方益喜

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一五研究所，浙江杭州310023)

0 引 言

拖曳線(xiàn)列陣聲吶具有孔徑大、工作頻率低、探測(cè)距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各類(lèi)艦艇上，成為水下低頻、遠(yuǎn)距離探測(cè)的重要技術(shù)手段。常規(guī)的拖線(xiàn)陣由一系列無(wú)指向性的水聽(tīng)器組成，水聽(tīng)器按照一定間距線(xiàn)性排列，由于水聽(tīng)器沒(méi)有指向性，其對(duì)整個(gè)圓錐面上所有入射信號(hào)的響應(yīng)完全一致。拖線(xiàn)陣信號(hào)入射圖如圖 1所示。如果考慮水平面一個(gè)切面，則拖線(xiàn)陣將出現(xiàn)左右舷模糊問(wèn)題，無(wú)法區(qū)分目標(biāo)真實(shí)位置。常規(guī)的單拖線(xiàn)陣通常采用平臺(tái)機(jī)動(dòng)的方式，根據(jù)目標(biāo)舷角的變換趨勢(shì)來(lái)判斷左右舷或者是利用平臺(tái)機(jī)動(dòng)時(shí)陣型估計(jì)的信號(hào)處理方法來(lái)區(qū)分左右舷[1-7]。舷角的變化通常需要人工來(lái)完成，無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)判決。另外，若平臺(tái)大角度機(jī)動(dòng)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致陣型嚴(yán)重畸變，增加目標(biāo)丟失的可能性。后來(lái)研究人員又提出了雙線(xiàn)陣、三線(xiàn)陣、多線(xiàn)陣、三元水聽(tīng)器組、矢量水聽(tīng)器來(lái)代替單線(xiàn)陣，例如美國(guó)的AN/UQQ2 SURTASS雙線(xiàn)型、DCN的SLASM系統(tǒng)和德國(guó)的LFTASS系統(tǒng)采用了雙線(xiàn)陣，法國(guó)的信天翁魚(yú)雷報(bào)警系統(tǒng)、CAPTAS系統(tǒng)和挪威的ATAS系統(tǒng)采用了三元水聽(tīng)器組。但是受到生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)成本和平臺(tái)適裝性等因素的制約，它們的應(yīng)用受到限制。因此，采用信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)左右舷分辨一直是研究熱點(diǎn)。

圖1 拖線(xiàn)陣接收信號(hào)入射示意圖Fig.1 The incidence diagram of the receiving signal of a towed array

本文在深入研究平臺(tái)機(jī)動(dòng)時(shí)左右舷分辨的基礎(chǔ)上，提出了一種以目標(biāo)跟蹤為基礎(chǔ)的拖線(xiàn)陣左右舷分辨方法，通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性，在工程實(shí)踐上具有一定的應(yīng)用前景和指導(dǎo)意義。

1 拖線(xiàn)陣左右舷分辨基本原理

本文提出的左右舷分辨方法，將平臺(tái)機(jī)動(dòng)與目標(biāo)跟蹤相結(jié)合，具體流程如圖2所示。利用拖線(xiàn)陣聲吶發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行左右舷鏡像處理，在左舷和右舷都會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)，組成一個(gè)左右舷“目標(biāo)對(duì)”，兩者具有相同的幅值和距離值、相同的舷角，只是方位不同(例如，平臺(tái)航向?yàn)?°時(shí)，右舷60°方位鏡像到左舷 300°方位)，就如同從左右舷兩邊都同時(shí)存在目標(biāo)一樣，然后將“目標(biāo)對(duì)”中的兩個(gè)目標(biāo)分別進(jìn)行跟蹤處理。平臺(tái)按照規(guī)定進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)，然后根據(jù)“目標(biāo)對(duì)”中兩個(gè)目標(biāo)速度變化趨勢(shì)來(lái)判斷左右舷。假設(shè)平臺(tái)小角度機(jī)動(dòng)過(guò)程中陣型畸變可以忽略，使拖線(xiàn)陣依然能夠檢測(cè)到目標(biāo)并且穩(wěn)定跟蹤，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期，真實(shí)目標(biāo)的前后時(shí)刻位置變化不大，真實(shí)目標(biāo)的速度變化不明顯。但鏡像目標(biāo)的速度將發(fā)生劇烈變化，因?yàn)殓R像目標(biāo)的前后時(shí)刻位置會(huì)發(fā)生突變，保留速度變化較小的跟蹤器，從而可以確定目標(biāo)真實(shí)方位，無(wú)需人工干預(yù)即可自動(dòng)判決目標(biāo)左右舷，完成左右舷分辨。

圖2 單線(xiàn)陣左右舷分辨流程Fig.2 Flow chart of port-starboard discrimination for single towed array

