近场聚焦在大孔径光纤拖曳探测系统中的应用

高守勇 孙春艳 申和平 邱秀分

(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)

近场聚焦在大孔径光纤拖曳探测系统中的应用

高守勇1孙春艳2申和平2邱秀分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)

大孔径光纤水听器拖曳侦测系统广泛应用的方位估计方法是远场波束形成,该方法假设目标在阵列的远场区域,适用于估计远距离目标的方位。而远近场存在临界距离,大孔径阵列的远近场临界距离较远,实际中会有很多目标处于大孔径阵列的近场。对该类目标进行远场近似处理,获得的方位幅度图会发生畸变,并影响方位估计的精度。针对这类目标,论文通过仿真和实际海上拖曳探测数据对比了近场聚焦与远场波束形成的性能。结果表明,对不能近似为远场的目标,近场聚焦可获得更窄的波束宽度与更强的聚集能量,可有效提高目标测向精度,并实现目标距离的估计。证明了近场聚焦在大孔径光纤水听器拖曳侦测系统中的应用价值。

光纤水听器; 大孔径拖曳线列阵; 临界距离; 近场聚焦; 距离估计

Class Number TN911

1 引言

随着减震降噪技术的发展,舰船辐射噪声越来越微弱。要实现对低频远距离目标的被动探测,必须借助于大孔径阵列。光纤水听器采用多路复用,易于构建大孔径大规模线列阵,可实现对水下低频安静型目标的侦察与探测[1]。本文关注大孔径的光纤拖曳线列阵探测系统的信号处理研究。拖曳侦测系统一般针对距离较远的目标,这些目标可近似认为在阵列的远场区域。由于阵的孔径较大,远近场的临界距离就大[2]。一些小孔径阵列可看作远场的目标,对大孔径拖曳线列阵系统来说可能不符合远场的假设,利用远场的信号处理方法将导致探测性能下降。

波束形成是拖曳探测系统常用的信号处理技术[3～4],按时延的补偿方式主要分为远场波束形成和近场波束形成两种。已有的拖曳侦测系统中大部分应用的是远场波束形成,实现对目标的测向。而近场波束形成一般应用于近距离的定位和声图测量当中[5～7],在拖曳侦测系统中的应用较少。

本文针对大孔径拖曳线列阵系统中一些不能被假设为远场的目标,通过仿真和实验对比分析了远近场波束形成的处理性能。

2 远近场波束形成原理

波束形成的原理是利用具有一定几何形状排列的阵列接收目标信号,然后经过延时、加权、求和等处理使其形成一定的空间指向性,从而获得一定的阵增益,达到抑制噪声,提高信噪比的目的,它相当于空间上的滤波器[8～10]。

假设阵列接收数据为

x(t)=[x1(t),x2(t),…,xN(t)]T

(1)

式(1)中:

xi(t)=s(t-τi)

(2)

则波束形成器的输出为

(3)

式中:ωi为幅度加权值,τi为时延补偿量。

远场波束形成与近场聚焦的不同就在于时延补偿量的计算方法不同。近场聚焦波束形成是基于球面波假设的,它主要关注的是目标距离与阵的孔径相近的近场,同时利用方位和距离来计算时延补偿量。而远场波束形成是基于平面波假设的,根据方位计算声波到达的时延差,进行补偿,获得阵的指向性,实现对目标方位的估计。它适用于远场,只能测向。

图1给出了近场声源与阵列之间的关系示意图[2]。

图1 近场声源与阵列关系

图1为近场声源与阵元的关系,假设阵元的数目为M,间距为d,以1号基元作为参考基元,声源位于(r,θ)处。则最远端的阵元接收信号相对于1号基元的时延为

τMN=rM-r1/c

(4)

式(4)中rM为声源与最远端第M个基元的距离。rM满足式(5):

(5)

θ=[0°,180°]为从阵首开始计算的角度,将上式展开并略去高阶项,得到:

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

(6)

当目标处于远场时,即声源的距离r相对于阵列的有效孔径(M-1)·d很大,第二项可以忽略,时延就仅与方位有关。则得到远场波束形成的时延补偿关系公式为

τMF=-(M-1)·d·cosθ/c

(7)

3 远近场波束形成性能分析

3.1 仿真数据分析

3.1.1 远场波束形成性能分析

仿真条件:近场点源目标,频率为312.5Hz,接收阵列为128元等间距线列阵,阵元间距为半波长间距2.4m。目标相对于阵中心一定距离从某一方向入射到接收阵,目标处的声源级为140dB,阵元处的噪声级为80dB,改变目标的距离和方位,观察远场波束的性能。

目标方位设置为90°,目标距离分别设置为8000m和4000m,远场波束形成保证接收点处信号能量不变,对噪声进行抑制,效果图如图2、3所示。

图2 目标8000m时远场输出

从结果可以看出,目标距离8000m时远场波束形成的测向是准确的,且主瓣比较尖锐。而在目标距离4000m时远场波束形成的波束出现了分裂,不能准确地判断目标的个数和方位。

图3 目标4000m时远场输出

改变目标方位为30°,目标距离分别设置为4000m和1000m,远场波束形成效果图如图4、5所示。

图4 目标4000m时远场输出

图5 目标1000m时远场输出

从结果可以看出,目标距离4000m时远场波束形成的测向是准确的,且主瓣比较尖锐。而在目标距离1000m时远场波束形成的波束出现了分裂,不能准确地判断目标的个数和方位。

