近場聚焦在大孔徑光纖拖曳探測系統中的應用

高守勇 孫春艷 申和平 邱秀分

(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)

近場聚焦在大孔徑光纖拖曳探測系統中的應用

高守勇1孫春艷2申和平2邱秀分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)

大孔徑光纖水聽器拖曳偵測系統廣泛應用的方位估計方法是遠場波束形成,該方法假設目標在陣列的遠場區域,適用于估計遠距離目標的方位。而遠近場存在臨界距離,大孔徑陣列的遠近場臨界距離較遠,實際中會有很多目標處于大孔徑陣列的近場。對該類目標進行遠場近似處理,獲得的方位幅度圖會發生畸變,并影響方位估計的精度。針對這類目標,論文通過仿真和實際海上拖曳探測數據對比了近場聚焦與遠場波束形成的性能。結果表明,對不能近似為遠場的目標,近場聚焦可獲得更窄的波束寬度與更強的聚集能量,可有效提高目標測向精度,并實現目標距離的估計。證明了近場聚焦在大孔徑光纖水聽器拖曳偵測系統中的應用價值。

光纖水聽器; 大孔徑拖曳線列陣; 臨界距離; 近場聚焦; 距離估計

Class Number TN911

1 引言

隨著減震降噪技術的發展,艦船輻射噪聲越來越微弱。要實現對低頻遠距離目標的被動探測,必須借助于大孔徑陣列。光纖水聽器采用多路復用,易于構建大孔徑大規模線列陣,可實現對水下低頻安靜型目標的偵察與探測[1]。本文關注大孔徑的光纖拖曳線列陣探測系統的信號處理研究。拖曳偵測系統一般針對距離較遠的目標,這些目標可近似認為在陣列的遠場區域。由于陣的孔徑較大,遠近場的臨界距離就大[2]。一些小孔徑陣列可看作遠場的目標,對大孔徑拖曳線列陣系統來說可能不符合遠場的假設,利用遠場的信號處理方法將導致探測性能下降。

波束形成是拖曳探測系統常用的信號處理技術[3～4],按時延的補償方式主要分為遠場波束形成和近場波束形成兩種。已有的拖曳偵測系統中大部分應用的是遠場波束形成,實現對目標的測向。而近場波束形成一般應用于近距離的定位和聲圖測量當中[5～7],在拖曳偵測系統中的應用較少。

本文針對大孔徑拖曳線列陣系統中一些不能被假設為遠場的目標,通過仿真和實驗對比分析了遠近場波束形成的處理性能。

2 遠近場波束形成原理

波束形成的原理是利用具有一定幾何形狀排列的陣列接收目標信號,然后經過延時、加權、求和等處理使其形成一定的空間指向性,從而獲得一定的陣增益,達到抑制噪聲,提高信噪比的目的,它相當于空間上的濾波器[8～10]。

假設陣列接收數據為

x(t)=[x1(t),x2(t),…,xN(t)]T

(1)

式(1)中:

xi(t)=s(t-τi)

(2)

則波束形成器的輸出為

(3)

式中:ωi為幅度加權值,τi為時延補償量。

遠場波束形成與近場聚焦的不同就在于時延補償量的計算方法不同。近場聚焦波束形成是基于球面波假設的,它主要關注的是目標距離與陣的孔徑相近的近場,同時利用方位和距離來計算時延補償量。而遠場波束形成是基于平面波假設的,根據方位計算聲波到達的時延差,進行補償,獲得陣的指向性,實現對目標方位的估計。它適用于遠場,只能測向。

圖1給出了近場聲源與陣列之間的關系示意圖[2]。

圖1 近場聲源與陣列關系

圖1為近場聲源與陣元的關系,假設陣元的數目為M,間距為d,以1號基元作為參考基元,聲源位于(r,θ)處。則最遠端的陣元接收信號相對于1號基元的時延為

τMN=rM-r1/c

(4)

式(4)中rM為聲源與最遠端第M個基元的距離。rM滿足式(5):

(5)

θ=[0°,180°]為從陣首開始計算的角度,將上式展開并略去高階項,得到:

τMN=-(M-1)·d·cosθ/c+(M-1)2·d2·sin2θ/2rc

(6)

當目標處于遠場時,即聲源的距離r相對于陣列的有效孔徑(M-1)·d很大,第二項可以忽略,時延就僅與方位有關。則得到遠場波束形成的時延補償關系公式為

τMF=-(M-1)·d·cosθ/c

(7)

3 遠近場波束形成性能分析

3.1 仿真數據分析

3.1.1 遠場波束形成性能分析

仿真條件:近場點源目標,頻率為312.5Hz,接收陣列為128元等間距線列陣,陣元間距為半波長間距2.4m。目標相對于陣中心一定距離從某一方向入射到接收陣,目標處的聲源級為140dB,陣元處的噪聲級為80dB,改變目標的距離和方位,觀察遠場波束的性能。

目標方位設置為90°,目標距離分別設置為8000m和4000m,遠場波束形成保證接收點處信號能量不變,對噪聲進行抑制,效果圖如圖2、3所示。

圖2 目標8000m時遠場輸出

從結果可以看出,目標距離8000m時遠場波束形成的測向是準確的,且主瓣比較尖銳。而在目標距離4000m時遠場波束形成的波束出現了分裂,不能準確地判斷目標的個數和方位。

圖3 目標4000m時遠場輸出

改變目標方位為30°,目標距離分別設置為4000m和1000m,遠場波束形成效果圖如圖4、5所示。

圖4 目標4000m時遠場輸出

圖5 目標1000m時遠場輸出

從結果可以看出,目標距離4000m時遠場波束形成的測向是準確的,且主瓣比較尖銳。而在目標距離1000m時遠場波束形成的波束出現了分裂,不能準確地判斷目標的個數和方位。

由以上仿真結果可知,同一方位下,隨著目標距離的減小,遠場波束形成的主瓣寬度會增大。當小于一定距離后主瓣還會出現分裂的現象。并且,遠近場的臨界距離與目標的入射方位有關,目標越靠近正橫方向,遠近場臨界距離越大。

3.1.2 近場聚焦性能分析

仿真條件:近場點源目標,頻率為312.5Hz,接收陣列為128元等間距線列陣,陣元間距為半波長間距2.4m。目標相對于陣中心一定距離從90°方向入射到接收線陣,目標處的聲源級為140dB,陣元處的噪聲級為80dB,目標的距離為1000m,分別設置聚焦距離為800m、1000m、1500m、8000m,保證接收點處信號能量不變,對噪聲進行抑制,得到的聚焦結果如圖6～9所示。

圖6 聚焦距離800m

圖7 聚焦距離1000m

圖8 聚焦距離1500m

圖9 聚焦距離8000m

從以上結果可以看出,聚焦距離越接近目標距離,該聚焦距離下的近場聚焦的波束主瓣就越窄,方位估計精度越高,得到的聚焦峰值能量也越大。此時8000m的距離處近似為遠場,聚焦的主瓣寬,且無法得到目標的方位。

3.1.3 深度對近場聚焦性能的影響

圖10 聚焦距離800m

圖11 聚焦距離1000m

以上造信號與近場聚焦處理均沒有考慮深度的影響,僅對方位和距離進行掃描。下面考慮深度對近場聚焦結果的影響。仿真條件與3.1.2節基本相同,僅在造信號時加入了目標的深度信息,設置陣列接收深度為0m,目標深度為30m。近場聚焦時仍然僅對方位和距離進行掃描,得到的聚焦結果如圖10～13所示。

圖12 聚焦距離1500m

圖13 聚焦距離8000m

從以上結果可以看出,方位估計效果與3.1.2節相同,輸出功率也幾乎沒有差別。由此說明,近場聚焦對水平方位角進行估計時可以忽略深度的影響。

3.2 拖曳實驗數據分析

拖曳實驗的主要內容是進行被動拉鋸實驗,包括一條聲源船和一條測量船,聲源船發射不同頻率的單頻和脈沖信號。以下對128元2.4m間隔的線陣列海上拖曳試驗數據進行分析。該數據中分析的目標并不是合作聲源船,而是海上其他目標,在雷達上也有跟蹤到。