2 目標(biāo)跟蹤算法

目標(biāo)跟蹤一直是當(dāng)前研究的一個(gè)難點(diǎn)與熱點(diǎn)，目前，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型主要有勻速(Constant Velocity,CV)模型、勻加速(Constant Acceleration, CA)模型、Jerk模型[8]、Singer模型[8]和“當(dāng)前統(tǒng)計(jì)”模型[8]。交互多模型(Interactive Multiple Models, IMM)跟蹤算法[8-9]是目前機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法中廣泛應(yīng)用的方法之一，其采用多個(gè)運(yùn)動(dòng)模型，每個(gè)模型都有一個(gè)相應(yīng)的模型概率，通過(guò)馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣完成不同模型之間的轉(zhuǎn)換，在運(yùn)算過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)為每個(gè)模型計(jì)算概率，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的最終估計(jì)為各個(gè)模型的加權(quán)平均[9]。IMM一個(gè)周期主要包括模型交互作用、模型條件濾波、模型概率更新和模型組合狀態(tài)估計(jì)。本文中使用勻速CV模型和勻加速CA模型，采用IMM-Kalman濾波跟蹤算法，其框架如圖3所示。該目標(biāo)跟蹤算法不是本文的重點(diǎn)，在這不做詳細(xì)分析，可以根據(jù)自己需求選擇目標(biāo)跟蹤算法，得到目標(biāo)速度。

圖3 IMM-Kalman跟蹤算法的框架圖Fig.3 The block diagram of IMM-Kalman tracking algorithm

3 仿真與結(jié)果分析

本文分別從目標(biāo)位于左舷與右舷兩種情況進(jìn)行分析，細(xì)分成四個(gè)象限，分別為左前方、右前方、左后方與右后方。本文忽略了平臺(tái)小角度機(jī)動(dòng)時(shí)陣型畸變的影響，認(rèn)為陣型畸變不大，在主動(dòng)探測(cè)目標(biāo)過(guò)程中，依然能夠持續(xù)檢測(cè)到目標(biāo)，每個(gè)周期都有接觸點(diǎn)輸出，跟蹤器能進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤。在仿真中綜合考慮了測(cè)距和測(cè)向誤差，忽略了平臺(tái)轉(zhuǎn)向到拖線(xiàn)陣轉(zhuǎn)向需要的時(shí)間，在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，添加了均方根為 1%的測(cè)距誤差和 2.5°的測(cè)向誤差，目標(biāo)總共運(yùn)動(dòng) 80 個(gè)掃描周期，針對(duì)平臺(tái)不同轉(zhuǎn)向角度(-10°～10°)，其中往左舷轉(zhuǎn)向?yàn)樨?fù)，右舷為正，對(duì)于不同目標(biāo)的初始距離(10、15、20和 25 km)，統(tǒng)計(jì)100次，查看轉(zhuǎn)向后第2個(gè)掃描周期真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度差異和方位差異，為區(qū)分目標(biāo)左右舷做鋪墊。

仿真 1：當(dāng)目標(biāo)位于左前方時(shí)，設(shè)置平臺(tái)的航向?yàn)?270°，航速為6 m·s-1；目標(biāo)方位為220°，航向?yàn)?20°，航速為3 m·s-1。從第6個(gè)掃描周期(T=R/C其中，T為周期，R為量程，C為聲速)開(kāi)始轉(zhuǎn)向，文中量程選擇32 km，對(duì)應(yīng)掃描周期T=42.67 s，然后轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度就保持航向不變。真實(shí)目標(biāo)、鏡像目標(biāo)與平臺(tái)大致位置關(guān)系如圖4所示，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度差如圖5所示，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的方位變化差如圖6所示。

圖4 真實(shí)目標(biāo)、鏡像目標(biāo)與平臺(tái)位置關(guān)系(左前方)Fig.4 The location relationship between the real target, mirror target and platform (on the left front)

圖5 真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度差(左前方)Fig.5 The difference of velocity between the real target and mirror target (on the left front)

圖6 真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的方位變化差(左前方)Fig.6 The difference of azimuth variation between the real target and mirror target (on the left front)

仿真 2：當(dāng)目標(biāo)位于右前方時(shí)，設(shè)置平臺(tái)的航向?yàn)?70°，航速為6 m·s-1；目標(biāo)方位為220°，航向?yàn)?20°，航速為3 m·s-1。從第6個(gè)掃描周期開(kāi)始轉(zhuǎn)向，然后轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度就保持航向不變。真實(shí)目標(biāo)、鏡像目標(biāo)與平臺(tái)大致位置關(guān)系如圖7所示，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度差如圖8所示，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的方位變化差如圖9所示。

圖7 真實(shí)目標(biāo)、鏡像目標(biāo)與平臺(tái)位置關(guān)系(右前方)Fig.7 The location relationship between the real target, mirror target and platform (on the right front)

