水下目標回波亮點高分辨方位估計與仿真

徐 瑜, 唐 波, 苑秉成

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水下目標回波亮點高分辨方位估計與仿真

徐 瑜, 唐 波, 苑秉成

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

水下目標回波亮點識別技術是現代聲納系統與水聲對抗的一個極為重要的組成部分。基于單源方位精估的短脈沖切割方法, 對于發射信號為長脈沖以及正橫中軸方位下的目標回波亮點方位估計效果較差。因此研究基于多源的水下目標回波亮點高分辨方位估計方法具有重要的應用價值。本文重點研究了水下目標回波亮點高分辨方位估計方法, 首先采用基于共軛倒序陣蓋氏圓準則的方法對目標回波進行解相干和亮點數估計, 然后在此基礎上進行目標回波空間譜估計以獲得目標亮點的方位。在具體仿真過程中, 采用板塊元散射方法仿真目標回波, 并在此基礎上進行高分辨方位估計, 取得了較好的仿真效果。結果表明, 本文的研究對于正橫中軸方位的潛艇目標識別具有一定的應用價值。

水下目標; 高分辨方位估計; 板塊元算法; 共軛倒序陣; 蓋氏圓; 亮點數估計

0 引言

隨著水聲技術的發展, 對抗和反對抗技術也相應迅速發展, 各種人工對抗干擾器材在模擬潛艇的輻射噪聲、反射回波、運動狀態等一系列目標特征方面取得了顯著進展。由于魚雷武器自動檢測、跟蹤、向目標導引的能力主要依靠聲學自導, 因此可以說魚雷目標識別的主要目的是對抗模擬潛艇特性的聲誘餌。盡管聲誘餌等對抗器材在魚雷聲自導的發射信號回波等部分特征的模擬越來越真實, 但與真實潛艇相比, 其尺度信息卻無法加以精確模擬, 因此研究水下目標回波的空間結構對于水下目標識別技術具有重大意義。

目前, 對水下目標進行尺度識別的一種通用方法是采用雙通道短時互譜法, 得到目標的方位走向特征來進行目標尺度識別[1]。但分裂波束互譜法是基于單源方位精估的短脈沖切割方法。當使用較長脈沖時, 由于亮點回波之間會發生重疊, 因此在對目標回波進行時域分割之后仍然會有部分子回波中包含有2個以上的目標方位信息。特別是處在正橫方位陣位探測目標的情況下, 基于單源的方位精估方法識別能力就更差。在這種情況下, 就需要采用基于多源的目標回波高分辨方位估計方法, 但該類方法要求目標信源個數已知[2]。基于此, 本文重點研究了水下目標回波亮點數估計方法, 以板塊元散射方法仿真的潛艇目標回波為研究對象, 采用基于共軛倒序陣的蓋氏圓準則對仿真的目標回波進行解相關和亮點數估計, 并在此基礎上進行目標回波空間譜估計。

1 陣列仿真模型

求解目標參數估計問題時, 陣元基陣一般可以具有任意幾何形狀。絕大多數算法都是針對這種信號源與基陣共處一個平面的情況而提出的。對陣元基陣幾何形狀的最常見約束是單元陣元均勻地分布在一條直線上, 即均勻分布線列陣。基陣的這種幾何構成結構簡單, 工程中易于實現。

圖1 均勻線列陣示意圖

2 蓋氏圓準則的目標回波信源數估計

蓋氏圓方法是一種不需要具體知道協方差矩陣特征值數值的信號源數目估計方法, 即利用蓋氏圓盤定理, 就可以估計出各特征值的位置, 進而估計出信號源。

蓋氏圓盤定理: 設=(a)為任一階復數矩陣, 則的特征值都在復數平面上的個圓盤

|-a|≤R(=1,2,…,) (4)

的并集內, 且這里的

用生成的酉矩陣對接收信號的協方差矩陣作酉變換

式中,()是一個與快拍數有關的調整因子, 它在0與1之間選取, 當快拍數趨于無窮大時其取0; 在有限取樣數據情況下, 其取值應在[0, 1],的取值范圍為1,2,…,-2, 當從小到大時, 假設GDE()第1次出現負數時的數為0, 則信號源數為=0-1。

理想情況下均勻線列陣信號的協方差矩陣具有Toeplitz的性質。但是由于各亮點回波信號之間存在相關性, 從而導致矩陣秩的退化, 信號協方差矩陣將不再是Toeplitz矩陣。因此, 如果使陣列信號協方差矩陣逼近與其最為相似的Toeplitz矩陣, 就可以去除各亮點信號之間的相關性。

