大孔徑光纖拖曳陣陣形畸變對波束零陷的影響*

高守勇　邱秀分　申和平　孫春艷

(1. 91388部隊　湛江　524022)(2.北京神州普惠科技股份有限公司　北京　100085)

GAO Shouyong1　QIU Xiufen2　SHEN Heping2　SUN Chunyan2

(1.No.91388 Troops of PLA, Zhanjiang　524022)(2.Appsoft Technology Co.Ltd, Beijing　100085)

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大孔徑光纖拖曳陣陣形畸變對波束零陷的影響*

高守勇1邱秀分2申和平2孫春艷2

(1. 91388部隊湛江524022)(2.北京神州普惠科技股份有限公司北京100085)

陣形畸變是大孔徑光纖拖曳陣信號處理中必須考慮的問題，不同程度的陣形畸變會對后續的信號處理性能產生一定的影響。波束零陷技術是廣泛應用于拖曳陣探測系統中的強干擾抑制方法，在本艦強干擾抵消和弱目標檢測方面起著重要作用。論文對拖曳線列陣畸變為弧線陣形后對波束零陷性能的影響進行了研究。通過對不同畸變程度的弧線陣形進行仿真，對比分析了直線陣形與弧線陣形的處理效果。仿真結果表明，陣形縱坐標偏離橫軸4m后若仍用直線陣形進行后續的信號處理，目標波束的主瓣變寬、測向精度下降、強干擾抑制效果變差、弱目標檢測效果受到嚴重影響，此時必須利用陣形校正算法對陣形進行校正。

光纖水聽器; 大孔徑拖線陣; 強干擾抵消; 零陷波束形成; 陣形畸變

GAO Shouyong1QIU Xiufen2SHEN Heping2SUN Chunyan2

(1.No.91388 Troops of PLA, Zhanjiang524022)(2.Appsoft Technology Co.Ltd, Beijing100085)

Class NumberTB565

1　引言

陣形畸變對拖線陣探測性能的影響研究大部分是對雙線陣左右舷分辨的影響，且均為基于常規波束形成[4～5]，有關強干擾抑制算法影響的文獻很少。本文通過仿真分析了陣形畸變對波束零陷形成性能的影響，并研究了不同頻率對陣形畸變的敏感程度。

2　陣形畸變模型

拖曳線列陣在拖曳的過程中，由于海流等因素的影響，陣形畸變不可避免，特別是長線陣在低速拖曳或轉彎時更易產生陣形畸變。經分析，線列陣畸變陣形可近似為一段弧線[6～7]。在直角坐標系中畫出畸變的弧線陣形如圖1所示。

圖1　弧線陣形示意圖

(1)

式(1)中，R是圓弧的半徑，ηi為第一陣元與后續任意陣元連線偏離拖船前進方向的夾角，由式(1)可以得到各個水聽器的真實位置。3基于Bartlett權的遠場波束零陷形

成方法

3.1算法原理

在高速公路橋梁施工伸縮縫結構處理的前期，施工技術部門要結合施工圖紙和具體操作流程進行系統化技術交底，并且要對伸縮縫異行邊緣的順直程度以及平整度等進行統籌分析，關注縫隙之間的間隙結構，從而提升施工流程的基本效果。最重要的是，在施工過程中，技術部門要對機器進行集中篩查，合理提升設備配備的完整性，也為公路橋梁質量管理優質性奠定基礎。

不同波束形成方法的原理基本相同，針對窄帶信號波束輸出均滿足式(2)：

y(t)=WH(θ)X(t)

(2)

式中W(θ)=[W0(θ),W1(θ),…,WM(θ)]T為波束形成權矢量，θ是波束的指向角。其中每個元素都是一個復數，模表示對陣元輸出信號的幅度加權，輻角表示對陣元輸出信號的相位補償。

各種波束形成的不同之處在于式(2)中的加權向量各不相同，下面介紹如何獲得零陷波束形成的加權向量。

零陷波束形成[8～10]的加權向量獲取準則是：使目標方位上波束形成功率輸出最大，而使所有干擾方向的波束輸出為零。假設目標的方位為θ，干擾的方位為θ1，則最優化求解的問題可以表述為

max(P1)=max(E[|y(t)|2])

=max(WHE[X(t)XH(t)]W)

(3)

在下述條件下的解：

(4)

式中，max表示取最大值，W為待求解的最優權，X(t)為接收數據。a(θ1)干擾的導向矢量，經過求解可得波束零陷的最佳權向量為

(5)

式中，A=[I-a(θ1)(aH(θ1)a(θ1))-1aH(θ1)]，式(5)中目標的方位是可以掃描的，干擾的方向是確定的，實際應用時需給定干擾的方位，干擾可以是一個也可以是多個，當存在多個干擾時，新的約束條件為

WHa(θ1)=0,WHa(θ2)=0，…，WHa(θN)=0

(6)

式中，θi為第i個干擾方向矢量。由此可以得到多個干擾目標時的加權向量為

(7)

式中，B=[I-H(HHH)-1HH]，在B中H=[a(θ1),a(θ2),…,a(θN)]。

得到加權向量后，利用加權向量對接收數據進行加權，即可得到零陷后的波束輸出。

Popt(θ)=WHRW

(8)

當信號為寬帶信號時，處理方式是將接收信號在頻域上劃分為若干個窄帶信號，然后在每個子帶上用窄帶波束形成算法估計目標的方位譜。因此，上述導向矢量的表達式除了與θ相關外，還與頻率f相關，第i個頻段的導向矢量為

a(θ,fi)=[1,e-j2πfiτ,…,e-jM2πfiτ]T

(9)