圖8 真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度差(右前方)Fig.8 The difference of velocity between the real target and mirror target (on the right front)

圖9 真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的方位變化差(右前方)Fig.9 The difference of azimuth variation between the real target and mirror target (on the right front)

仿真 3：當(dāng)目標(biāo)位于左后方時(shí)，設(shè)置平臺(tái)的航向?yàn)?70°，航速為6 m·s-1；目標(biāo)方位為150°，航向?yàn)?50°，航速為3 m·s-1。從第6個(gè)掃描周期開(kāi)始轉(zhuǎn)向，然后轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度就保持航向不變。真實(shí)目標(biāo)、鏡像目標(biāo)與平臺(tái)大致位置關(guān)系如圖 10所示，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度差如圖 11所示，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的方位變化差如圖12所示。

圖10 真實(shí)目標(biāo)、鏡像目標(biāo)與平臺(tái)位置關(guān)系(左后方)Fig.10 The location relationship between the real target,mirror target and platform (on the left rear)

圖11 真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度差(左后方)Fig.11 The difference of velocity between the real target and mirror target (on the left rear)

圖12 真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的方位變化差(左后方)Fig.12 The difference of azimuth variation between the real target and mirror target (on the left rear)

仿真 4：當(dāng)目標(biāo)位于右后方時(shí)，設(shè)置平臺(tái)的航向?yàn)?70°，航速為6 m·s-1；目標(biāo)方位為30°，航向?yàn)?0°，航速為3 m·s-1。從第6個(gè)掃描周期開(kāi)始轉(zhuǎn)向，然后轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度就保持航向不變。真實(shí)目標(biāo)、鏡像目標(biāo)與平臺(tái)大致位置關(guān)系如圖 13所示，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度差如圖 14所示，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的方位變化差如圖15所示。

圖13 真實(shí)目標(biāo)、鏡像目標(biāo)與平臺(tái)位置關(guān)系(右后方)Fig.13 The location relationship between the real target,mirror target and platform (on the right rear)

圖14 真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度差(右后方)Fig.14 The difference of velocity between the real target and mirror target (on the right rear)

圖15 真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的方位變化差(右后方)Fig.15 The difference of azimuth variation between the real target and mirror target (on the right rear)

考慮到實(shí)際測(cè)速誤差一般在 3 kn(1 kn=1 852 m·h-1)以?xún)?nèi)(對(duì)應(yīng)速度為 1.5 m·s-1)，所以真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的速度之間保持5 m·s-1以上的差異足以進(jìn)行判斷，保留速度變化較小的目標(biāo)作為左右舷分辨結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果，針對(duì)不同距離和不同方位的目標(biāo)，當(dāng)真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)之間的速度差大于5 m·s-1時(shí)，平臺(tái)所需的最小轉(zhuǎn)向角度如表1所示。由表1可見(jiàn)，目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，平臺(tái)所需轉(zhuǎn)向角度越小，當(dāng)平臺(tái)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向5°后，對(duì)于10 km以上的目標(biāo)，不管是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，在第2個(gè)掃描周期即可區(qū)分目標(biāo)左右舷。

表1 在不同距離與不同方位的目標(biāo)情況下平臺(tái)所需最小轉(zhuǎn)向角度Table 1 The required minimum platform steering angles for targets at different ranges and azimuths

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)平臺(tái)向遠(yuǎn)離目標(biāo)一側(cè)進(jìn)行機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)之間的方位變化差信息相對(duì)比較明顯，當(dāng)向遠(yuǎn)離目標(biāo)一側(cè)進(jìn)行機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向5°時(shí)，方位變化差大于2°，在區(qū)分左右舷時(shí)，方位變化差可以作為一個(gè)輔助參考值。

4 結(jié) 論

針對(duì)拖線(xiàn)陣左右舷模糊問(wèn)題，本文提出了一種基于目標(biāo)跟蹤的拖線(xiàn)陣左右舷分辨方法，將平臺(tái)機(jī)動(dòng)與目標(biāo)跟蹤相結(jié)合，根據(jù)跟蹤目標(biāo)速度差異來(lái)分辨左右舷。由仿真結(jié)果可知，對(duì)于10 km以上的目標(biāo)，不管目標(biāo)位于左舷或者右舷，只要平臺(tái)進(jìn)行小角度轉(zhuǎn)向5°后，經(jīng)過(guò)2個(gè)掃描周期(對(duì)于32 km量程，共 85.34 s)，真實(shí)目標(biāo)與鏡像目標(biāo)之間的速度差就大于5 m·s-1，可以完成目標(biāo)左右舷分辨，驗(yàn)證了本方法的可行性與有效性。在未來(lái)工程實(shí)踐上，本方法具有一定的應(yīng)用前景與指導(dǎo)意義。