改善三元子阵测距精度方法研究

　　声呐系统的主要任务之一是在测向的同时完成对目标距离的测定。主动声呐利用目标的回波或应答信号测定目标的距离，而被动声呐利用目标发出的信号或噪声实现目标距离的测定。两类声呐对目标距离的测量方法有本质的不同，因而测距的精度也大不相同。然而，不论何种测距方法都是利用距离不同引起信号的各种变化来进行间接测量的。

　　传统的被动测距方法分为方位法和时差法，其共同的特点是利用间距相当长的3个或多个子阵，子阵本身具有一定的指向性，可获得良好的空间处理增益。一般来说方位法测距误差较大，实际被动声呐测距常使用时差法。时差法常利用3个子阵，测量波阵面的曲率来完成对目标距离的估计。影响时差法测距精度的因素主要有时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度、信号强度等。

　　1 三元子阵时延估计

　　基于三元子阵时延估计的被动噪声测距声呐利用球面波或柱面波的波阵面曲率变化，通过测量各阵元的相对时延[1]，实现对目标距离和方位的估计。时延测量精度是影响测距精度的关键因素，原因主要有3个方面：

　　其一，虽然增大阵长可减小测时误差带来的影响，但由于声呐装载平台尺度的限制，阵长不能无限增大，所以测距精度取决于测时精度。

　　其二，由于被动测距的相对误差等价于时延估计的相对误差，即：

　　传统声呐的波束形成采用大量的分类元件构成，每个平板阵由4条延迟线形成7个波束，见图1右侧所示，波束号分别为β0、β1、β2、β3。波束中心(以正横为基准)分别是0°、±14.5°、±30°、±42°。每节时延长度约为 9.39μs，以β1为例，计算依据是：

　　在相邻波束覆盖处信号损失约为3dB。

　　现构置一种波束形成器，其波束图如图1左侧所示，可由一片FPGA完成，形成19个对称波束，每节时延长度为约3.9μs，计算依据是：

　　在相邻波束覆盖处信号损失约为1.1dB。

　　由图1可以看出，两种不同的波束形成器，在偏离波束中心处的空间增益有较大的区别，后者信号强度相对前者提高了近2dB(典型值)。虽然原则上信号损失不大于3dB即可，但无指向性的理想状态是需要以较大的硬件资源开销为代价的。图1中左侧波束形成器的设计，具有优异的性价比，2dB的增益对被动测距声呐的时延估计具有显著的好处。

　　2.2 对相关系数的处理

　　互相关器是最优的时延估计器[4-6]，一个目标辐射噪声，被看作点声源，离声源远处置两个接收水听器，间距为d，两个水听器接收信号x1(t，r)和x2(t，r)的互相关函数Rx1x2(τ，d)为：