張國(guó)強(qiáng)+沈廣楠+李金平+史鑫+宮占江

摘 要：針對(duì)水下目標(biāo)被動(dòng)探測(cè)及精確定向的問(wèn)題，提出基于復(fù)合加權(quán)的矢量線列陣方位估計(jì)方法。矢量線列陣接收到的聲信號(hào)進(jìn)行線性加權(quán)處理及非線性加權(quán)處理，兩者波束輸出函數(shù)之積作為矢量線陣波束函數(shù)。數(shù)值仿真結(jié)果表明，與比傳統(tǒng)的線列陣加權(quán)處理相比，該方法檢測(cè)性能得到提高，尤其在非垂直線列陣的孔徑方向上波束改進(jìn)3dB。該方法對(duì)矢量線列陣定位研究具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)探測(cè)；矢量線陣列；復(fù)合加權(quán)；方位估計(jì)

中圖分類號(hào)：TB56 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0011-02

引言

目前，聲納普遍采用水聽器陣列來(lái)提高對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和定位能力[1]，為了形成更為尖銳的指向性，將盡力擴(kuò)大陣列孔徑，從而得到較高陣列增益實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱目標(biāo)檢測(cè)，然而常規(guī)陣列是通過(guò)增加陣元數(shù)目來(lái)擴(kuò)展陣列孔徑[2]。波束形成是陣列在空間上抗噪聲和混響場(chǎng)的一種處理過(guò)程，評(píng)判波束形成性能的一般指標(biāo)是波束圖的主瓣寬度，旁瓣級(jí)和指向性指數(shù)，對(duì)于均勻分布線陣，通過(guò)契比雪夫加權(quán)方法，可以獲得低旁瓣波束，這是以展寬主瓣波束為代價(jià)的，波束圖的設(shè)計(jì)變得非常困難。若仍采用常規(guī)的方法，將會(huì)導(dǎo)致主瓣形狀畸變，旁瓣級(jí)升高，致使整個(gè)陣列的虛警概率急劇上升，而且基于波束輸出的測(cè)向方法的精度將嚴(yán)重下降。如何保持低旁瓣的波束輸出就顯得很重要[3]。如何在保持陣列增益、低旁瓣的波束、束寬等指標(biāo)的前提下，減少陣元數(shù)目，降低陣列孔徑，提高目標(biāo)定向精度，進(jìn)而提高性能價(jià)格比是當(dāng)前陣列及陣列信號(hào)處理研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[4]。

1 矢量線列陣信號(hào)接收模型

矢量線列陣信號(hào)接收模型如圖1所示。線列陣沿著坐標(biāo)系的X軸布放。目標(biāo)S輻射的聲波到達(dá)矢量線列陣的角度分別為θ和？覫。束控角度分別為θs和？覫s。

矢量線列陣復(fù)合加權(quán)方位估計(jì)方法相對(duì)于傳統(tǒng)的矢量線列陣具有較高檢測(cè)性能。波束輸出Yf（θs，？覫s）幅度最大時(shí)，θs，？覫s為目標(biāo)所在方位。

3 數(shù)值仿真分析

MATLAB數(shù)值仿真條件為：取目標(biāo)聲信號(hào)頻率f=1000Hz，聲速c=1500m/s，入射角度分別為θ=45°、θ=90°，背景噪聲為限帶高斯白噪聲。滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，矢量線列陣接收到聲信號(hào)為平面波，矢量線列陣的陣元數(shù)n=8，陣元間距d=c/（2f），進(jìn)行矢量線列陣復(fù)合加權(quán)波束定向仿真計(jì)算。

仿真一：依據(jù)復(fù)合加權(quán)的矢量線列陣方位估計(jì)方法的原理，入射角度為θ=90°，分別在信噪比為SNR=0dB和SNR=10dB三種條件下，進(jìn)行仿真計(jì)算得到矢量線列陣的波束如圖2所示。

對(duì)比圖2中的（a）和（b）可以看出，在入射角度θ=90°時(shí)，信噪比越大，主旁瓣比越大，且左、右舷分辨越清楚。

仿真二：依據(jù)復(fù)合加權(quán)的矢量線列陣方位估計(jì)方法的原理，入射角度為θ=45°，分別在信噪比為SNR=0dB和SNR=10dB三種條件下，進(jìn)行仿真計(jì)算得到矢量線列陣的波束如圖3所示。

對(duì)比圖3的（a）和（b）可以看出，在入射角度θ=45°時(shí)，信噪比越大，主旁瓣比越大，且左、右舷分辨越清楚。在陣列方向上，即0°和180°波束上，波束改進(jìn)3dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析及MATLAB數(shù)值仿真表明，基于復(fù)合加權(quán)的矢量線列陣方位估計(jì)方法有效改善了矢量線列陣的指向性，提高了矢量線列陣的定向精度，尤其在非垂直線列陣的孔徑方向上，矢量線列陣復(fù)合加權(quán)波束比傳統(tǒng)的線列陣加權(quán)波束改進(jìn)3dB。同時(shí)降低了可處理信噪比門限，提高了矢量線列陣探測(cè)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]張攬?jiān)?，楊德?基于MUSIC算法的矢量水聽器陣源方位估計(jì)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25（1）：30-33.

[2]王德俊.矢量聲場(chǎng)與矢量信號(hào)處理理論研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2004.

[3]馮西安.水下目標(biāo)高分辨方位估計(jì)技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[4]孫貴青，張春華，黃海寧，等.聲矢量傳感器線陣的左右舷分辨[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（7）：848-855.endprint