龔軼 祝獻(xiàn) 杜栓平

（第七一五研究所，杭州，310023）

多基陣聯(lián)合檢測是通過將來自于不同聲吶基陣的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，從而提高對目標(biāo)的檢測能力，是一種數(shù)據(jù)融合處理方法。多基陣聯(lián)合檢測根據(jù)數(shù)據(jù)信息類型不同，一般可以分為：分布式聯(lián)合檢測和集中式聯(lián)合檢測兩種方式。分布式聯(lián)合檢測是特征信息級融合處理，將各聲吶的檢測結(jié)果進(jìn)行融合處理，形成更準(zhǔn)確地檢測判決；集中式聯(lián)合檢測是數(shù)據(jù)級融合處理，直接利用各聲吶基陣的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，并形成最終的判決。相比較于分布式聯(lián)合檢測，集中式聯(lián)合檢測優(yōu)點(diǎn)是利用了多部聲吶基陣的所有觀測信息，因此可以獲得較好的檢測性能，缺點(diǎn)是對每部聲吶基陣布置空間坐標(biāo)、接收陣元幅相一致性、數(shù)據(jù)處理能力以及聲基陣觀測數(shù)據(jù)在采集同步性、傳輸實(shí)時(shí)性等方面要求更高。本文主要研究集中式融合方式下的多基陣聯(lián)合檢測。

1 檢測策略

水面艦船平臺聲吶系統(tǒng)一般配置有艏端陣和拖曳線列陣聲吶，水下潛艇平臺聲吶系統(tǒng)一般配置有艏端陣、舷側(cè)陣和拖曳線列陣聲吶。以潛艇平臺為例，艏端陣聲吶是布置在潛艇艏部的聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)，后部配備有隔聲障板，覆蓋的頻段較寬，其接收陣工作頻帶為中高頻；舷側(cè)陣聲吶則是布置在艇體左右兩舷側(cè)，相比較于艏端陣，其孔徑更大，可達(dá)數(shù)十米，工作頻段一般處于中低頻；拖曳線列陣聲吶則是潛艇通過拖纜將水聽器陣列拖于艇艉后部的聲吶基陣，其孔徑可不受艇體的限制，相較于艏端陣和舷側(cè)陣其陣孔徑更大，可達(dá)數(shù)百米之長，其工作在低頻段。因此，潛艇上完成目標(biāo)探測功能的三部主要聲吶基陣的工作頻段并不一致，有些頻段是單基陣獨(dú)有的，有些頻段則是多基陣共有的。

對于多基陣數(shù)據(jù)級聯(lián)合檢測，在多基陣陣元域數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合波束形成時(shí)，必須保證多陣數(shù)據(jù)是屬于同一頻段內(nèi)，所以多基陣數(shù)據(jù)級聯(lián)合檢測需要采用分頻段來進(jìn)行處理的策略。圖1和圖2分別給出兩陣和三陣工作頻段分布圖，以及分頻段多基陣處理策略的示意圖。圖1中：①為陣1處理頻段范圍；②是陣1和陣2共有處理頻段范圍；③為陣2處理頻段范圍。圖2中：①表示陣1處理頻段范圍；②是陣1和陣2共有處理頻段范圍；③為陣1、陣2和陣3共有處理頻段范圍；④是陣2和陣3共有處理頻段范圍；⑤為陣3單獨(dú)處理頻段范圍。

圖1 兩陣工作頻段分布圖

圖2 三陣工作頻段分布圖

2 數(shù)學(xué)建模

假設(shè)目標(biāo)輻射源噪聲S(f)是一寬帶信號，經(jīng)海洋波導(dǎo)傳播G(f,r)、聲吶背景噪聲N(f)和聲吶基陣各陣元響應(yīng)A的作用，可以得到聲吶基陣的接收數(shù)據(jù)為：

其中X(f)=[X1(f),X2(f),…XM(f)]T表示為聲吶基陣中M元陣元的頻域輸出信號向量；為各陣元相對于參考陣元的復(fù)加權(quán)矩陣，用以表征不同陣元之間的幅度、相位不一致性，其中ai為幅度加權(quán)值，ejiψ為相位加權(quán)值，i=1,2,3…M；G(f,r)=[G(f,r1),G(f,r2),…,G(f,rM)]為目標(biāo)源信號經(jīng)海洋波導(dǎo)傳遞至各陣元的傳遞函數(shù)向量；N(f)=[N1(f),N2(f),…,NM(f)]T為噪聲向量。

下面我們考慮兩條線陣在共有處理頻段范圍內(nèi)進(jìn)行聯(lián)合波束形成的情況。設(shè)第一基陣陣元數(shù)為M1元，陣元間距為d1，第二基陣為M2元，陣元間距為d2，兩陣間隔為D，布陣形式如圖3所示。

圖3 兩線陣與目標(biāo)位置分布示意圖

3 仿真分析

下面主要從幅度不一致性和相位不一致性上對多基陣數(shù)據(jù)級聯(lián)合檢測性能進(jìn)行仿真分析。

3.1 幅度不一致性

幅度不一致性主要是由于不同基陣陣元之間在相同頻段的幅度響應(yīng)和前置放大器的放大系數(shù)不相同造成的。假設(shè)各基陣陣元初始相位具有一致性，則復(fù)加權(quán)矩陣設(shè)置A1=diag[a1,a1,…,a1]，A2=diag[a2,a2,…,a2]，a1、a2均為一常數(shù)。

