邱秀分 石文峰 孫春艷 申和平

(北京神州普惠科技股份有限公司 北京 100085)

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大孔徑光纖拖曳線列陣陣形估計(jì)對(duì)目標(biāo)測(cè)向精度的影響*

邱秀分 石文峰 孫春艷 申和平

(北京神州普惠科技股份有限公司 北京 100085)

由于艦船機(jī)動(dòng)和洋流的影響，拖曳線陣聲吶在水下的陣形畸變會(huì)導(dǎo)致探測(cè)精度的下降。論文利用姿態(tài)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合二次曲線擬合的方法進(jìn)行陣型估計(jì)，將波束形成后的目標(biāo)方位結(jié)果與GPS測(cè)得的目標(biāo)方位角進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)室和海試數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，陣形估計(jì)后的波束形成的目標(biāo)方位角較原始陣形估計(jì)結(jié)果更接近經(jīng)過(guò)修正后的GPS解算目標(biāo)方位角，最大測(cè)向誤差不大于2.5°。

光纖水聽(tīng)器； 大孔徑拖線陣； 陣形估計(jì)； 曲線擬合； 方位修正

Class Number TB565.1

1 引言

隨著海洋技術(shù)的日益進(jìn)步，水下基陣逐漸向低頻、多基元、長(zhǎng)陣列的方向發(fā)展。光纖水聽(tīng)器通過(guò)光學(xué)相干檢測(cè)將水聲振動(dòng)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，再經(jīng)過(guò)傳輸和信號(hào)處理提取出聲信號(hào)，具有靈敏度高、頻帶響應(yīng)寬、穩(wěn)定性好、便于多路復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)，且體積小、重量輕、可遠(yuǎn)距離測(cè)量，使得由其組成的陣列規(guī)模更大、探測(cè)頻率更低。但是由于艦船機(jī)動(dòng)和洋流的影響，拖曳線陣聲吶在水下易產(chǎn)生陣形畸變，從而使得后續(xù)的信號(hào)處理方法不滿足直線陣的理論假設(shè)，給水下目標(biāo)的定位方法帶來(lái)了較大誤差。

現(xiàn)有的拖曳陣陣形估計(jì)方法主要分為兩類：一類是聲學(xué)的方法，利用陣列接收到的聲吶信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，估計(jì)出畸變的陣形[1]；另一類是非聲學(xué)的方法，利用安裝在陣上的姿態(tài)傳感器的輸出經(jīng)過(guò)多項(xiàng)式擬合得到估計(jì)陣形。使用聲學(xué)的方法一般需要多維的迭代計(jì)算，計(jì)算量大，收斂速度慢，有時(shí)還需要輔助聲源的幫助，且校正后的陣型無(wú)法驗(yàn)證。利用姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的估計(jì)方法，無(wú)需知道任何先驗(yàn)信息就能確定出各陣元的相對(duì)位置，耗時(shí)短，可靠性高，更加適合工程實(shí)際。饒偉[2]提出了一種基于航向傳感器的特征分解的方法，對(duì)陣形進(jìn)行估計(jì)，只用少量的航向傳感器就能取得較高的估計(jì)精度，但是其在估計(jì)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差積累且不易消除。朱沛勝等[3]提出了利用自適應(yīng)Kalman濾波的方法對(duì)拖曳陣陣形進(jìn)行估計(jì),解決了傳統(tǒng)Kalman濾波由于外界作用力和擾動(dòng)未知導(dǎo)致無(wú)法直接應(yīng)用于陣形估計(jì)的問(wèn)題，但是其輸入信息較多，可能會(huì)增加實(shí)際成本。邢韜[4]提出了一種二次曲線擬合陣形的方法能夠快速估計(jì)出陣形，但是模型較為簡(jiǎn)單，未考慮實(shí)際使用過(guò)程中拖纜長(zhǎng)度對(duì)測(cè)向精度的影響。還有其他學(xué)者[5～10]也對(duì)此做了相關(guān)研究。目前大部分的研究成果都未經(jīng)海試的驗(yàn)證。

本文在上述基礎(chǔ)上，使用二次曲線擬合的方法[4]，加入對(duì)GPS測(cè)算角度校正的過(guò)程，利用仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和海試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，討論擬合及修正對(duì)目標(biāo)測(cè)向精度的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)陣形擬合與GPS測(cè)算角度修正的處理后，能夠有效減小聲吶陣的測(cè)向誤差。

2 目標(biāo)方位修正方法

2.1 基于二次曲線擬合估計(jì)陣形

拖曳線陣在艦船機(jī)動(dòng)和洋流的影響下，會(huì)產(chǎn)生一定的陣形畸變，引起測(cè)量角度的變化[11]。本文假設(shè)陣形的畸變模型近似為圓弧形。

(1)

其中，R表示弧線的半徑，η表示陣元偏離本船航向的角度。

本文的理論基礎(chǔ)為利用姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)得到的航向信息解算得到拖曳線列陣上安裝的姿態(tài)傳感器的斜率，利用二次拋物線擬合這兩點(diǎn)間的曲線，求得聲吶陣上每個(gè)水聽(tīng)器的相對(duì)坐標(biāo)[4]。

