锐波束形成技术在圆柱阵被动声纳中的应用

丁明惠

(昆明船舶设备研究试验中心 第1研究室，云南 昆明 650051)



锐波束形成技术在圆柱阵被动声纳中的应用

丁明惠

(昆明船舶设备研究试验中心 第1研究室，云南 昆明 650051)

水下被动跟踪系统是通过分析和处理目标辐射的噪声对目标进行定位，目前对于水面、水下等目标的被动跟踪均已得到实际应用。文中针对海上多目标和弱目标被动跟踪问题，采用了圆柱阵锐波束形成方法，通过对圆柱阵采集的信号进行锐波束形成，减小波束主瓣宽度，同时压低副瓣。给出了Matlab仿真和实际应用情况，结果表明，使用该方法圆柱阵的多目标分辨能力得到明显提高。

锐波束形成技术；圆柱阵；双目标分辨

波束形成技术一直是现代声纳的核心技术内容之一，波束形成技术能改善声纳系统的技术性能，有效提高声纳的作用距离，最简单也是最常用的波束形成技术为常规波束[1-3]，但常规波束形成的主瓣较宽，副瓣级较高，不利于多目标分辨和弱目标检测[4-5]。为此，水声工程人员不断研究和探索既能使主瓣尖锐，又能使副瓣级变低的其他波束形成方法，出现了一些如锐波束、自适应波束形成等技术[6-7]。

线列阵锐波束形成技术能在给定线列阵的条件下，降低波束主瓣宽度，同时压低旁瓣，具有计算简单、实时性强等特点。在绥中36-1油田安防系统中，被动监测声纳采用了圆柱形基阵以实现360°测向，油田区域生产平台及作业船只较多，为提高多目标分辨能力，把锐波束形成技术应用于圆柱阵被动声纳上，获得了较好的效果[8-10]。

文中推导了圆柱阵锐波束形成技术的理论公式，并在海上钻井油田区域进行实际验证，结果表明，采用锐波束形成技术，圆柱阵的多目标分辨能力得到明显提高，锐波束形成技术在圆柱形被动声纳基阵上具有较好的应用前景。

1 理论推导

1.1 线列阵常规波束形成原理

图1 线列阵示意图

线列阵通常由一组全向阵元组成，如图1所示。阵元在位置Pn(n=0,1,…,N-1)上对信号进行空间采样。将每个阵元的输入信号加以延时，使之在时间上对齐，然后将其相加求和输出，即为延时求和波束形成，也称常规波束形成。

图2 线列阵锐波束形成原理

若先将图1所示的线列阵平均分成两部分，分别对左、右两边的换能器阵进行常规波束形成。假设左、右两半线列阵各自的常规波束输出分别为RL和RR。则常规波束形成输出为

|S|=|RL+RR|

(1)

对两半线列阵的输出求差，|D|=|RL-RR|，求差波束是右半波束信号与左半波束信号考虑信号相位后进行相减得到的幅度值。线列阵阵的锐波束方程为

RHyp=|RL|+|RR|-|D|

(2)

1.2 圆柱阵锐波束形成原理

假设半径为R的圆柱上均匀排列着M个水听器，从S到T号的水听器输出信号相加形成0°方向的波束，若以圆心O为各水听器时间补偿的参考点，则第i号水听器的时间补偿可写为[11]

(3)

其中，c为声速。

水听器输出的模拟信号经A/D采样后，时间补偿具有不连续性，最小时间补偿为Ts，则上式可改写为

(4)

令

(5)

则τi=n·Ts，其中int[·]表示对[·]里的内容取整。

相对参考点O，第i点提前接收到信号的时间为

(6)

图3 圆弧阵波束形成示意图

(7)

令

(8)

则

(9)

对于入射方向为 的平面波，其在参考点O处的信号记为s(t)，离散后表示为s(n)，则第i路水听器的信号经离散补偿后，可表示为

(10)

对于从S到T号水听器组成的圆弧阵，左半圆弧阵波束输出信号可写为[12]

(11)

右半圆弧阵波束输出信号为

(12)

对两半圆弧阵的输出信号求差，得到圆弧阵的差波束为

|SD(n,θ)|=|SL(n,θ)-SR(n,θ)|

(13)

