实测宽带阵列流形快速获取方法

郭 涛, 吴亚军



实测宽带阵列流形快速获取方法

郭 涛, 吴亚军

(驻西安东风仪表厂军代室, 陕西 西安, 710075)

针对传统阵列流形获取方法在宽带阵列流形获取中测试时间长和信号处理复杂的缺点, 提出了基于快速傅里叶变换（FFT）的实测宽带阵列流形的快速获取技术, 该技术结合实际水下声接收基阵, 由测量数据得到实测阵列流形, 进而利用此实测阵列流形进行波束形成, 并通过仿真数据和实测数据对比研究了该方法的可行性和有效性。与传统实测阵列流形的获取方法相比, 该方法具有测量快速、运算简单等特点。试验结果表明, 该方法对于宽带声学基阵的波束优化和实测流形具有重要的工程应用价值。

宽带阵列; 声学基阵; 快速傅立叶变换; 信号处理; 波束优化; 阵列流形

0 引言

鉴于宽带信号具有目标回波携带的信息量大及混响背景相关性弱而有利于目标检测、参量估计和目标特征提取等特点, 宽频带成为提高鱼雷自导系统性能的一个重要技术途径和热点问题。

众所周知, 在实际水下声接收系统中, 由于阵列的设计、生产以及安装等原因使得实际阵列流型与理想阵列流型失配。对于一些特殊的阵列如体积阵, 对某些阵元存在的遮蔽会加剧实际阵列流形与理想阵列流形的失配。这时如果采用理想阵列流形设计波束会引起实际波束的旁瓣升高、主瓣畸变。本文针对实测阵列流形的获取, 提出了一种基于快速傅立叶变换(fast Fourier trans- form, FFT)的宽带阵列流形的快速获取技术。

该技术结合实际水下声接收基阵, 由测量数据得到实测阵列流形, 进而利用此实测阵列流形进行波束形成。

1 理想阵列流形的获取

一般地, 在感兴趣的方位空间上, 所有的阵列响应向量的集合定义为阵列流形, 即

由式(1)可知, 在根据阵元位置计算阵列流形时, 关键是求出各阵元接收到的信号相对于参考点的时间延迟。考虑由个传感器在空间任意排列组成的阵列, 接收远场中点的信号, 分别用和表示源点的方位角和俯仰角, 如图1所示。

图1 空间任意阵接收信号示意图

用表示第号阵元的位置, 则[x,y,z]。假设选取第0号阵元的位置0为参考点, 那么, 当远场信号从(,)方向入射时,号阵元接收到的信号相对于参考点的时延为

其中

式中:为声速;表示(,)方向的方向向量。

将式(2)代入式(1), 即可得阵列对(,)方向入射的信号的响应向量。若各阵元对(,)方向入射的信号的灵敏度相同, 均记为1, 则

2 实测阵列流形的获取

2.1 传统窄带实测流形获取方法

为了得到水下声接收基阵的实测阵列流形对各个阵元的输出变换见图2所示。

图2 阵列流形获取

设阵元接收的窄带信号经A/D转换为离散信号序列

式中:是信号的数字频率,且=f/f,f为信号的频率,f为采样频率。把()乘以同频复指数信号后, 得

则

当2为整数时, 式(8)右边第2项为零, 则该式可简化为

这就得到了信号()的幅度和相位。所以在选择信号长度时, 应使得2为整数。

各个阵元的输出经过上述处理后, 就得到了试验基阵对从某个方向来的窄带信号的响应向量。对各个不同方向的响应向量的集合, 构成了试验基阵的实测阵列流形。至于应该在多少个方向上测量基阵的响应向量, 则应视具体情况而定, 其选取主要是依据声纳系统要求的测向精度而定。为了减小噪声、随机测量误差和随机干扰等随机误差的影响, 可以利用多次测量数据来平均得到实测阵列流形[1]。

2.2 改进的宽带实测流形获取方法

与宽带阵列信号处理方法相比, 传统的窄带实测流形获取方法在处理宽带信号时存在一些问题, 如处理和测试时间长, 处理算法过于复杂, 需要对接收到的信号进行逐个频率点的分段等。对此, 本文提出了一种基于FFT算法的实测阵列流形快速获取技术, 其处理框图如图3所示。

图3 宽带阵列流形快速获取

图3中,为截取的单频信号信号长度,为FFT的点数,0为FFT后选取的频率点对应的位置。一般情况下,0=×f/F,=, 所以在选择单频信号信号长度时应使每一个0都可以得到整数0。

该方法主要实现步骤如下：

1) 接收有信号源发出的需要测量的频率点的单频正弦波(continuous wave, CW)信号脉冲串, 其中频率的选择根据测试精度决定;

2) 用被测阵接收CW信号脉冲串, 进行信号分段, 并对其做FFT运算, 得到信号的频域输出; 3) 根据选取的频率点计算对应的0, 求出该基阵在各个频率点的归一化幅度响应和相位响应, 然后得到该方位的阵列流形为exp()。

其中数据采集系统的采样频率一般选择所有观测频率点的整数倍, 数据观测长度一般选择系统的采样频率的整数倍。

3 宽带实测阵列流形获取的试验研究

试验布局如图4。系统工作频率为19~33 kHz, 在试验中, 每1 kHz发射一个CW脉冲, 其脉冲宽度为2 ms, 脉冲间隔为8 ms, 基阵的接受通道数为26, 基阵0°方位时接收到的脉冲信号如图5所示。

图4 试验系统结构

图6和图7分别给出了在0°方位和25°方位上采用上述方法得到的实测阵列流形形成的常规波束图[2-3]。

图8给出了在25 kHz时, 0°方位的理论和实测流形常规波束图比较。其中, 实线代表实测流形获得的波束图, 虚线代表理论流形获得的波束图。由图中可以看出, 采用上述实测阵列流形快速获取技术得到的实测流形是准确可行的。

图5 基阵0°方位时接收到的脉冲信号

图6 各频率点0°方位常规波束图

图7 各频率点25°方位常规波束图

图8 25 kHz 0°方位处理论流形和实测流形波束图对比

4 结束语

本文根据宽带信号具有利于目标检测、参量估计和目标特征提取等特点, 针对实测阵列流形的获取提出了一种基于FFT变换的宽带阵列流形的快速获取技术。与传统实测阵列流形的获取方法相比, 其具有测量快速、运算简单等特点。试验结果表明, 该技术对于宽带声学基阵的波束优化和实测流形具有重要的工程应用价值。

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A Method for Quickly Acquiring Maniflod of Measured Broadband Array

GUO Tao, WU Ya-jun

(Military Representative Office Stationed in Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi′an 710065, China)

A rapid acquirement method of measured broadband array based on fast Fourier transform (FFT) is proposed to shorten the measurement time and simplify the signal processing during the acquirement period. Combining underwater receiving acoustic array, broadband array manifold is obtained from measured data, and beamforming is hence completed by using the array manifold. Comparison of measured data and simulation data verifies the feasibility and effectiveness of the method. Experimental results show that this method has the advantages of faster measurement and simpler calculation than the conventional method, and can be applied to beam optimization and manifold measurement of broadband acoustic array.

broadband array; acoustic array; fast Fourier transform (FFT); signal processing; beam optimization; array manifold

TJ630.34; TN911.23

A

1673-1948(2011)04-0268-03

2010-11-05;

2010-12-25.

郭 涛(1971-), 男, 硕士, 研究方向为鱼雷总体技术.

(责任编辑: 杨力军)