李雪林，王會(huì)良，許 浩

（1.洛陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 洛陽(yáng) 471000；2.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；3.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190）

0 引言

單條拖線陣聲納在實(shí)際探測(cè)目標(biāo)應(yīng)用中，為分辨目標(biāo)所在左右舷，需要搭載平臺(tái)改變機(jī)動(dòng)方向，但這種方法所需時(shí)間較長(zhǎng)，容易丟失目標(biāo)［1-4］。對(duì)此，研究學(xué)者提出利用雙線陣、三元組水聽(tīng)器陣、矢量傳感器陣實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)左右舷分辨。在雙線陣實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)左右舷分辨時(shí)，常采用的方法為時(shí)延差法、噪聲模型法、特征頻率法、移相相加法、移相相減法等［5-8］。

時(shí)延差法［9-10］通過(guò)測(cè)量線陣波束信號(hào)之間時(shí)延差實(shí)現(xiàn)目標(biāo)左右舷分辨，當(dāng)參考陣元位置發(fā)生錯(cuò)位時(shí)，會(huì)造成左右舷分辨結(jié)果發(fā)生嚴(yán)重跳變，且在某些頻點(diǎn)和角度上無(wú)法分辨目標(biāo)左右舷；噪聲模型法［11-12］是基于最優(yōu)波束形成推導(dǎo)方法求出最佳濾波系數(shù)，使左右相應(yīng)兩個(gè)水聽(tīng)器具有心形指向性，但需要計(jì)算不同頻率的最優(yōu)波束加權(quán)系數(shù)，并對(duì)不同頻率的信號(hào)分量進(jìn)行加權(quán)，計(jì)算量較大；特征頻率法［13］針對(duì)常規(guī)波束形成法在頻帶選取上沒(méi)有考慮雙線陣左右舷抑制增益問(wèn)題而提出的左右舷分辨方法，存在處理系統(tǒng)帶寬和接收信噪比矛盾問(wèn)題；移相相加法［14-16］通過(guò)對(duì)左右相應(yīng)兩個(gè)水聽(tīng)器接收數(shù)據(jù)進(jìn)行移相相加使其具有心形指向性，該方法所具有的最大左右舷分辨增益和最理想心形指向性與陣間距有關(guān)，在雙線陣間距較小時(shí)，目標(biāo)左右舷分辨效果較差；移相相減法［17］通過(guò)對(duì)雙線陣中左右相應(yīng)兩個(gè)水聽(tīng)器接收數(shù)據(jù)進(jìn)行移相相減使其具有心形指向性，該方法改善了移相相加法對(duì)陣間距要求，但端射方向的合成波束能量會(huì)被削減，影響對(duì)端射方向目標(biāo)檢測(cè)效果，對(duì)目標(biāo)方位角使用范圍有限。

針對(duì)移相相減法在端射方向的能量衰減問(wèn)題。本文依據(jù)移相相減法所得心形指向性函數(shù)變化形式與掃描角度關(guān)系，采用能量補(bǔ)償修正技術(shù)降低掃描角度對(duì)合成波束的影響。為了直觀評(píng)估本文方法的有效性，本文在理論分析中給出了相應(yīng)的數(shù)值仿真說(shuō)明。理論推導(dǎo)分析和數(shù)值仿真結(jié)果均驗(yàn)證為，當(dāng)目標(biāo)位于端射方向時(shí)，相比原移相相減法，本文方法可以對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)；在同一衰減比下，探測(cè)能力增加了10°，增加了移相相減法對(duì)目標(biāo)方位角的適用范圍，具有較好的穩(wěn)健性，便于工程應(yīng)用。

1 移相相減法

圖1 雙線陣各陣元位置及接收目標(biāo)信號(hào)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)左右舷分辨，接下來(lái)闡述移相相減處理所得心形指向性方法。

為了能夠更好地表示左右舷抑制比，對(duì)上式做進(jìn)一步處理，得

此時(shí)，目標(biāo)方向θ 處的波束形成響應(yīng)與可能被誤判為目標(biāo)方向-θ 處的波束形成響應(yīng)之比為：

2 基于能量補(bǔ)償修正的移相相減方法

2.1 衰減分析

雖然移相相減法可以有效降低分辨左右舷目標(biāo)對(duì)線陣之間間距要求，但該方法在端射方向存在能量衰減問(wèn)題。

由式（3）可知，對(duì)于掃描方向θ=θ0時(shí)，在目標(biāo)方位θ 輸出能量，除了受左、右線列陣間距D、目標(biāo)輻射信號(hào)波長(zhǎng)影響外，還受目標(biāo)所在角度θ 影響。

為了更直觀地說(shuō)明移相相減法對(duì)同一目標(biāo)信號(hào)在不同方位處合成波束能量差別，圖2 為線陣之間間距D 為不同值時(shí)，由移相相減法所得同一目標(biāo)信號(hào)在不同方位處被合成波束能量歸一化值。

圖2 同一目標(biāo)信號(hào)在不同方位處被合成波束能量歸一化值

由圖2 結(jié)果可知，在左、右線列陣間距D 一定時(shí)，移相相減法所得同一目標(biāo)信號(hào)在不同方位處被合成波束能量值差別加大，即在線陣正橫方向（90°或270°）上波束能量最大，隨著目標(biāo)方位向端射方向移動(dòng)，波束能量逐漸被衰減至0。