1) 3000m左右距離的目標數據

對該時刻的數據進行近場聚焦處理,設置的聚焦距離分別為:800m、1000m、1500m、3000m和8000m,不同聚焦距離下得到近場聚焦后的方位幅度圖及其歸一化顯示效果如圖14、15所示。

該時刻,通過其它手段獲得該目標的距離為3037m,從圖10中可以看出3000m的聚焦距離處的目標輸出能量最大。圖14為圖15中各個距離的聚焦曲線分別進行歸一化的結果,從圖14中可以清晰地看出3000m聚焦距離的波束主瓣是最窄的。

圖14 不同聚焦距離下的方位幅度圖

圖15 方位幅度圖的歸一化結果

2) 1500m左右距離目標數據

對該時間的數據進行近場聚焦處理,設置與第1)節中相同的距離,不同聚焦距離下得到近場聚焦后的方位幅度圖及其放大后的顯示效果如圖16、17所示。

圖16 不同聚焦距離下的方位幅度圖

該時刻,其它手段測得70°附近的目標距離為1611m。從不同聚焦距離下的方位幅度圖可以看出,聚焦距離為1500m時得到的波束圖具有最窄的主瓣和最強的輸出能量,聚焦效果是最好的,那么可以判定該目標在1500m的附近,且可以得到目標的方位為67°。而聚焦距離為8000m時可以近似為遠場,該距離下測得的目標方位為69°,且波束主瓣很寬,能量較1500m的聚焦結果下降3dB,這說明對于該目標如果仍采用遠場波束形成處理,方位估計精度會下降2°,探測距離也會下降。

圖17 不同聚焦距離下的方位幅度圖局部放大

3) 不同聚焦距離下方位歷程圖的對比

圖18 聚焦距離1000m的方位歷程

圖19 聚焦距離1500m的方位歷程

對1500m左右距離上目標數據分別進行不同聚焦距離的近場波束形成和遠場波束形成,得到方位歷程圖如圖18～21所示。

圖20 聚焦距離3000m的方位歷程

圖21 遠場波束形成的方位歷程

從以上結果可以看出,對于方向從60°變化到150°的目標來說,1500m聚焦距離處得到的軌跡線最細,說明該目標位于1500m附近。

4 結語

通過仿真和實驗數據分析可以得到以下結論。 1) 遠近場的臨界距離與目標的入射方位有關,入射方位越靠近正橫方位,遠近場臨界距離越大。 2) 當目標處于陣列的近場時,近場聚焦可以獲得較遠場波束形成更高的探測精度和更窄的主瓣寬度。 3) 近場聚焦的距離越接近目標的距離,聚焦效果越好,可以通過各個距離聚焦效果的對比,得到目標距離的估計。 4) 利用近場聚焦對目標的水平方位角進行估計時,可以忽略深度的影響。

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Application of Near-field Beam-forming in Large-aperture Optical Towed Detection System

GAO Shouyong1SUN Chunyan2SHEN Heping2QIU Xiufen2

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

Far-filed beam-forming usually determine the direction of a long-range target by approximation at the far-field area of the array. It is widely used in the detection system of large-aperture optical towed linear arrays. However, there has a critical distance between far-near-field. A large-aperture array has a larger far-near-field critical distance. Actually, multiple targets are located in near-field for a large-aperture linear array. In these circumstances, if far-field beam-forming is still used for approximate processing, it will cause bearing-amplitude distortion which seriously influences the precision of the target direction estimate. For such targets, the performance of near-field focused beam-forming and far-field beam-forming are compared through simulation and towed trials data. The results show that when detecting targets which can’t be considered to be located in far-field, near-field focused beam-forming can achieve the narrowest beam width and the strongest focused energy. It can also effectively improve the precision of target direction finding and estimate target distance. The value of applying near-field focused beam-forming in the detection system of large-aperture optical towed linear arrays is confirmed.

optical hydrophone, large-aperture towed linear array, critical distance, near-field focus beam-forming, distance estimation

2016年7月10日,

2016年8月15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。孫春艷,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。邱秀分,女,工程師,研究方向:水聲信號處理。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.030