幅度不一致性使得兩陣數(shù)據(jù)在聯(lián)合波束形成中的影響比重發(fā)生變化。幅度響應(yīng)更大的，對聯(lián)合波束形成的結(jié)果產(chǎn)生更大影響。

仿真參數(shù)：陣1陣元間距為0.6 m，陣元數(shù)為64元，幅度響應(yīng)設(shè)置為1；陣2陣元間距為1 m，陣元數(shù)為64元，幅度響應(yīng)由0.02變化到50，兩陣之間間距為10 m。仿真圖如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)诙嚵蟹软憫?yīng)相比較于第一陣列很小時(shí)，兩陣聯(lián)合陣增益與第一陣列陣增益相近；當(dāng)?shù)诙嚵蟹软憫?yīng)與第一陣列相差不大時(shí)，兩陣聯(lián)合陣增益快速增大，兩陣幅度響應(yīng)一致時(shí)，聯(lián)合陣增益最大；當(dāng)?shù)诙嚵蟹软憫?yīng)相比較于第一陣列很大時(shí)，兩陣聯(lián)合陣增益下降，與第二陣列陣增益相近。

圖4 幅度不一致性對陣增益的影響

3.2 相位不一致性

由于制作工藝及預(yù)處理電路上的差異，不同接收基陣陣元間的附加相移（初始相位差）不可避免地存在，使得各基陣陣元間接收信號的相位差由聲程差引起的相位差和附加相移值兩部分構(gòu)成。聲程差所引起的相位差通常是使用波束形成方法來進(jìn)行相位補(bǔ)償，即對預(yù)定方向上的入射信號進(jìn)行同相疊加，從而使得在該方向上的波束輸出最大，即判定為信號入射方向，而附加相移的存在將直接影響到波束形成的效果，使得檢測性能下降。

假設(shè)兩個(gè)基陣各陣元之間的幅度響應(yīng)具有一致 性 ， 則 可 以 得 到A1=diag[ejΨ1,ejΨ1,…,ejΨ1]，A2=diag[ejΨ2,ejΨ2,…,ejΨ2]，Ψ1、Ψ2均為一常數(shù)。

仿真參數(shù)：陣1陣元間距為0.6 m，陣元數(shù)為64元，初始相位為0；陣2陣元間距為1 m，陣元數(shù)為64元，初始相位從0變化到2π，兩陣之間間距為10 m。仿真圖如圖5所示。

圖5 相位不一致對陣增益的影響

從圖 5中可以看出，在 0～π范圍內(nèi)時(shí)，初始相位差越大，對性能的影響越大；而且在π～2π范圍內(nèi)時(shí)，初始相位差越大，對性能的影響越小，這是因?yàn)閮苫嚦跏枷辔徊钤浇咏?，則兩基陣初始相位相反，對聯(lián)合波束性能影響最大。

從上面的分析可知，在進(jìn)行多基陣數(shù)據(jù)級聯(lián)合檢測時(shí)，不同基陣的初始相位不一致性對聯(lián)合波束形成的影響很大，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)級融合處理之前，應(yīng)該進(jìn)行基陣的初始相位補(bǔ)償，使得多陣陣元間相位具有一致性。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本節(jié)采用位于舟山海域的一次海試數(shù)據(jù)進(jìn)行多基陣聯(lián)合檢測性能分析。接收陣為一條低頻線陣和一條中高頻線陣。在兩線陣間距為10 m的情況下，分別采用較多陣元數(shù)和較少陣元數(shù)進(jìn)行兩陣聯(lián)合波束形成與各單陣波束形成，對比圖如圖6所示。圖6(a)為低頻陣8元、中高頻陣8元的波束形成對比圖，圖6(b)為低頻陣32元、中高頻陣32元的波束形成對比圖。

圖6 波束輸出對比圖

從圖6中可以看出，在陣元數(shù)較少的情況下，單基陣對合作目標(biāo)進(jìn)行探測時(shí)，已很難分辨目標(biāo)，而兩陣進(jìn)行聯(lián)合處理之后，其陣孔徑相比較于單基陣增大，已能分辨目標(biāo)方位，對目標(biāo)的檢測效果更好。因?qū)嶋H數(shù)據(jù)無法得知陣的輸入信噪比，陣增益值無法估計(jì)，這里用估計(jì)的輸出信噪比來代替陣增益進(jìn)行性能比較。

表1 較少陣元數(shù)-輸出信噪比對比表

表2 較多陣元數(shù)-輸出信噪比對比表

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，兩陣聯(lián)合輸出信噪比相較于單陣得到提高，并且在經(jīng)幅度、相位補(bǔ)償后，兩陣聯(lián)合輸出信噪比得到進(jìn)一步提高，對目標(biāo)的檢測性能提升。

5 結(jié)論

采用分頻段處理解決了平臺聲吶系統(tǒng)多基陣工作頻帶不一致的問題，導(dǎo)出兩基陣在陣元復(fù)加權(quán)不同、布陣間距不同和陣元數(shù)差異的情況下進(jìn)行聯(lián)合波束形成時(shí)的波束輸出數(shù)學(xué)表達(dá)式。針對于影響多基陣聯(lián)合檢測性能的因素-幅度不一致和相位不一致，采用仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得出：①一般情況下，多基陣聯(lián)合檢測性能相較于單基陣更好；②兩陣幅度、相位不一致性對聯(lián)合波束輸出會產(chǎn)生影響，使得兩陣聯(lián)合空間輸出增益降低，所以在進(jìn)行聯(lián)合處理之前，必須對兩陣進(jìn)行幅度和初始相位的補(bǔ)償。

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