另外，由圖2 結(jié)果還可知，對(duì)于同一目標(biāo)信號(hào)在同一方位時(shí)，隨著左、右線列陣間距D 減小，波束能量也隨之變小，但變化較小。

2.2 補(bǔ)償方法

依據(jù)式（5）所示能量補(bǔ)償修正技術(shù)，圖3 和圖4分別給出了不同左、右線列陣間距D 時(shí)的能量補(bǔ)償前后結(jié)果。

圖3 同一目標(biāo)信號(hào)在不同方位處被合成波束能量歸一化值（）

圖4 同一目標(biāo)信號(hào)在不同方位處被合成波束能量歸一化值（）

由圖3 和圖4 亦可知，通過(guò)能量補(bǔ)償可將遠(yuǎn)離正橫方向背景能量和正橫方向附近背景能量趨于一致，將遠(yuǎn)離正橫方向背景噪聲能量和目標(biāo)信號(hào)能量同時(shí)抬高，但目標(biāo)位置附近局部信噪比未發(fā)生變化，經(jīng)背景基底歸一化處理后，可降低移相相減法中心形指向性函數(shù)由于端射方向能量衰減（背景基底降低）對(duì)端射方向目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的影響。由于能量補(bǔ)償后目標(biāo)位置附近局部信噪比未發(fā)生變化，所以能量補(bǔ)償后對(duì)噪聲敏感性并未有實(shí)質(zhì)性增加，即能量補(bǔ)償后遠(yuǎn)離正橫方向背景噪聲能量的增加并不會(huì)對(duì)目標(biāo)位置附近局部信噪比產(chǎn)生影響，不會(huì)對(duì)端射方向的目標(biāo)檢測(cè)產(chǎn)生影響。

3 數(shù)值仿真分析

設(shè)雙線陣水聽(tīng)器左、右線列陣均是陣元間距為d=8 m，陣元數(shù)為N=32 的等間隔線列陣，左、右線列陣之間間距為D=1.0 m，處理帶寬為f =20 Hz～100 Hz，采樣頻率為fs=5 000 Hz，背景噪聲為服從N（0，1）分布的高斯白噪聲，兩目標(biāo)分別位于雙線陣左舷側(cè)θ1=80°、右舷側(cè)θ2=340°，目標(biāo)1、2 分別由服從N（0，1）分布的高斯信號(hào)和線譜組成，線譜與其周?chē)B續(xù)譜譜級(jí)比為L(zhǎng)CR1=10 dB，可保證其對(duì)輸入總能量的貢獻(xiàn)影響不大；同樣目標(biāo)2 線譜與其周?chē)B續(xù)譜譜級(jí)比為L(zhǎng)CR2=10 dB。相比背景噪聲，目標(biāo)1、2 輸入信噪比均為SNR1=SNR2=-10 dB。圖5～圖8為不同方法所得方位歷程圖、波束圖和不同時(shí)刻目標(biāo)2 處波束能量。表1 為典型時(shí)刻由2 種方法所得目標(biāo)2 處波束能量值。

圖5 移相相減法所得方位歷程圖

圖6 本文方法所得方位歷程圖

圖7 單一時(shí)刻波束圖

圖8 不同時(shí)刻目標(biāo)2 處波束能量

表1 目標(biāo)2 處波束能量值

由圖5～圖8、表1 可知，在該仿真條件下，相比未進(jìn)行能量補(bǔ)償修正的移相相減法，本文方法對(duì)目標(biāo)2 輸出相對(duì)能量值由不到0.4 V 提升為0.9 V 以上，即通過(guò)能量補(bǔ)償可將遠(yuǎn)離正橫方向背景能量和正橫方向附近背景能量趨于一致，經(jīng)背景基底歸一化處理后，可降低移相相減法中心形指向性函數(shù)由于端射方向能量衰減（背景基底降低）對(duì)端射方向目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的影響，解決了移相相減法合成波束在端射方向上的能量衰減問(wèn)題，對(duì)目標(biāo)2 實(shí)現(xiàn)了有效探測(cè)，該仿真結(jié)果與式（5）分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

針對(duì)移相相減法在端射方向的能量衰減問(wèn)題，本文首先推導(dǎo)了移相相減法合成波束函數(shù)，并分析了雙線陣陣間距和目標(biāo)角度對(duì)移相相減法合成波束產(chǎn)生的影響；然后依據(jù)移相相減法所得心形指向性函數(shù)變化形式，提出了一種基于能量補(bǔ)償修正的移相相減方法。

理論推導(dǎo)分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，通過(guò)能量補(bǔ)償修正技術(shù)，可有效降低移相相減法所得心形指向性函數(shù)對(duì)波束形成結(jié)果的影響；當(dāng)目標(biāo)位于端射方向時(shí)，相比原移相相減法，本文方法可以對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)；在同一衰減比下，探測(cè)能力增加了10°以上，擴(kuò)大了移相相減法對(duì)目標(biāo)方位角適用范圍，具有較好的穩(wěn)健性，便于工程應(yīng)用。