楊美嬌 韓 東

（1.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員五大隊 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

拖曳線列陣聲納是探測低頻、隱蔽性目標(biāo)的重要工具。它在對目標(biāo)進行方位估計時，經(jīng)常需要改變航向，此時柔性拖線陣列也隨之轉(zhuǎn)向，這就需要實時對陣形進行估計和校準(zhǔn)，從而提高估計準(zhǔn)確度。

拖曳線列陣陣形估計方法主要分為兩類：一種是非聲學(xué)陣形估計法，即在陣列的不同位置安裝姿態(tài)傳感器，利用動力學(xué)方程及狀態(tài)空間模型對陣形進行估計［1～6］。這類方法的缺點是對傳感器的測量精度要求高，所需計算量很大，在實際工程應(yīng)用中難以應(yīng)用。另一種是基于聲學(xué)計算的陣形估計方法，即對接收信號進行相應(yīng)的信號處理從而估計陣形［7～13］。這類方法不需要依靠陣形的先驗知識，能夠較好地適應(yīng)水聲環(huán)境變化，但缺陷是計算復(fù)雜，誤差較大［14］。總體來看，對于拖曳線列陣陣形估計和校準(zhǔn)問題，還處于理論研究階段，沒有大規(guī)模應(yīng)用到實際工程中［15～22］。

拖曳線列陣陣形估計和校準(zhǔn)的前提是獲得準(zhǔn)確的陣列方向向量。本文以平臺轉(zhuǎn)向為背景，通過建立數(shù)學(xué)模型，得到了陣列方向向量的估計表達式，實現(xiàn)了陣列方向向量的實時校準(zhǔn)。

2 波束形成方向向量估計

2.1 平臺轉(zhuǎn)向的臨界時刻

圖1 轉(zhuǎn)向的4個臨界時刻

2.2 各階段方向向量

拖曳線列陣聲納的目標(biāo)方位估計是建立在接收信號為遠場平面波假設(shè)條件下的?？紤]拖曳線列陣是均勻的，θ表示遠場平面波入射方向，可得到：

1）當(dāng)0≤t≤t0時，陣列還未到達轉(zhuǎn)向的圓環(huán)，呈標(biāo)準(zhǔn)的線列陣排列如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向階段1示意圖

此時方向向量為

2）當(dāng)t0

圖3 轉(zhuǎn)向階段2示意圖

3）當(dāng)t1

圖4 轉(zhuǎn)向階段3示意圖

4）當(dāng)t2

圖5 轉(zhuǎn)向階段4示意圖

5）當(dāng)t>t3時，最后一個陣元已出圓環(huán)，所有陣元都位于圓環(huán)切線上，呈一條均勻線列陣排列，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向階段5示意圖

此時方向向量為

3 仿真結(jié)果

假設(shè)拖曳線列陣是均勻的，陣元數(shù)N=32個，陣元間隔d=8m，信號中心頻率為93.75Hz，聲速c=1500m/s，平臺（陣列）運動速度v=10節(jié)，轉(zhuǎn)彎半徑r=0.25海里，轉(zhuǎn)向角度α=20°，基準(zhǔn)時刻t0=0s，θ=[- 90°,270°]。

圖7給出了臨界時刻t0、t1、t2、t3的值。

圖7 臨界時刻值

隨著時間 t的增加（這里分別取0s、20s、40s、60s、80s），可得到對應(yīng)轉(zhuǎn)向階段的陣列流形矩陣，陣列流形的實部可以驗證陣列在轉(zhuǎn)向過程中是否存在畸變，以及畸變的程度。圖8（a）～（e）繪制出了陣列流形的實部。其中，子圖上半部分是陣列流形實部的結(jié)果，下半部分是陣列流形每一行中實部部分的局部極大值點結(jié)果。

圖8 0s～80s中，陣列流形實部值及其局部極值點

4 結(jié)語

在拖曳線列陣進行陣形估計前對陣列方向向量進行實時校準(zhǔn)具有重要價值。文中給出了平臺轉(zhuǎn)向過程中4個臨界時刻和5個轉(zhuǎn)向階段模型，分析計算得到了各階段的方向向量估計表達式，并通過仿真驗證了該方法可有效對陣列方向向量進行實時校準(zhǔn)。