尹子源，譚君紅，周勝增

?

三元組線列陣分裂波束目標方位跟蹤方法

尹子源，譚君紅，周勝增

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

針對單線陣進行弱目標跟蹤時容易受到強目標影響的問題，將三元組線列陣進行分裂波束定向，可提高對弱目標的方位跟蹤能力。通過將三元組線列陣等分為兩個三元組子陣，對兩個三元組子陣分別進行心形波束形成，利用各自心形波束輸出進行分裂波束處理得到目標方位。與常規(guī)單線陣分裂波束目標跟蹤方法相比，該方法不但能給出跟蹤目標的左右舷信息，同時提高了不同舷側(cè)存在多目標時的目標跟蹤能力。對海試數(shù)據(jù)的實際處理結(jié)果表明，三元組線列陣分裂波束定向時提高了對多目標的方位跟蹤能力。

水聽器三元組；心形波束形成；分裂波束；方位跟蹤

0 引言

分裂波束處理作為經(jīng)典陣列處理技術(shù)，其定向精度接近于克拉美羅下界，不需增加太大的運算量即可顯著提高聲吶系統(tǒng)的測向精度，因此在水聲中得到了深入研究和應(yīng)用[1-4]。目前的研究以線陣分裂波束為主，而線陣存在左右舷模糊問題，因此基于線陣的分裂波束處理同樣受到限制。90年代初，Jean Bertheas等[5]首次采用三水聽器組的陣元結(jié)構(gòu)來解決左右舷分辨問題。Y Doisy等[6]提出了基于三水聽器組的利用噪聲相關(guān)性的左右舷分辨方法。將三元水聽器組作為一個小基陣，利用入射信號到達各個陣元的時延差和噪聲相關(guān)模型，在左右舷抑制比最大準則下可以形成心形指向性圖，從而實現(xiàn)左右舷分辨[6-9]。Erdal Mehmetcik[10]將三元組線列陣輸出的目標方位和全球定位系統(tǒng)+慣性測量單元(Global Positioning System+Inertial Measurement Unit, GPS+IMU)數(shù)據(jù)進行比較研究，并給出了誤差的主要原因。

鑒于三元組線列陣的優(yōu)勢，提出了將分裂波束處理和三元組線列陣相結(jié)合的方法，將該方法用于對目標方位的跟蹤，旨在提高不同舷側(cè)均存在目標時的目標方位跟蹤能力。

1 分裂波束處理

設(shè)均勻線陣陣元數(shù)為，陣元間距為，聲速為，入射聲波頻率為，入射波與線陣之間的夾角為。將線陣等分為子陣1和子陣2兩個子陣，如圖1所示。

圖1 分裂子陣劃分

以0號陣元為參考陣元，則第(=0,1,…,-1)號陣元的接收信號相對于參考陣元接收信號的時間延遲為

2 三元組線列陣分裂波束處理

2.1 三元組線列陣左右舷分辨原理

根據(jù)信號檢測理論，在最大似然比準則下，可得到三元組最優(yōu)波束形成器系數(shù)的一般表達式為

圖3 理論計算的水聽器三元組指向性圖

2.2 三元組線列陣分裂波束方位估計

三元組線列陣分裂波束方位估計需要將三元組線列陣等分為兩個三元組線列陣子陣，對兩個子陣的左右舷波束輸出信息分別進行互譜處理，得到左右舷相位差，根據(jù)相位差可估計左右舷側(cè)目標的方位值。具體流程如圖4所示。

3 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)由拖曳式三元組線陣列得到，其中三元組線列陣結(jié)構(gòu)為24×3。在試驗過程中，除本艦外，右舷60o附近始終存在目標A，目標B自15 s開始出現(xiàn)，位于左舷75o。圖5給出了線陣輸出的時間方位歷程圖，圖6給出了50 s對應(yīng)的方位譜，由圖6可以看出，目標B能量比目標A高約8 dB。

圖4 三元組線列陣分裂波束處理流程圖

圖5 單線陣輸出時間方位歷程圖

圖6 單線陣輸出方位譜

圖7給出了單線陣分裂波束目標方位跟蹤結(jié)果，可以看出，在75o方向強目標B出現(xiàn)后，弱目標A丟失。圖8給出了三元組線列陣分裂波束目標方位跟蹤結(jié)果，在左舷，目標B出現(xiàn)后可以正確跟蹤目標B；在右舷，弱目標A的方位跟蹤始終正確，沒有受到強目標B的干擾而丟失。

