垂直矢量阵声图被动定位技术研究

　　0 引言

　　声图被动定位技术[1-3]是一种适用于近场的精确被动定位技术。辐射噪声源的等效声学中心称为辐射亮点,声图则由辐射亮点组成。定位的核心方法是聚焦波束形成[4-5],其本质是对相位(或时延)进行补偿求和。

　　算法可以采用大型的水平阵或垂直阵进行测量,关于水平阵的测量方法以及部分实验分析[6-8]结果已有文献进行了详细阐述。关于水平阵的研究较多主要是因为对于浅海近场来说布阵更安全隐蔽,如20m深的海域可以在海底布放100m长的水平阵,而如果布放垂直阵则会影响舰船的正常航行,也更易被发现。但是对于较深较开阔海域则垂直阵存在其自身的优势。首先垂直阵的布放更为简单,而更为主要的原因在于文中将要阐述的垂直阵良好的抗多途性能。由于海洋环境复杂,多途效应对水平阵影响较大,需要通过虚拟时间反转镜和虚阵技术来抑制多途影响[1-3],而垂直线列阵的声图被动定位方法其本身从物理上就具有抑制多途效应的性能,对于目标定位有更为直接的效果。由于垂直声压阵的指向性缺陷,只能测距和测深不能测向,文中讨论了采用垂直矢量阵来进行被动定位的方法,利用矢量阵来进行测向[9-12],与声压阵的声图测量就结果相结合,给出了处理过程的框图。经理论分析及仿真研究证明处理方法可行。

　　1 垂直阵声图测量原理

　　以垂直线阵为例,典型的声图测量示意图如图1所示。

　　声图被动定位的核心是动态聚焦波束形成[4-5]。首先,在测量区的扫描平面内打网格,每个网格焦点称为一个“像素”点,网格大小对应的即为声图的分辨率。利用聚焦波束形成对测量区内每个像素点进行扫描。设阵元间距为d,阵元数为M,阵元序号i(1~M). Ri为目标声源到阵元i斜距。Ris为扫描点到阵元i的斜距,声速为c.假设声源辐射信号为s(t),声源声场为球面波,且在理想条件下,则扫描点的聚焦波束输出为[1]

　　当(1)式中时延补偿量

　　各阵元接收信号取得同相叠加,在声图上出现亮点,即为目标声源所在位置。典型的声图扫描结果如图2所示。

　　图2(a)和图2(b)为Oyz竖直面扫描结果,图2(a)为B式显示,图2(b)为三维立体显示,目标位置在图2(a)反映为亮点,图2(b)反映为峰值,二者相对应。通过观察亮点的位置可以测得目标声源的深度和水平距离(或目标声源的斜距和俯仰角)。图2(c)、图2(d)为目标所在水平面内声图结果。

　　由图可见,由于指向性的关系(垂直声压阵在水平面内是无指向性的),单个声源测得的水平面声图为一个圆,无法分辨目标的水平方位,因此要采用矢量阵的形式对目标进行水平方位测量。在实际应用中,通过竖直面扫描即可获得目标的水平距离和深度,一般不采用水平面扫描的测量方法。