圖1 陣形畸變模型

2.2 GPS測(cè)量目標(biāo)方位角修正

聲吶所顯示的目標(biāo)方位角是以聲吶陣中心為參考。聲吶陣的陣中心與本船之間有較長(zhǎng)拖纜連接，在實(shí)際驗(yàn)證測(cè)向精度時(shí)以目標(biāo)GPS經(jīng)緯度與本船經(jīng)緯度進(jìn)行解算，而GPS天線與拖纜首部也有一定的空間間隔，如果不考慮這些空間位置誤差那么解算出的目標(biāo)方位角度精度會(huì)下降[11]。為了在驗(yàn)證聲吶測(cè)向精度中具有較精確的理論值，需要將GPS的測(cè)算的方位角進(jìn)行修正與聲吶陣測(cè)量結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合使用，則需要將目標(biāo)相對(duì)于本船的方位角轉(zhuǎn)化到相對(duì)于陣中心上，具體修正模型如圖2所示。

圖2 GPS解算方位角修正模型

可以觀察到θ0為聲源相對(duì)于本船的方位角，θ為轉(zhuǎn)化后聲源相對(duì)于陣中心的方位角，βH為船的航向角，βS為陣中心姿態(tài)傳感器的航向角。

可以得到聲源相對(duì)于本船的真北方位角：

αAzimuth=θ0+βH(αAzimuth∈[0,360°])

(2)

計(jì)算θ1的大?。?/p>

θ1=βS-αAzimuth(θ1∈[0,180°])

(3)

最后根據(jù)余弦定理：

(4)

可以得出GPS測(cè)量得到的聲源方位信息轉(zhuǎn)化到以聲吶陣中心為原點(diǎn)后的方位角：

(5)

這樣就將GPS測(cè)得的目標(biāo)方位角轉(zhuǎn)化到聲吶陣中心，以便與聲吶信息進(jìn)行對(duì)比。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證陣形擬合方法的精度，設(shè)計(jì)了陣形擬合精度的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：假設(shè)陣列共10個(gè)基元，將三個(gè)姿態(tài)傳感器分別放置陣首、陣中和陣尾，并用柔性細(xì)繩連接以陣首的姿態(tài)傳感器為原點(diǎn)建立XOY直角坐標(biāo)系，用一根繩索代表陣列，固定每個(gè)陣元位置，在繩子上用紅標(biāo)記，將姿態(tài)傳感器綁在繩子適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，通過(guò)改變繩子形狀，記錄每次紅標(biāo)記和姿態(tài)傳感器的橫縱坐標(biāo)，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置布放及畸變后的陣形

將直接記錄的紅色標(biāo)記的橫縱坐標(biāo)與通過(guò)姿態(tài)傳感器姿態(tài)角擬合估計(jì)得到的紅色標(biāo)記橫縱坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 實(shí)際陣形與估計(jì)陣形對(duì)比

按照同樣的方法繼續(xù)做2組實(shí)驗(yàn)，所得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室陣形估計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從表1所列出的數(shù)據(jù)可以看出，估計(jì)陣形與實(shí)際陣形的誤差百分比最大為4.9%。這些誤差有部分是由姿態(tài)傳感器的測(cè)量精度不足與人工讀數(shù)所引入的誤差造成的。

3.2 海試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性，利用一條大孔徑的光纖水聽(tīng)器進(jìn)行了海上拖曳試驗(yàn)。探測(cè)陣中安裝了三個(gè)姿態(tài)傳感器，均勻分布在陣列中。聲源船與測(cè)量船的GPS已知，可以計(jì)算得到聲源船相對(duì)于測(cè)量船的方位角。因此將GPS的測(cè)算方位角作為參考，來(lái)驗(yàn)證陣形估計(jì)對(duì)測(cè)向精度的改善情況。在此，以聲源船作為探測(cè)的目標(biāo)船，并且以其發(fā)射主動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。

圖5 陣形監(jiān)控示意圖

圖5為某一時(shí)刻的陣形監(jiān)控示意圖的俯視圖，在陣形畸變時(shí)，拖曳線列陣的陣首姿態(tài)傳感器的航向與測(cè)量船的航向是不一致的。在接下來(lái)的分析中，先利用測(cè)量船與聲源船的GPS計(jì)算出聲源船相對(duì)于測(cè)量船的方位角，然后考慮拖纜的長(zhǎng)度，利用陣中心姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算聲源船相對(duì)于陣中心姿態(tài)傳感器的方位角。將該方位角作為參考的方位角真值，分別與估計(jì)陣形的波束形成角度和未估計(jì)陣形的波束形成角度進(jìn)行比對(duì)。

某時(shí)刻實(shí)驗(yàn)發(fā)射了一組脈沖信號(hào)，利用測(cè)量船與聲源船的GPS計(jì)算出的聲源相對(duì)于第一個(gè)姿態(tài)傳感器的方位角為207.1°，目標(biāo)在左舷。選取脈沖到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行波束形成，陣形以及波束形成的結(jié)果如圖6所示。

