章佳榮，李 亮，王 冠，李海龍

（中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

0 引言

由于無人機、無人艇、UUV等無人平臺可通過遠程遙控或自主航行的方式進入到環(huán)境比較惡劣或比較危險的區(qū)域進行作業(yè)，并且相對于有人平臺來說具有更高的隱蔽性和更強的靈活性，因此，經(jīng)常被用來進行遠程探測[1-3]。對于水下目標(biāo)的探測，最有效的方式是借助聲吶，采用聲學(xué)的方式進行[4-5]。聲吶的探測距離和探測精度與陣型的大小和陣元數(shù)量有關(guān)，陣型越大、陣元數(shù)量越多，理論上可以獲得更好的探測效果[6-9]。但由于無人平臺的安裝尺寸往往受限，為了獲得更高的陣增益，采用可擴展孔徑陣是一種有效的手段。在工程使用過程中，可擴展孔徑陣由于陣型結(jié)構(gòu)和安裝平臺的特殊性，其方位估計誤差受裝載平臺的影響較大，尤其是對探測陣與安裝平臺軟性連接的使用情況，陣姿態(tài)和陣型結(jié)構(gòu)會對探測結(jié)果產(chǎn)生極大的影響，必須采用有效的補償算法進行修正[10-13]。

文章針對安裝于水面無人艇平臺的雙層圓柱可擴展孔徑陣，在工程使用時方位估計誤差受平臺影響較大的問題，開展仿真與實驗研究。根據(jù)實際使用場景和安裝平臺，設(shè)計具備時延補償功能的波束形成算法和自適應(yīng)姿態(tài)補償算法。通過仿真分析和實驗驗證，考證該方法對減小該種可擴展孔徑陣方位估計誤差的有效性和穩(wěn)定性，為該種陣型適裝無人艇平臺提供支撐。

1 可擴展孔徑陣建模

文章的研究對象為一個雙層圓柱陣，其物理形態(tài)為一個由12組支撐臂組成的可擴展陣，每組支撐臂包含2條垂直線列陣，每條線列陣包含4個陣元，總共96個陣元。數(shù)值建模時，既可以將該陣看成是垂直等間隔分布的4個圓環(huán)陣，也可以將該擴展陣看成24條垂直線陣在2個不同半徑的圓周上分布的1個圓環(huán)陣，如圖1所示。

圖1 擴展陣的陣元分布Fig. 1 Element distribution of the expandable aperture array

將雙層圓柱陣分成垂直線陣和水平圓陣 2部分，垂直方向采用DC加權(quán)波束形成或等權(quán)值波束形成算法，水平方向采用自適應(yīng)波束形成算法，預(yù)成M個波束，每個波束主瓣在-3 db位置搭接?？偟牟ㄊ赶蛐院瘮?shù)可表示為

式中： pbk(θ)表示一組圓周陣形成的水平波束；pek(φ)表示離散直線陣形成的垂直波束。根據(jù)式（1）可知，將該陣的波束圖分為 pbk(θ)和 pek(φ)兩部分分開考察，水平波束形成和垂直波束形成采用不同技術(shù)實現(xiàn)手段。垂直方向上的常規(guī)波束形成為

式中：N為陣元數(shù)；d為陣元間距；λ為波長；0φ為預(yù)成波束的角度。

2 算法設(shè)計與仿真

2.1 垂直線列陣波束形成

該擴展陣垂直方向由4個等間隔的陣元組成，陣間距d為波長的一半。在垂直方向上，采用垂直線陣的波束形成，即把 4個陣元接收到的波束直接相加。仿真結(jié)果如圖2所示，其中圖2（a）為不采用加權(quán)的情況下垂直方向波束指向性圖，圖2（b）為經(jīng)過DC加權(quán)后的垂直方向波束指向性圖。在不采用加權(quán)的情況下，-3 dB帶寬約為26°，第一旁瓣的高度約為-11.5 dB；在使用DC加權(quán)時，加權(quán)的旁瓣高度控制在-20 dB，主瓣的-3 dB帶寬為30°。從圖中可以看出，使用DC加權(quán)后，旁瓣級明顯優(yōu)于不通過 DC加權(quán)處理的情況。在實際使用過程中，垂直方向上會受到裝載平臺的輻射噪聲干擾，需要進行抑制，盡可能減少線陣在90°方向旁瓣的高度，可達到抑制裝載平臺輻射噪聲的目的。

圖2 4元垂直線陣波束指向性圖Fig. 2 Beam directivity diagram of a 4-element verticallinear array

