大孔径光纤拖曳阵阵形畸变对波束零陷的影响*

高守勇　邱秀分　申和平　孙春艳

(1. 91388部队　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)



大孔径光纤拖曳阵阵形畸变对波束零陷的影响*

高守勇1邱秀分2申和平2孙春艳2

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

阵形畸变是大孔径光纤拖曳阵信号处理中必须考虑的问题，不同程度的阵形畸变会对后续的信号处理性能产生一定的影响。波束零陷技术是广泛应用于拖曳阵探测系统中的强干扰抑制方法，在本舰强干扰抵消和弱目标检测方面起着重要作用。论文对拖曳线列阵畸变为弧线阵形后对波束零陷性能的影响进行了研究。通过对不同畸变程度的弧线阵形进行仿真，对比分析了直线阵形与弧线阵形的处理效果。仿真结果表明，阵形纵坐标偏离横轴4m后若仍用直线阵形进行后续的信号处理，目标波束的主瓣变宽、测向精度下降、强干扰抑制效果变差、弱目标检测效果受到严重影响，此时必须利用阵形校正算法对阵形进行校正。

光纤水听器; 大孔径拖线阵; 强干扰抵消; 零陷波束形成; 阵形畸变

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

Class NumberTB565

1　引言

阵形畸变对拖线阵探测性能的影响研究大部分是对双线阵左右舷分辨的影响，且均为基于常规波束形成[4～5]，有关强干扰抑制算法影响的文献很少。本文通过仿真分析了阵形畸变对波束零陷形成性能的影响，并研究了不同频率对阵形畸变的敏感程度。

2　阵形畸变模型

拖曳线列阵在拖曳的过程中，由于海流等因素的影响，阵形畸变不可避免，特别是长线阵在低速拖曳或转弯时更易产生阵形畸变。经分析，线列阵畸变阵形可近似为一段弧线[6～7]。在直角坐标系中画出畸变的弧线阵形如图1所示。

图1　弧线阵形示意图

(1)

式(1)中，R是圆弧的半径，ηi为第一阵元与后续任意阵元连线偏离拖船前进方向的夹角，由式(1)可以得到各个水听器的真实位置。3基于Bartlett权的远场波束零陷形

成方法

3.1算法原理

在高速公路桥梁施工伸缩缝结构处理的前期，施工技术部门要结合施工图纸和具体操作流程进行系统化技术交底，并且要对伸缩缝异行边缘的顺直程度以及平整度等进行统筹分析，关注缝隙之间的间隙结构，从而提升施工流程的基本效果。最重要的是，在施工过程中，技术部门要对机器进行集中筛查，合理提升设备配备的完整性，也为公路桥梁质量管理优质性奠定基础。

不同波束形成方法的原理基本相同，针对窄带信号波束输出均满足式(2)：

y(t)=WH(θ)X(t)

(2)

式中W(θ)=[W0(θ),W1(θ),…,WM(θ)]T为波束形成权矢量，θ是波束的指向角。其中每个元素都是一个复数，模表示对阵元输出信号的幅度加权，辐角表示对阵元输出信号的相位补偿。

各种波束形成的不同之处在于式(2)中的加权向量各不相同，下面介绍如何获得零陷波束形成的加权向量。

零陷波束形成[8～10]的加权向量获取准则是：使目标方位上波束形成功率输出最大，而使所有干扰方向的波束输出为零。假设目标的方位为θ，干扰的方位为θ1，则最优化求解的问题可以表述为

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

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

(3)

在下述条件下的解：

(4)

式中，max表示取最大值，W为待求解的最优权，X(t)为接收数据。a(θ1)干扰的导向矢量，经过求解可得波束零陷的最佳权向量为

(5)

式中，A=[I-a(θ1)(aH(θ1)a(θ1))-1aH(θ1)]，式(5)中目标的方位是可以扫描的，干扰的方向是确定的，实际应用时需给定干扰的方位，干扰可以是一个也可以是多个，当存在多个干扰时，新的约束条件为

WHa(θ1)=0,WHa(θ2)=0，…，WHa(θN)=0

(6)

式中，θi为第i个干扰方向矢量。由此可以得到多个干扰目标时的加权向量为

(7)

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

得到加权向量后，利用加权向量对接收数据进行加权，即可得到零陷后的波束输出。

Popt(θ)=WHRW

(8)

当信号为宽带信号时，处理方式是将接收信号在频域上划分为若干个窄带信号，然后在每个子带上用窄带波束形成算法估计目标的方位谱。因此，上述导向矢量的表达式除了与θ相关外，还与频率f相关，第i个频段的导向矢量为

a(θ,fi)=[1,e-j2πfiτ,…,e-jM2πfiτ]T

(9)

最后再将所有频段的输出累加，得到宽带的结果：

(10)

