高守勇 孫春艷 申和平 邱秀分

(1.91388部隊(duì) 湛江 524022)(2.北京神州普惠科技股份有限公司 北京 100085)

近場(chǎng)聚焦在大孔徑光纖拖曳探測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

高守勇1孫春艷2申和平2邱秀分2

(1.91388部隊(duì) 湛江 524022)(2.北京神州普惠科技股份有限公司 北京 100085)

大孔徑光纖水聽器拖曳偵測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的方位估計(jì)方法是遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成,該方法假設(shè)目標(biāo)在陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域,適用于估計(jì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的方位。而遠(yuǎn)近場(chǎng)存在臨界距離,大孔徑陣列的遠(yuǎn)近場(chǎng)臨界距離較遠(yuǎn),實(shí)際中會(huì)有很多目標(biāo)處于大孔徑陣列的近場(chǎng)。對(duì)該類目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)近似處理,獲得的方位幅度圖會(huì)發(fā)生畸變,并影響方位估計(jì)的精度。針對(duì)這類目標(biāo),論文通過(guò)仿真和實(shí)際海上拖曳探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比了近場(chǎng)聚焦與遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成的性能。結(jié)果表明,對(duì)不能近似為遠(yuǎn)場(chǎng)的目標(biāo),近場(chǎng)聚焦可獲得更窄的波束寬度與更強(qiáng)的聚集能量,可有效提高目標(biāo)測(cè)向精度,并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離的估計(jì)。證明了近場(chǎng)聚焦在大孔徑光纖水聽器拖曳偵測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值。

光纖水聽器; 大孔徑拖曳線列陣; 臨界距離; 近場(chǎng)聚焦; 距離估計(jì)

Class Number TN911

1 引言

隨著減震降噪技術(shù)的發(fā)展,艦船輻射噪聲越來(lái)越微弱。要實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻遠(yuǎn)距離目標(biāo)的被動(dòng)探測(cè),必須借助于大孔徑陣列。光纖水聽器采用多路復(fù)用,易于構(gòu)建大孔徑大規(guī)模線列陣,可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下低頻安靜型目標(biāo)的偵察與探測(cè)[1]。本文關(guān)注大孔徑的光纖拖曳線列陣探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理研究。拖曳偵測(cè)系統(tǒng)一般針對(duì)距離較遠(yuǎn)的目標(biāo),這些目標(biāo)可近似認(rèn)為在陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。由于陣的孔徑較大,遠(yuǎn)近場(chǎng)的臨界距離就大[2]。一些小孔徑陣列可看作遠(yuǎn)場(chǎng)的目標(biāo),對(duì)大孔徑拖曳線列陣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可能不符合遠(yuǎn)場(chǎng)的假設(shè),利用遠(yuǎn)場(chǎng)的信號(hào)處理方法將導(dǎo)致探測(cè)性能下降。

波束形成是拖曳探測(cè)系統(tǒng)常用的信號(hào)處理技術(shù)[3～4],按時(shí)延的補(bǔ)償方式主要分為遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成和近場(chǎng)波束形成兩種。已有的拖曳偵測(cè)系統(tǒng)中大部分應(yīng)用的是遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的測(cè)向。而近場(chǎng)波束形成一般應(yīng)用于近距離的定位和聲圖測(cè)量當(dāng)中[5～7],在拖曳偵測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。

本文針對(duì)大孔徑拖曳線列陣系統(tǒng)中一些不能被假設(shè)為遠(yuǎn)場(chǎng)的目標(biāo),通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了遠(yuǎn)近場(chǎng)波束形成的處理性能。

2 遠(yuǎn)近場(chǎng)波束形成原理

波束形成的原理是利用具有一定幾何形狀排列的陣列接收目標(biāo)信號(hào),然后經(jīng)過(guò)延時(shí)、加權(quán)、求和等處理使其形成一定的空間指向性,從而獲得一定的陣增益,達(dá)到抑制噪聲,提高信噪比的目的,它相當(dāng)于空間上的濾波器[8～10]。

假設(shè)陣列接收數(shù)據(jù)為

x(t)=[x1(t),x2(t),…,xN(t)]T

(1)