2.2 圓陣波束形成

該陣水平方向可以看成 2個半徑不同的同心圓環(huán)，其波束方向特性函數(shù)可表示為

對于單個圓周的情況，圓周陣的陣列響應(yīng)向量為

式中，0θ為觀察方向。陣列響應(yīng)向量反映了基陣各基元對于觀察方向的時延關(guān)系。圖3給出基陣的波束指向性的仿真結(jié)果。

圖3 圓陣指向性圖Fig. 3 Beam directivity diagram of circular array

文章采用時延波束形成方法，通過對不同基元的輸出進行不同的延遲來實現(xiàn)在0θ方向的輸出最大的目的，則此時陣的輸出可以表示為

式中： ni( t)為零均值，方差σn的白噪聲；θ為目標(biāo)信號源的方位角；θ0為導(dǎo)向方向；ωi為加權(quán)系數(shù)。加權(quán)的目的在于改善基陣的方向性，可以通過改變陣元靈敏度或者調(diào)整前放的放大倍數(shù)來實現(xiàn)。如果所有基元的靈敏度和放大倍數(shù)都相同，則ωi=1。對式（5）進行平方、積分處理，如果不考慮噪聲的影響，則

式中，E[·]代表均值符號，歸一化處理后就可得到基陣指向性函數(shù)?？紤]到噪聲的影響，

當(dāng)θ=θ0且噪聲為互不相關(guān)的白噪聲，則式中，分別為信號和噪聲功率。通過計算機仿真計算基陣的指向性函數(shù)，用中心頻率 fc= 4 kHz 的單頻信號疊加白噪聲模擬目標(biāo)的回波，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同采樣頻率下零方向波束輸出（SNR= -5 dB）Fig.4 Zero-direction beam output at different sampling frequencies（SNR= -5 dB）

由仿真結(jié)果可知：采樣頻率越高，輸出指向性函數(shù)主瓣越平滑，但旁瓣變高；旁瓣變高不影響主瓣寬度；加噪聲后旁瓣級升高，但通過窄帶濾波可以有效降低噪聲的影響。

圖5 不同采樣頻率下零方向波束輸出（SNR= -5 dB，窄帶濾波）Fig. 5 Zero-direction beam output at different sampling frequencies（SNR= -5 dB，narrow band filter）

2.3 自適應(yīng)波束優(yōu)化

基于實際工程的考慮，24個陣元等間隔分布在內(nèi)外兩層圓陣上，每個陣元都是無指向性水聽器，以圓陣中心O為坐標(biāo)原點建立直角坐標(biāo)系，x軸經(jīng)過零號陣元，z軸垂直于圓陣面，設(shè)(xi, yi, zi)是基陣的第i號陣元的坐標(biāo)，陣元位置矢量用表示，方向是由坐標(biāo)原點指向陣元，信號源位置為S，其單位方向矢量用S(θ, )φ表示，θ為水平角，φ為俯仰角。

為了獲得較低旁瓣和穩(wěn)定束寬的波束，采用自適應(yīng)波束形成算法，對波束權(quán)向量進行優(yōu)化。文章采用最小方差無畸變響應(yīng)波束形成算法，即，使噪聲及來自非預(yù)成角度的所有干擾所貢獻的功率最小，又能保持預(yù)成方向的信號功率不變，最優(yōu)權(quán)向量可表示為

陣的平均輸出功率可表示為

通過搜索方位功率譜峰可以確定目標(biāo)方位，在文章建立的模型和波束形成實現(xiàn)方案中，不需要掃描所有方位，只需按照預(yù)成角度形成波束，再按預(yù)成波束插值法計算目標(biāo)的方位。

2.4 預(yù)成波束插值測向

當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在某個方向上時，每個預(yù)成波束都會產(chǎn)生輸出且在波束主極大位置產(chǎn)生峰值，其中波束指向與目標(biāo)方位最接近的波束輸出指向性函數(shù)幅值最大，相鄰的波束次之。由于波束指向性函數(shù)與二次曲線相似，因此可利用最大輸出的波束及其相鄰的波束進行二次插值，多項式最大值的橫坐標(biāo)即為目標(biāo)方位。

圖6為插值法的原理示意圖，其中實豎線AB表示來波方向，來波方向與各波束的交點為A、B、C。由于波束的對稱性，且波束寬度相同，則 3條虛豎線上（插值波束）的點A′、B′、C′的橫坐標(biāo)分別對應(yīng)3個相鄰波束的橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)分別與點 A、B、C的縱坐標(biāo)相同。其中4條實曲線表示相鄰的4個波束，虛曲線表示二次插值法得出的虛擬波束，它的最大值對應(yīng)的橫坐標(biāo)就是目標(biāo)的方位估計。