圖7 單線陣分裂波束處理結(jié)果

圖8 三元組線列陣分裂波束處理結(jié)果

Fig.8 Results of split-beam processing for a triplet linear array

4 結(jié)論

本文將分裂波束處理擴展應(yīng)用到三元組線列陣中，用于對不同舷側(cè)的目標進行分別跟蹤，給出了三元組線列陣分裂波束信號處理的詳細流程，并對海試數(shù)據(jù)進行處理和分析。三元組線列陣分裂波束處理能夠正確給出目標的真實方位和左右舷信息；同時該算法能夠抑制不同舷側(cè)多目標的相互干擾，可以有效提高對水下多目標的跟蹤能力。

[1] STERGIOPOULOS S, ASHLEY A T. An experimental evaluation of split-beam processing as a broadband bearing estimator for line array sonar systems[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1997, 102(6), 3556-3563.

[2] MILES D A, KIRK D, CLARKE T. A statistical analysis of the detection performance of a broadband splitbeam passive sonar[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2006, 31(4): 986-996.

[3] 李啟虎, 樸大志. 微弱信號源的和波束定向方法與分裂波束定向方法的性能比較[J]. 應(yīng)用聲學, 2007, 26(3): 129-134.

LI Qihu, PIAO Dazhi. Comparison of bearing accuracy of sum beam and split-beam in weak signal detection[J]. Applied Acoustics, 2007, 26(3): 129-134.

[4] 錢韜. 線陣分裂波束處理技術(shù)在水聲探測中的應(yīng)用[J]. 聲學技術(shù). 2015, 34(6): 552-555.

QIAN Tao. Application of split-beam processing of line array in underwater acoustics detection[J]. Technical Acoustics, 2015, 34(6): 552-555.

[5] BERTHEAS J, LOUBET V. Linear hydrophonic antenna and electronic device to remove right/left ambiguity, associated with this antenna[P]. United States Patent: 5058082. 1991.

[6] DOISY Y. Port-starboard discriminate on performances on active towed array systems[C]//UDT 1995 Europe: 125-129P.

[7] WAN MIERLD G W M, BEERENS S P, BEEN R, et al. Port/ starboard discrimination on hydrophone triplets in active and passive towed arrays[C]//UDT 1997 Europe: 176-181.

[8] 杜選民, 朱代柱. 拖線陣左右舷分辨技術(shù)的理論分析與實驗研究[J]. 聲學學報, 2000, 25(5): 395-402.

DU Xuanmin, ZHU Daizhu. Theoretical analysis and experimental research on port/starboard discrimination in towed line array[J]. Acta Acoustic, 2000, 25(5): 395-402.

[9] GROEN J, S P BEERENS, R BE, et al. Adaptive port-starboard beamforming of triplet sonar arrays[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2005, 30(2): 348-359.

[10] ERDAL M. Comparison of detected target bearings from a triplet towed array with GPS and IMU data[C]//UDT 2015 Europe, 2446-2457.

A split-beam azimuth tracking method of triplet linear array

YIN Zi-yuan, TAN Jun-hong, ZHOU Sheng-zeng

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

A split-beam bearing track method of triplet linear array is proposed in the paper, which can be used to improve the the weak target tracking performance of a single linear array. The triplet linear array is equally divided into two same sub-triplet linear arrays, then the heart-shaped beamforming is carried out respectively for the two sub-triplet linear arrays, and the target azimuth is obtained by using split-beam processing with the respective heart-shaped beam outputs. This method can not only give the target’s port-starboard information, but also improve the performance of tracking target when there are many targets on different sides. Results of sea trial show that the proposed method has an excellent multi-target tracking ability.

hydrophone triplet; heart-shaped beamforming; split-beam; azimuth tracking

TB556

A

1000-3630(2018)-05-0425-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.05.004

2017-09-12;

2017-12-04

尹子源(1982－), 男, 黑龍江五常人, 高級工程師, 研究方向為拖曳式線列陣。

譚君紅, E-mail: tanjunhong621@163.com