由以上仿真结果可知,同一方位下,随着目标距离的减小,远场波束形成的主瓣宽度会增大。当小于一定距离后主瓣还会出现分裂的现象。并且,远近场的临界距离与目标的入射方位有关,目标越靠近正横方向,远近场临界距离越大。

3.1.2 近场聚焦性能分析

仿真条件:近场点源目标,频率为312.5Hz,接收阵列为128元等间距线列阵,阵元间距为半波长间距2.4m。目标相对于阵中心一定距离从90°方向入射到接收线阵,目标处的声源级为140dB,阵元处的噪声级为80dB,目标的距离为1000m,分别设置聚焦距离为800m、1000m、1500m、8000m,保证接收点处信号能量不变,对噪声进行抑制,得到的聚焦结果如图6～9所示。

图6 聚焦距离800m

图7 聚焦距离1000m

图8 聚焦距离1500m

图9 聚焦距离8000m

从以上结果可以看出,聚焦距离越接近目标距离,该聚焦距离下的近场聚焦的波束主瓣就越窄,方位估计精度越高,得到的聚焦峰值能量也越大。此时8000m的距离处近似为远场,聚焦的主瓣宽,且无法得到目标的方位。

3.1.3 深度对近场聚焦性能的影响

图10 聚焦距离800m

图11 聚焦距离1000m

以上造信号与近场聚焦处理均没有考虑深度的影响,仅对方位和距离进行扫描。下面考虑深度对近场聚焦结果的影响。仿真条件与3.1.2节基本相同,仅在造信号时加入了目标的深度信息,设置阵列接收深度为0m,目标深度为30m。近场聚焦时仍然仅对方位和距离进行扫描,得到的聚焦结果如图10～13所示。

图12 聚焦距离1500m

图13 聚焦距离8000m

从以上结果可以看出,方位估计效果与3.1.2节相同,输出功率也几乎没有差别。由此说明,近场聚焦对水平方位角进行估计时可以忽略深度的影响。

3.2 拖曳实验数据分析

拖曳实验的主要内容是进行被动拉锯实验,包括一条声源船和一条测量船,声源船发射不同频率的单频和脉冲信号。以下对128元2.4m间隔的线阵列海上拖曳试验数据进行分析。该数据中分析的目标并不是合作声源船,而是海上其他目标,在雷达上也有跟踪到。

1) 3000m左右距离的目标数据

对该时刻的数据进行近场聚焦处理,设置的聚焦距离分别为:800m、1000m、1500m、3000m和8000m,不同聚焦距离下得到近场聚焦后的方位幅度图及其归一化显示效果如图14、15所示。

该时刻,通过其它手段获得该目标的距离为3037m,从图10中可以看出3000m的聚焦距离处的目标输出能量最大。图14为图15中各个距离的聚焦曲线分别进行归一化的结果,从图14中可以清晰地看出3000m聚焦距离的波束主瓣是最窄的。

图14 不同聚焦距离下的方位幅度图

图15 方位幅度图的归一化结果

2) 1500m左右距离目标数据

对该时间的数据进行近场聚焦处理,设置与第1)节中相同的距离,不同聚焦距离下得到近场聚焦后的方位幅度图及其放大后的显示效果如图16、17所示。

图16 不同聚焦距离下的方位幅度图

该时刻,其它手段测得70°附近的目标距离为1611m。从不同聚焦距离下的方位幅度图可以看出,聚焦距离为1500m时得到的波束图具有最窄的主瓣和最强的输出能量,聚焦效果是最好的,那么可以判定该目标在1500m的附近,且可以得到目标的方位为67°。而聚焦距离为8000m时可以近似为远场,该距离下测得的目标方位为69°,且波束主瓣很宽,能量较1500m的聚焦结果下降3dB,这说明对于该目标如果仍采用远场波束形成处理,方位估计精度会下降2°,探测距离也会下降。

图17 不同聚焦距离下的方位幅度图局部放大

3) 不同聚焦距离下方位历程图的对比

图18 聚焦距离1000m的方位历程

图19 聚焦距离1500m的方位历程

对1500m左右距离上目标数据分别进行不同聚焦距离的近场波束形成和远场波束形成,得到方位历程图如图18～21所示。

图20 聚焦距离3000m的方位历程

图21 远场波束形成的方位历程

从以上结果可以看出,对于方向从60°变化到150°的目标来说,1500m聚焦距离处得到的轨迹线最细,说明该目标位于1500m附近。

4 结语

通过仿真和实验数据分析可以得到以下结论。 1) 远近场的临界距离与目标的入射方位有关,入射方位越靠近正横方位,远近场临界距离越大。 2) 当目标处于阵列的近场时,近场聚焦可以获得较远场波束形成更高的探测精度和更窄的主瓣宽度。 3) 近场聚焦的距离越接近目标的距离,聚焦效果越好,可以通过各个距离聚焦效果的对比,得到目标距离的估计。 4) 利用近场聚焦对目标的水平方位角进行估计时,可以忽略深度的影响。

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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

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。孙春艳,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。邱秀分,女,工程师,研究方向:水声信号处理。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.030