別具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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High-Resolution DOA Estimation Algorithm for Underwater Target Echo Highlight with Simulation

XU Yu, TANG Bo, YUAN Bing-cheng

(Department of weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Underwater target echo highlight identification technology is a very important part for modern sonar system and underwater acoustic countermeasure. However, when transmit signal is long pulse or the sonar system is located at abeam bearing, the estimation algorithm of underwater target echo highlight direction of arrival(DOA) based on single-source based short pulse split theory is inefficient. Therefore, a multi-source based high-resolution DOA algorithm for underwater target echo highlight is proposed in this paper. The received echo signal is de-correlated and the echo highlight number is estimated by the Gerschgorin radii-based estimator based on the reverse conjugate array, and then the underwater target echo highlight direction is estimated with the space spectrum estimation method. Moreover, underwater target echo is simulated with the planar element method for high-resolution DOA estimation. Simulation verifies the proposed method is efficient for recognition of submarine target at abeam bearing.

underwater target; high-resolution direction of arrival(DOA) estimation; planar element method; reverse conjugate array; Gerschgorin radii; highlight number estimation

TJ630.34; TN911

A

1673-1948(2012)03-0190-05

2011-08-31;

2011-09-26.

徐 瑜(1983-), 男, 在讀博士, 研究方向?yàn)檐娪媚繕?biāo)特性與制導(dǎo)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)