则从S到T的水听器组成的圆弧阵锐波束方程为

RHyp=|RL|+|RR|-|D|

(14)

SRHyp=|SL(n,θ)|+|SR(n,θ)|-|SD(n,θ)|

(15)

2 Matlab仿真

若线列阵阵元个数N=26，阵元间距d=0.1 m，则线列阵孔径为D=2.5 m，以中心频率f0=3 kHz进行波束形成，常规波束和锐波束的波束图比较如图4所示，常规波束的主瓣宽度约为9.8°，第一副瓣级约为-13 dB；锐波束的主瓣宽度为4°，第一副瓣级约为-20 dB。

对于圆弧阵，若阵元个数N=26,阵元角度间隔θ=4.5°，圆弧半径r=1.51 m，则圆弧阵孔径约为D=2.51 m，同样以中心频率f0=3 kHz进行波束形成，常规波束和锐波束的波束图比较如图5所示，常规波束的主瓣宽度约为9.2°，第一副瓣级约为-10.6 dB；锐波束的主瓣宽度为3.8°，第一副瓣级约为-16 dB。

图4 线列阵波束图

图5 圆弧阵波束图

3 实际应用

中国海洋石油公司某油田安防系统被动监测声纳采用带空腔障板的圆柱形基阵，基阵上水平方向以4.5°为间隔安装80根棒形水听器，圆柱阵直径为3.06 m，如图6所示[13-15]。通过波束输出对360°方向上的目标进行监测，在水平面内均匀形成了80个波束，每次波束形成时利用了26个阵元。

图6 圆柱形被动监测声纳

在海上调试过程中，分别采用常规波束和锐波束形成方法实时对油田区域船只进行监测及测向。

图7为多个目标间隔较远时常规波束形成和锐波束形成方法的波束能量图，对比图7(a)和图7(b)可以看出，常规波束和锐波束形成技术对目标的测向结果一致，但锐波束的波束能量图的目标更突出，更易分辨。由图7可见，有3个目标的辐射噪声较强，另有6个目标的辐射噪声较弱，在225°～270°方向上，采用常规波束仅能分辨一个弱噪声目标，而采用锐波束，能明显分辨出两个弱噪声目标。

图7 多个目标间隔较远的分辨情况

图8为两艘方位角间隔约为10°的近距离作业船只的波束能量图。图8(a)为采用常规波束方法的波束能量图，由图可见，仅能分辨43°方向上的船只；图8(b)为采用锐波束方法的波束能量图，除了43°方向上的船只外，还能分辨出53°方向上的船只。由于两作业船只噪声较大，油田区域的钻井平台及远距离船只等弱信号已经被以上两船只噪声湮没，波束能量图上已无法分辨。

图8 方位角相差10°的两船只分辨情况

4 结束语

锐波束形成技术能在不改变基阵物理结构的情况下，减小波束主瓣宽度，同时压低副瓣，具有比常规波束更好的目标分辨特性。文中推导了圆柱阵锐波束形成技术的理论公式，并在海上钻井油田区域进行实际验证，结果表明，锐波束算法简单，采用锐波束形成技术，圆柱阵的多目标分辨能力得到明显提高，锐波束形成技术在圆柱形声纳基阵上具有较好的应用前景。

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The Application of Super Beam Formation Technology on Cylindrical Array Passive Sonar

DING Minghui

(First Research Room，Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

Underwater passive tracking system locates the targets by analyzing and processing the noise that the target radiated. At present, the passive tracking of surface and underwater target has been practical application. In this paper, aiming at the problem of passive tracking of multi targets and weak targets at sea, the cylindrical array super beam formation(SBF) method is adopted. By super beam forming the signal collected by cylindrical array, the beam width of the main lobe is reduced, and the side lobe is lowered. Finally, Matlab simulation and practical application are given. The results show that the multi-targets distinguishing capability of the cylindrical array is significantly improved by using this method.

super beam formation; cylindrical array; distinguishing of two target

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.008

2016- 02- 01

丁明惠(1986-)，男，硕士，工程师。研究方向：自主水下航行器控制。

TN911.7；TB556

A

1007-7820(2016)12-026-04