式(1)中:

xi(t)=s(t-τi)

(2)

則波束形成器的輸出為

(3)

式中:ωi為幅度加權(quán)值,τi為時(shí)延補(bǔ)償量。

遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成與近場(chǎng)聚焦的不同就在于時(shí)延補(bǔ)償量的計(jì)算方法不同。近場(chǎng)聚焦波束形成是基于球面波假設(shè)的,它主要關(guān)注的是目標(biāo)距離與陣的孔徑相近的近場(chǎng),同時(shí)利用方位和距離來(lái)計(jì)算時(shí)延補(bǔ)償量。而遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成是基于平面波假設(shè)的,根據(jù)方位計(jì)算聲波到達(dá)的時(shí)延差,進(jìn)行補(bǔ)償,獲得陣的指向性,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)方位的估計(jì)。它適用于遠(yuǎn)場(chǎng),只能測(cè)向。

圖1給出了近場(chǎng)聲源與陣列之間的關(guān)系示意圖[2]。

圖1 近場(chǎng)聲源與陣列關(guān)系

圖1為近場(chǎng)聲源與陣元的關(guān)系,假設(shè)陣元的數(shù)目為M,間距為d,以1號(hào)基元作為參考基元,聲源位于(r,θ)處。則最遠(yuǎn)端的陣元接收信號(hào)相對(duì)于1號(hào)基元的時(shí)延為

τMN=rM-r1/c

(4)

式(4)中rM為聲源與最遠(yuǎn)端第M個(gè)基元的距離。rM滿足式(5):

(5)

θ=[0°,180°]為從陣首開始計(jì)算的角度,將上式展開并略去高階項(xiàng),得到:

τMN=-(M-1)·d·cosθ/c+(M-1)2·d2·sin2θ/2rc

(6)

當(dāng)目標(biāo)處于遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí),即聲源的距離r相對(duì)于陣列的有效孔徑(M-1)·d很大,第二項(xiàng)可以忽略,時(shí)延就僅與方位有關(guān)。則得到遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成的時(shí)延補(bǔ)償關(guān)系公式為

τMF=-(M-1)·d·cosθ/c

(7)

3 遠(yuǎn)近場(chǎng)波束形成性能分析

3.1 仿真數(shù)據(jù)分析

3.1.1 遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成性能分析

仿真條件:近場(chǎng)點(diǎn)源目標(biāo),頻率為312.5Hz,接收陣列為128元等間距線列陣,陣元間距為半波長(zhǎng)間距2.4m。目標(biāo)相對(duì)于陣中心一定距離從某一方向入射到接收陣,目標(biāo)處的聲源級(jí)為140dB,陣元處的噪聲級(jí)為80dB,改變目標(biāo)的距離和方位,觀察遠(yuǎn)場(chǎng)波束的性能。

目標(biāo)方位設(shè)置為90°,目標(biāo)距離分別設(shè)置為8000m和4000m,遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成保證接收點(diǎn)處信號(hào)能量不變,對(duì)噪聲進(jìn)行抑制,效果圖如圖2、3所示。

圖2 目標(biāo)8000m時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)輸出

從結(jié)果可以看出,目標(biāo)距離8000m時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成的測(cè)向是準(zhǔn)確的,且主瓣比較尖銳。而在目標(biāo)距離4000m時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成的波束出現(xiàn)了分裂,不能準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)的個(gè)數(shù)和方位。

圖3 目標(biāo)4000m時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)輸出

改變目標(biāo)方位為30°,目標(biāo)距離分別設(shè)置為4000m和1000m,遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成效果圖如圖4、5所示。

圖4 目標(biāo)4000m時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)輸出

圖5 目標(biāo)1000m時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)輸出

從結(jié)果可以看出,目標(biāo)距離4000m時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成的測(cè)向是準(zhǔn)確的,且主瓣比較尖銳。而在目標(biāo)距離1000m時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成的波束出現(xiàn)了分裂,不能準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)的個(gè)數(shù)和方位。