式中，ξi为各个子带能量加权系数，通常取该系数为1。

3.2仿真结果分析

波束零陷技术需要给定正确的干扰抵消方向，在抵消前需进行常规波束形成获得需要抵消的干扰方向。当阵形畸变时，通过常规波束形成获得的干扰方向与真实的干扰方向存在偏差，从而会对干扰抵消的效果产生影响。接下来对不同畸变程度阵形下Bartlett权波束零陷形成方法性能进行仿真。

仿真条件：间距为2.4m的128基元大孔径拖曳线列阵，分别对阵形偏离横轴1m、4m和8.5m的情况进行仿真，对比未估计阵形与估计阵形的波束零陷形成效果。仿真中认为实际接收阵形即为估计阵形，两个目标一强一弱，频率为250Hz、300Hz，分别从60°、63°方向入射到接收阵，两个目标的能量之差为15dB。

1) 实际接收阵形为纵坐标偏离横轴最大1m，仿真结果如图2～图5所示。

从常规波束形成的效果来看，阵形畸变1m后没有对方位估计的结果产生影响，未进行阵形估计与进行阵形估计得到的方位均为60°。从抵消的对比图来看，估计阵形可以将强干扰完全抵消，弱目标被凸显出来。而用未估计的阵形对强干扰进行抵消后发现，强干扰抵消得并不彻底，抵消了16dB左右，抵消后强干扰的能量与弱目标相差不大。

图2　估计前后阵形对比图

图3　阵形估计前后波束形成效果图

图4　未估计阵形波束零陷前后效果图

图5　估计阵形波束零陷前后效果图

2) 实际接收阵形为纵坐标偏离横轴最大4m，仿真结果如图6～9所示。

图6　估计前后阵形对比图

图7　阵形估计前后波束形成效果图

图8　未估计阵形波束零陷前后效果图

图9　估计阵形波束零陷前后效果图

从常规波束形成的效果来看，阵形畸变4m后，未进行阵形估计与进行阵形估计得到的方位分别为60°和61°，未进行阵形估计得到的干扰方向有1°的误差。从抵消的对比图来看，估计阵形可以将强干扰完全抵消，弱目标被凸显出来。而用未估计的阵形对强干扰抵消后，抵消效果较仿真1中又差了一些，仅抵消了9dB左右。抵消后强干扰的能量还要比弱目标强5dB，弱目标仍没有被检测出来。

3) 实际接收阵形为纵坐标偏离横轴最大8.5m，仿真结果如图10～13所示。

图10　估计前后阵形对比图

图11　阵形估计前后波束形成效果图

图12　未估计阵形波束零陷前后效果图

图13　估计阵形波束零陷前后效果图

从常规波束形成的效果来看，阵形畸变8.5m后，未进行阵形估计与进行阵形估计得到的方位分别为60°和62°，未进行阵形估计得到的干扰方向有2°的误差。从抵消的对比图来看，估计阵形可以将强干扰完全抵消，弱目标被凸显出来。而未进行阵形估计的强干扰抵消效果较仿真2中又差了一些，仅抵消了4dB左右。

4) 在仿真3的基础上，改变强目标的频率为100Hz，弱目标的方位为65°，仿真结果如图14、15所示。

图14　未估计阵形波束零陷前后效果图

图15　估计阵形波束零陷前后效果图

仿真4与仿真3的区别在于强干扰的频率不同，虽然抵消后也未检测到弱目标，但抵消前后的能量差有11dB，较相同畸变程度下高频的效果要好。这说明，在阵形畸变程度相同的情况下，强干扰的频率低时抵消效果更好，由此证明高频受阵形畸变更敏感。

4　结语

强干扰抵消对拖线阵的探测是比较重要的问题，通过仿真分析阵形畸变对零陷波束形成算法的影响，可以得到以下结论：1)当阵形畸变大于4m时，需要进行阵形估计才能达到较好的抵消效果。2)强干扰的频率越高，零陷波束形成对阵形畸变越敏感。因此，大孔拖线阵在实际探测时需要安装姿态传感器，对阵形的位置进行实时估计，这样可以保证最好的抵消效果。

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[3] J. A. Bucaro，H. D. Dardy，E. Carome.Fiber-optic Hydrophone[J]. The Journal of the Acoustical Society of America,1977,62(5):1302-1304.

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[5] 林鹏，宫在晓，郭永刚.基于阵形畸变补偿的多线阵左右舷分辨研究[J].应用声学，2012，31(1):54-59.

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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

国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(编号：2013YQ140431)资助。

高守勇，男，高级工程师，研究方向：水声工程。邱秀分，女，工程师，研究方向：水声信号处理。申和平，男，高级工程师，研究方向：水声信号处理。孙春艳，女，工程师，研究方向：水声信号处理。

TB565

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.041