圖6 插值法測向原理Fig. 6 Principle of direction finding by interpolation

假設(shè)A′、B′、C′對應(yīng)的坐標(biāo)點分別為 ( x0,y0)、，則根據(jù)拉格朗日插值定理可知它的二次插值多項式為

2.5 基陣姿態(tài)誤差補償

當(dāng)目標(biāo)距離比較遠時，由基陣和目標(biāo)之間深度差引起的俯仰角很小，可忽略其對波束形成的影響。但在水流沖擊和吊放繩索的牽引下，基陣姿態(tài)不斷變化，導(dǎo)致來波到達各陣元的聲程差也會不斷發(fā)生變化，如果不對姿態(tài)引起的聲程差進行補償，目標(biāo)水平方位角的估計就會產(chǎn)生誤差。

假設(shè)目標(biāo)與基陣在同一水平深度，則目標(biāo)輻射噪聲的入射方位角可表示為θ 90°= ，對應(yīng)的單位方向矢量為

式中，-1 80°≤θ ≤ 1 80°，4個分量是增廣單位矢量。

建立世界坐標(biāo)系 O XwYwZw和基陣坐標(biāo)系OXaYaZa，當(dāng)基陣處于初始位置，即水平位置時，2個坐標(biāo)系重合。當(dāng)基陣姿態(tài)發(fā)生改變時，假設(shè)基陣橫搖、縱傾和旋轉(zhuǎn)的角度分別為α, ,β γ，則從基陣坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的變換矩陣為

第k號陣元的基陣坐標(biāo)矢量為 rak= [ xk,yk,0,1]，第k號陣元相對世界坐標(biāo)系的位置矢量為

令ha=[cosθ0, sinθ0,0,1]， 則 波 束 輸 出 可 表示為

表1給出了主動探測模式下，基陣姿態(tài)補償前后目標(biāo)方位估計的結(jié)果。其中，基陣橫搖、縱傾和旋轉(zhuǎn)的角度分別為 15o、20o、38o，信號為單頻，信噪比-5 dB，中心頻率4 kHz，圖7給出了一組仿真結(jié)果。從仿真的數(shù)據(jù)來看，姿態(tài)補償可有效減小方位估計誤差。

圖7 基陣姿態(tài)補償效果對比Fig. 7 Comparison of attitude compensation effects

表1 姿態(tài)補償前后的方位估計誤差對比（SNR= -5 dB）Table 1 Comparison of azimuth estimation errors before and after attitude compensation（SNR= -5 dB）

3 實驗驗證

3.1 水池實驗

水池實驗時，以CW信號和LFM信號對算法進行測試，測試過程中，旋轉(zhuǎn)基陣角度并作不同程度的搖晃。從實際測試統(tǒng)計的結(jié)果來看，方位估計的均方誤差小于 1.2o，并且具有較好的穩(wěn)定性。2種不同信號形式的波束掃描圖和方位歷程圖如圖8和圖9所示。

3.2 湖上實驗

湖上實驗時，同樣以CW信號和LFM信號對算法進行測試，測試過程中，旋轉(zhuǎn)基陣角度并作不同程度的搖晃。從實際測試統(tǒng)計的結(jié)果來看，方位估計的均方誤差小于1o，并且具有較好的穩(wěn)定性。兩種不同信號形式的波束掃描圖和方位歷程圖如圖10-11所示。

圖10 方位掃描圖和方位估計結(jié)果（CW）Fig. 10 Azimuth scanning diagram and azimuth estimation results（CW）

4 結(jié)束語

文章針對雙層圓柱可擴展孔徑陣在工程使用時方位估計誤差受安裝平臺影響大的問題，設(shè)計了具備時延補償功能的波束形成算法和自適應(yīng)姿態(tài)補償算法，并開展了仿真與實驗研究。仿真與實驗結(jié)果表明：文章提出的算法可有效減小該種可擴展孔徑陣的方位估計誤差，并且具有較好的穩(wěn)定性。文章的研究成果可為雙層圓柱可擴展孔徑陣裝載于無人機、無人艇、UUV等無人平臺時的工程實現(xiàn)和目標(biāo)方位估計優(yōu)化提供支撐。

圖11 方位掃描圖和方位估計結(jié)果（LFM）Fig. 11 Azimuth scanning diagram and azimuth estimation results（LFM）