由以上仿真結(jié)果可知,同一方位下,隨著目標(biāo)距離的減小,遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成的主瓣寬度會(huì)增大。當(dāng)小于一定距離后主瓣還會(huì)出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象。并且,遠(yuǎn)近場(chǎng)的臨界距離與目標(biāo)的入射方位有關(guān),目標(biāo)越靠近正橫方向,遠(yuǎn)近場(chǎng)臨界距離越大。

3.1.2 近場(chǎng)聚焦性能分析

仿真條件:近場(chǎng)點(diǎn)源目標(biāo),頻率為312.5Hz,接收陣列為128元等間距線列陣,陣元間距為半波長(zhǎng)間距2.4m。目標(biāo)相對(duì)于陣中心一定距離從90°方向入射到接收線陣,目標(biāo)處的聲源級(jí)為140dB,陣元處的噪聲級(jí)為80dB,目標(biāo)的距離為1000m,分別設(shè)置聚焦距離為800m、1000m、1500m、8000m,保證接收點(diǎn)處信號(hào)能量不變,對(duì)噪聲進(jìn)行抑制,得到的聚焦結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 聚焦距離800m

圖7 聚焦距離1000m

圖8 聚焦距離1500m

圖9 聚焦距離8000m

從以上結(jié)果可以看出,聚焦距離越接近目標(biāo)距離,該聚焦距離下的近場(chǎng)聚焦的波束主瓣就越窄,方位估計(jì)精度越高,得到的聚焦峰值能量也越大。此時(shí)8000m的距離處近似為遠(yuǎn)場(chǎng),聚焦的主瓣寬,且無(wú)法得到目標(biāo)的方位。

3.1.3 深度對(duì)近場(chǎng)聚焦性能的影響

圖10 聚焦距離800m

圖11 聚焦距離1000m

以上造信號(hào)與近場(chǎng)聚焦處理均沒有考慮深度的影響,僅對(duì)方位和距離進(jìn)行掃描。下面考慮深度對(duì)近場(chǎng)聚焦結(jié)果的影響。仿真條件與3.1.2節(jié)基本相同,僅在造信號(hào)時(shí)加入了目標(biāo)的深度信息,設(shè)置陣列接收深度為0m,目標(biāo)深度為30m。近場(chǎng)聚焦時(shí)仍然僅對(duì)方位和距離進(jìn)行掃描,得到的聚焦結(jié)果如圖10～13所示。

圖12 聚焦距離1500m

圖13 聚焦距離8000m

從以上結(jié)果可以看出,方位估計(jì)效果與3.1.2節(jié)相同,輸出功率也幾乎沒有差別。由此說(shuō)明,近場(chǎng)聚焦對(duì)水平方位角進(jìn)行估計(jì)時(shí)可以忽略深度的影響。

3.2 拖曳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

拖曳實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是進(jìn)行被動(dòng)拉鋸實(shí)驗(yàn),包括一條聲源船和一條測(cè)量船,聲源船發(fā)射不同頻率的單頻和脈沖信號(hào)。以下對(duì)128元2.4m間隔的線陣列海上拖曳試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該數(shù)據(jù)中分析的目標(biāo)并不是合作聲源船,而是海上其他目標(biāo),在雷達(dá)上也有跟蹤到。

1) 3000m左右距離的目標(biāo)數(shù)據(jù)

對(duì)該時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行近場(chǎng)聚焦處理,設(shè)置的聚焦距離分別為:800m、1000m、1500m、3000m和8000m,不同聚焦距離下得到近場(chǎng)聚焦后的方位幅度圖及其歸一化顯示效果如圖14、15所示。

該時(shí)刻,通過(guò)其它手段獲得該目標(biāo)的距離為3037m,從圖10中可以看出3000m的聚焦距離處的目標(biāo)輸出能量最大。圖14為圖15中各個(gè)距離的聚焦曲線分別進(jìn)行歸一化的結(jié)果,從圖14中可以清晰地看出3000m聚焦距離的波束主瓣是最窄的。

圖14 不同聚焦距離下的方位幅度圖

圖15 方位幅度圖的歸一化結(jié)果

2) 1500m左右距離目標(biāo)數(shù)據(jù)