設接收線列陣輸出信號的協方差矩陣為

該方法主要分為以下4步。

2) 把原始信號協方差矩陣與共軛倒序信號協方差矩陣的和作為去相關后的協方差矩陣;

3) 對陣列協方差矩陣用Toeplitz近似進一步去除信號之間的相關性;

3 相干源高分辨方位估計

4 數值計算與仿真

4.1 潛艇目標幾何建模

為方便計算, 本文以標準潛艇模型(BeTSSi- Sub)為主要研究對象[4]。該模型將潛艇目標模擬為幾個簡單形狀目標的組合, 用半橢球體來模擬艇艏, 圓柱體模擬艇體, 艇艉為圓錐體, 指揮臺圍殼前半部為半橢圓體, 后半部為錐體, 水平艉舵與垂直艉舵端面均為前半部半橢圓體, 后半部錐體。具體參數為: 艇全長62m, 艇體直徑7.5 m, 前端半橢球體的長度為7m, 中段圓柱體的長度為44.6 m, 后端錐體的長度為11.4 m。艦橋中心距艇艏頂點22.85m處, 前端半橢球體長半軸為3.85 m, 短半軸為2.2m。在實際建模時, 先借助AutoCAD軟件對目標進行幾何建模, 然后再將數據導入Ansys軟件進行網格劃分。圖2給出了AutoCAD建模后的結果, 并根據聲納系統與目標之間的相對位置關系, 建立了直角坐標系。

圖2 潛艇目標幾何模型

4.2 仿真結果與分析

圖3給出了采用板塊元散射算法仿真的潛艇目標回波, 從圖中可以看出, 由于目標各亮點回波之間的時延非常小, 目標回波在時域沒有體現出明顯的包絡起伏。圖4分別給出了采用基于共軛倒序陣蓋氏圓準則的蓋氏圓半徑分布圖(以其中最大的蓋氏圓半徑為基準對各蓋氏圓半徑作歸一化處理)和使用MUSIC方法得到的空間譜分布圖, 從蓋氏圓半徑分布圖可以看出, 目標回波體現了2個較強亮點的方位信息, 從亮點的方位來進行分析, 分別對應的是艦橋亮點和艇艉亮點。

圖3 正橫中軸情況下的潛艇目標仿真回波

圖4 基于共軛倒序陣蓋氏圓準則的亮點數和空間譜估計

5 結束語

分裂波束互譜法是基于單源方位精估的短脈沖切割方法。當使用較長脈沖時, 由于亮點回波之間會發生重疊[7], 采用分裂波束互譜法進行方位走向估計就會產生較大的誤差。基于此, 本文重點研究了基于共軛倒序陣蓋氏圓準則進行水下目標回波亮點數和空間譜的估計方法, 采用板塊元散射算法仿真的正橫方位下的標準潛艇回波數研據為究對象進行了亮點數估計與空間譜估計的仿真試驗。仿真取得了較好的效果。本文的研究對于正橫中軸方位的潛艇目標尺度識別具有一定的應用價值。

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High-Resolution DOA Estimation Algorithm for Underwater Target Echo Highlight with Simulation

XU Yu, TANG Bo, YUAN Bing-cheng

(Department of weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Underwater target echo highlight identification technology is a very important part for modern sonar system and underwater acoustic countermeasure. However, when transmit signal is long pulse or the sonar system is located at abeam bearing, the estimation algorithm of underwater target echo highlight direction of arrival(DOA) based on single-source based short pulse split theory is inefficient. Therefore, a multi-source based high-resolution DOA algorithm for underwater target echo highlight is proposed in this paper. The received echo signal is de-correlated and the echo highlight number is estimated by the Gerschgorin radii-based estimator based on the reverse conjugate array, and then the underwater target echo highlight direction is estimated with the space spectrum estimation method. Moreover, underwater target echo is simulated with the planar element method for high-resolution DOA estimation. Simulation verifies the proposed method is efficient for recognition of submarine target at abeam bearing.

underwater target; high-resolution direction of arrival(DOA) estimation; planar element method; reverse conjugate array; Gerschgorin radii; highlight number estimation

TJ630.34; TN911

A

1673-1948(2012)03-0190-05

2011-08-31;

2011-09-26.

徐 瑜(1983-), 男, 在讀博士, 研究方向為軍用目標特性與制導技術.

(責任編輯: 楊力軍)