最后再將所有頻段的輸出累加，得到寬帶的結果：

(10)

式中，ξi為各個子帶能量加權系數，通常取該系數為1。

3.2仿真結果分析

波束零陷技術需要給定正確的干擾抵消方向，在抵消前需進行常規波束形成獲得需要抵消的干擾方向。當陣形畸變時，通過常規波束形成獲得的干擾方向與真實的干擾方向存在偏差，從而會對干擾抵消的效果產生影響。接下來對不同畸變程度陣形下Bartlett權波束零陷形成方法性能進行仿真。

仿真條件：間距為2.4m的128基元大孔徑拖曳線列陣，分別對陣形偏離橫軸1m、4m和8.5m的情況進行仿真，對比未估計陣形與估計陣形的波束零陷形成效果。仿真中認為實際接收陣形即為估計陣形，兩個目標一強一弱，頻率為250Hz、300Hz，分別從60°、63°方向入射到接收陣，兩個目標的能量之差為15dB。

1) 實際接收陣形為縱坐標偏離橫軸最大1m，仿真結果如圖2～圖5所示。

從常規波束形成的效果來看，陣形畸變1m后沒有對方位估計的結果產生影響，未進行陣形估計與進行陣形估計得到的方位均為60°。從抵消的對比圖來看，估計陣形可以將強干擾完全抵消，弱目標被凸顯出來。而用未估計的陣形對強干擾進行抵消后發現，強干擾抵消得并不徹底，抵消了16dB左右，抵消后強干擾的能量與弱目標相差不大。

圖2　估計前后陣形對比圖

圖3　陣形估計前后波束形成效果圖

圖4　未估計陣形波束零陷前后效果圖

圖5　估計陣形波束零陷前后效果圖

2) 實際接收陣形為縱坐標偏離橫軸最大4m，仿真結果如圖6～9所示。

圖6　估計前后陣形對比圖

圖7　陣形估計前后波束形成效果圖

圖8　未估計陣形波束零陷前后效果圖

圖9　估計陣形波束零陷前后效果圖

從常規波束形成的效果來看，陣形畸變4m后，未進行陣形估計與進行陣形估計得到的方位分別為60°和61°，未進行陣形估計得到的干擾方向有1°的誤差。從抵消的對比圖來看，估計陣形可以將強干擾完全抵消，弱目標被凸顯出來。而用未估計的陣形對強干擾抵消后，抵消效果較仿真1中又差了一些，僅抵消了9dB左右。抵消后強干擾的能量還要比弱目標強5dB，弱目標仍沒有被檢測出來。

3) 實際接收陣形為縱坐標偏離橫軸最大8.5m，仿真結果如圖10～13所示。

圖10　估計前后陣形對比圖

圖11　陣形估計前后波束形成效果圖

圖12　未估計陣形波束零陷前后效果圖

圖13　估計陣形波束零陷前后效果圖

從常規波束形成的效果來看，陣形畸變8.5m后，未進行陣形估計與進行陣形估計得到的方位分別為60°和62°，未進行陣形估計得到的干擾方向有2°的誤差。從抵消的對比圖來看，估計陣形可以將強干擾完全抵消，弱目標被凸顯出來。而未進行陣形估計的強干擾抵消效果較仿真2中又差了一些，僅抵消了4dB左右。

4) 在仿真3的基礎上，改變強目標的頻率為100Hz，弱目標的方位為65°，仿真結果如圖14、15所示。

圖14　未估計陣形波束零陷前后效果圖

圖15　估計陣形波束零陷前后效果圖

仿真4與仿真3的區別在于強干擾的頻率不同，雖然抵消后也未檢測到弱目標，但抵消前后的能量差有11dB，較相同畸變程度下高頻的效果要好。這說明，在陣形畸變程度相同的情況下，強干擾的頻率低時抵消效果更好，由此證明高頻受陣形畸變更敏感。

4　結語

強干擾抵消對拖線陣的探測是比較重要的問題，通過仿真分析陣形畸變對零陷波束形成算法的影響，可以得到以下結論：1)當陣形畸變大于4m時，需要進行陣形估計才能達到較好的抵消效果。2)強干擾的頻率越高，零陷波束形成對陣形畸變越敏感。因此，大孔拖線陣在實際探測時需要安裝姿態傳感器，對陣形的位置進行實時估計，這樣可以保證最好的抵消效果。

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Influence of Shape Distortion of Large-aperture Optical FibreTowed Array on Null-forming*

Distortion of array shape must be taken into account in large aperture optical towed array signal processing. Array shape distortion in different degrees will have influences on the performance of subsequent signal processing. The null-forming technique is a strong interference suppression method widely used in towed linear array detection systems, which plays an important role in the ship interference cancellation and the detection for weak target. The effect of towed linear array distorted into arc array on null-forming performance is researched. In this paper, the analysis results of straight array are compare with that of arc array through simulating arc arrays in different degrees. Simulation results indicate that the main lobe of target’s beam becomes wider, the accuracy of DOA descends, the effect of strong interference suppression gets worse, not only that, the detection of weak targets is severely affected if linear array is still processed as straight when y-coordinate of the array deviates from horizontal axis is more than 4 meters.

optical fiber hydrophone, large-aperture towed array, strong interference cancellation, null-beamforming, array shape distortion

2016年2月18日,

2016年3月25日

國家重大科學儀器設備開發專項資助項目(編號：2013YQ140431)資助。

高守勇，男，高級工程師，研究方向：水聲工程。邱秀分，女，工程師，研究方向：水聲信號處理。申和平，男，高級工程師，研究方向：水聲信號處理。孫春艷，女，工程師，研究方向：水聲信號處理。

TB565

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.041