對(duì)該時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行近場(chǎng)聚焦處理,設(shè)置與第1)節(jié)中相同的距離,不同聚焦距離下得到近場(chǎng)聚焦后的方位幅度圖及其放大后的顯示效果如圖16、17所示。

圖16 不同聚焦距離下的方位幅度圖

該時(shí)刻,其它手段測(cè)得70°附近的目標(biāo)距離為1611m。從不同聚焦距離下的方位幅度圖可以看出,聚焦距離為1500m時(shí)得到的波束圖具有最窄的主瓣和最強(qiáng)的輸出能量,聚焦效果是最好的,那么可以判定該目標(biāo)在1500m的附近,且可以得到目標(biāo)的方位為67°。而聚焦距離為8000m時(shí)可以近似為遠(yuǎn)場(chǎng),該距離下測(cè)得的目標(biāo)方位為69°,且波束主瓣很寬,能量較1500m的聚焦結(jié)果下降3dB,這說(shuō)明對(duì)于該目標(biāo)如果仍采用遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成處理,方位估計(jì)精度會(huì)下降2°,探測(cè)距離也會(huì)下降。

圖17 不同聚焦距離下的方位幅度圖局部放大

3) 不同聚焦距離下方位歷程圖的對(duì)比

圖18 聚焦距離1000m的方位歷程

圖19 聚焦距離1500m的方位歷程

對(duì)1500m左右距離上目標(biāo)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行不同聚焦距離的近場(chǎng)波束形成和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成,得到方位歷程圖如圖18～21所示。

圖20 聚焦距離3000m的方位歷程

圖21 遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成的方位歷程

從以上結(jié)果可以看出,對(duì)于方向從60°變化到150°的目標(biāo)來(lái)說(shuō),1500m聚焦距離處得到的軌跡線最細(xì),說(shuō)明該目標(biāo)位于1500m附近。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論。 1) 遠(yuǎn)近場(chǎng)的臨界距離與目標(biāo)的入射方位有關(guān),入射方位越靠近正橫方位,遠(yuǎn)近場(chǎng)臨界距離越大。 2) 當(dāng)目標(biāo)處于陣列的近場(chǎng)時(shí),近場(chǎng)聚焦可以獲得較遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成更高的探測(cè)精度和更窄的主瓣寬度。 3) 近場(chǎng)聚焦的距離越接近目標(biāo)的距離,聚焦效果越好,可以通過(guò)各個(gè)距離聚焦效果的對(duì)比,得到目標(biāo)距離的估計(jì)。 4) 利用近場(chǎng)聚焦對(duì)目標(biāo)的水平方位角進(jìn)行估計(jì)時(shí),可以忽略深度的影響。

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Application of Near-field Beam-forming in Large-aperture Optical Towed Detection System

GAO Shouyong1SUN Chunyan2SHEN Heping2QIU Xiufen2

(1. No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)(2. Appsoft Technology Co., Ltd, Beijing 100085)

Far-filed beam-forming usually determine the direction of a long-range target by approximation at the far-field area of the array. It is widely used in the detection system of large-aperture optical towed linear arrays. However, there has a critical distance between far-near-field. A large-aperture array has a larger far-near-field critical distance. Actually, multiple targets are located in near-field for a large-aperture linear array. In these circumstances, if far-field beam-forming is still used for approximate processing, it will cause bearing-amplitude distortion which seriously influences the precision of the target direction estimate. For such targets, the performance of near-field focused beam-forming and far-field beam-forming are compared through simulation and towed trials data. The results show that when detecting targets which can’t be considered to be located in far-field, near-field focused beam-forming can achieve the narrowest beam width and the strongest focused energy. It can also effectively improve the precision of target direction finding and estimate target distance. The value of applying near-field focused beam-forming in the detection system of large-aperture optical towed linear arrays is confirmed.

optical hydrophone, large-aperture towed linear array, critical distance, near-field focus beam-forming, distance estimation

2016年7月10日,

2016年8月15日

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

高守勇,男,高級(jí)工程師,研究方向:水聲工程。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。邱秀分,女,工程師,研究方向:水聲信號(hào)處理。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.030