圖6 估計(jì)的陣形及對(duì)測(cè)向精度的影響

從圖6可以看出，此時(shí)陣形偏離了7m左右。利用估計(jì)的陣形測(cè)得的方位與未估計(jì)的陣形測(cè)得的方位相差2°，估計(jì)的陣形測(cè)得的方位更接近于GPS的方位。

再次于另一時(shí)刻發(fā)射脈沖信號(hào)，利用測(cè)量船與聲源船的GPS計(jì)算出的聲源相對(duì)于第一個(gè)姿態(tài)傳感器的方位角為270.1°，目標(biāo)在左舷。選取脈沖到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行波束形成，陣形以及波束形成的結(jié)果如圖7所示。

圖7 估計(jì)的陣形及對(duì)測(cè)向精度的影響

從圖7可以看出，此時(shí)陣形偏離了16m左右。利用估計(jì)的陣形測(cè)得的方位與未估計(jì)的陣形測(cè)得的方位相差4°，同樣是估計(jì)的陣形測(cè)得的方位更接近于GPS的方位。

將海試結(jié)果進(jìn)行匯總，如表2所示。

表2中，未估計(jì)陣形時(shí)DOA與修正前GPS計(jì)算方位偏差為未估計(jì)陣形DOA減去修正前GPS計(jì)算方位角；未估計(jì)陣形時(shí)DOA與修正后GPS計(jì)算方位偏差為未估計(jì)陣形DOA減去修正后GPS計(jì)算方位角；估計(jì)陣形時(shí)DOA與修正前GPS計(jì)算方位偏差為估計(jì)陣形DOA減去修正前GPS計(jì)算方位角；估計(jì)陣形時(shí)DOA與修正后GPS計(jì)算方位偏差為估計(jì)陣形DOA減去修正后GPS計(jì)算方位角。

從以上分析結(jié)果來(lái)看，通過(guò)姿態(tài)傳感器進(jìn)行陣形估計(jì)后進(jìn)行波束形成測(cè)得的方位角更接近于GPS修正后的方位角。但是經(jīng)過(guò)陣形估計(jì)修正后得到的方位角與GPS計(jì)算得到的方位角仍然有最大到8.1°的誤差。本次海試聲吶陣列長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米，拖纜長(zhǎng)度更是接近千米。GPS測(cè)得的目標(biāo)方位是以GPS為原點(diǎn)，聲吶信息算得的目標(biāo)方位是以聲吶陣中心為原點(diǎn)，由于兩個(gè)中心距離較遠(yuǎn)，使得兩類信息計(jì)算的得到的方位角會(huì)有較大的偏差。

表2 經(jīng)過(guò)陣形估計(jì)前后目標(biāo)方位角對(duì)比

利用纜長(zhǎng)、陣長(zhǎng)、GPS測(cè)得的本船航向角、陣中心姿態(tài)傳感器輸出的航向角信息，將GPS測(cè)得的目標(biāo)方位角修正到聲吶陣中心再進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)行修正后的GPS測(cè)量目標(biāo)方位角與聲吶陣計(jì)算得到的目標(biāo)方位角的偏差大大減小，最大誤差只有2.5°。這說(shuō)明對(duì)于GPS測(cè)量得到的方位角進(jìn)行修正是十分必要的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與實(shí)際海試數(shù)據(jù)分析表明：相較于未進(jìn)行陣形估計(jì)，利用姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行陣形估計(jì)修正能夠有效提高波束形成計(jì)算得到的目標(biāo)方位角的精度；且將GPS測(cè)得的目標(biāo)方位角轉(zhuǎn)化到聲吶陣中心，可使聲吶的測(cè)向結(jié)果與GPS測(cè)向結(jié)果更加吻合。同時(shí)考慮陣形畸變與中心點(diǎn)偏移的誤差，將更加貼近于工程實(shí)用。

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Influence of Shape Distortion of Large-aperture Optical Fiber Towed Array on Precision of DOA

QIU Xiufen SHI Wenfeng SUN Chunyan SHEN Heping

(Appsoft Technology Co.Ltd, Beijing 100085)

Affected by the ship movement and ocean current, towed linear sonar array would occur shape distortion underwater, which leads to a decline in detection precision. This paper combines posture sensor data and quadratic curve fitting method to estimate the distorted array shape. Then it makes the comparison between the calculated target angle by beamforming and fixed GPS-calculated target angle. The analysis of laboratory experiment and sea trial data shows that the calculated target angle by beamforming with shape correction is closer to the fixed GPS-calculated target angle than without shape correction. Maximum error is less than 2.5°.

optical fiber hydrophone, large-aperture towed array, array shape estimation, curve fitting, direction fixing

2016年5月16日,

2016年6月30日

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013YQ140431)資助。

邱秀分，女，工程師，研究方向：水聲信號(hào)處理。石文峰，男，工程師，研究方向：水聲信號(hào)處理。孫春艷，女，工程師，研究方向：水聲信號(hào)處理。申和平，男，高級(jí)工程師，研究方向：水聲信號(hào)處理。

TB565.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.012