【文章內(nèi)容簡介】 線列陣的概述 線列陣應該是每個陣元按規(guī)定 好的 間距 在一條直線上 排列好 才 組成的。雖然它的 結構簡單，但 是 它的 用途非常 多 ，在艦艇聲納、近海警戒、海底探測并且 在 艦艇澡聲測量里 面 都有非常多 的 應用。這些年以來，伴著造船技術有著 長足的 進步，安靜型潛艇輻射澡聲改變 的已經(jīng)非常 低 了 ，要想探測到低頻澡聲線譜， 越來越長 的 線列陣被創(chuàng)造 ， 隨之 而來的 陣元數(shù)也日益增多，線列陣聲納 技術 的 發(fā)展也得到了長足的進步 。 世人皆知兩個耳朵或者眼睛能 夠比 做是 一個陣列， 然而線列陣就是 模仿人體構造的 最大聲壓 法而設計出來的。非常 充分 的 利用 了澡聲和信號特性 不一的 統(tǒng)計特性，把水聽器在 一 個時刻收到的形態(tài)各異 的 信號，通過相關方位時間 的 補償 處理 ，然后 通過能量積累， 從而得到輸出能亮最大的方向才是 分布式 目標到達的 最終 方向。 線列陣的歷史及發(fā)展 拖曳線列陣聲納的歷史可以追溯到第一次世界大戰(zhàn)， 1917 年，美國人 Hayes 博士展示 了 一種拉拽 舷側(cè)線列陣 的聲納結構，在英 國海軍 Jout 軍艦 舷側(cè) 的前面 裝 了兩個 14 元線列陣，與此同時在其尾部扯出 了 兩個 14 元線列陣，這套系統(tǒng)能 探測 到 的大概 距離差不多是 公里，能夠應對那 時 候的潛艇攻擊。歷經(jīng)了 90 多年的演變，拉扯 線列陣聲納 的 孔徑從 4 倍波長 發(fā)生 到超過 100 倍波長，動態(tài)范圍從 60dB 增加到 120dB。 據(jù)說 上 個 的 世紀 50 年代 在 美國東海 附近 的 海域發(fā)現(xiàn) 了海底石油，開采海底石油成了海洋開發(fā)中的一個 重要的內(nèi)容 ， 然而地質(zhì)勘探是唯一 的 方法，彼時英國的東方石油公司以及 生 物探 測公司、日本 的 Plsey 公司和加拿大 的 Sera 公司，前前后后 的 使用拉扯線列陣用去接收地震回波?，F(xiàn)實 中，找到了這種拉扯式線列陣聲納那 具備著 遠程監(jiān)聽檢測潛艇低頻輻射澡聲的功能，于是日本軍隊最開始 將它移 植于聲納使用的頻率范圍與地址勘探不同，并且兩者要求的信號的處理方式不同 ，而拉拽陣自身的定深、噪聲 ，使 拉扯 式聲納 的研制碰到了 瓶頸 。 1995年 5 月， 發(fā)明出了一種致力 于警戒的型號為 AN/SQR14 的遠程拉扯式線列陣聲吶，并且 使 這個聲納裝在 用于 警戒 的船上。就在這時，全新 的 戰(zhàn)術拉扯 式聲納由 EXO 公司開發(fā)出 ，型號為 AN18。該產(chǎn)品附加在 變深聲納 拖魚后，被 32 個隔振水聽器組成的 90m 長的線列陣。接著 ， EXO 公司使用了 新 的 技術，制造 出 了沒有拖魚的長拖。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 7 線列陣的原理 聲納信號處理技術的好壞決定了聲納工作狀態(tài)。在拖曳 double 線列陣聲納出現(xiàn)使， single線列陣遇到 了 很多 關于 信號處理 方面 的 問題，自 從拖線 double 列陣聲納問世，類似 的 問題依舊 還 是聲納 重中之重 的 研究 ，而且伴著戰(zhàn)術區(qū)域從深海到淺海的轉(zhuǎn)移，安靜型潛艇橫空出世，拖曳式線 列陣探測弱目標信號 有了 更加嚴格 的性能 要求。聲納的作用距離、測向測距精度、多目標分辨能力、目標識別以及跟蹤能力等 ，都是實現(xiàn)戰(zhàn)術指標所必須的，這些指標是達到戰(zhàn)術指標的技術保證，如果單純 的以 提高測距精度 為 目的 ，推出 了 延時估計精度的概念 。為了保證可靠性 的 絕對 要求， 濕端換能器的壽命指標 被 推出 。上文提到的那么多 的 關鍵技術都直接關系到 了 聲納系統(tǒng) 性能 的 探測 ，于是 就顯得非常的重要 。 如果按工作方式分 ，可以將它分成 兩 類 ,被動式和主動聯(lián)合式，通常情況下安裝 在潛艇上的只是 被動式聲納 ，被動式拖曳線列陣聲納一般情況下可以 由一下 這些 組成： （ 1） 線列陣 :接收目標的輻射噪聲和目標回波信號，由若干個水聽器按照一定的間距布放，并采取隔振措施 ,配備用于水下姿態(tài)監(jiān)視的傳感器模塊； （ 2） 拖曳收放系統(tǒng)拖曳布放和回收線列陣 ,包括拖纜和絞車； （ 3） 深度航向監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視線列陣在水下的深度和航向信息，以便得到水聽器陣列的姿態(tài)； （ 4） 信號處理系統(tǒng) :處理線列陣接收的各種信息，以實現(xiàn)目標的探測和相關參數(shù)估計； （ 5） 顯示控制系統(tǒng)顯示信號處理系統(tǒng)的輸出結果，與其它系統(tǒng)進行信息交換 ,并將控制命令下發(fā)給有關系統(tǒng)； （ 6） 數(shù) 據(jù)記錄系統(tǒng) :存儲線列陣接收的數(shù)據(jù)。 主被動聯(lián)合式拖曳線列陣聲納除包括以上部分外 ,還有發(fā)射換能器基陣 !相應的拖曳收放系統(tǒng)以及發(fā)射機，接收聲信號的聲學模塊包括水聽器，前置放大器等元器件 如用數(shù)字方式傳輸號 ,必須有 A/D 轉(zhuǎn)換器、多路數(shù)據(jù)混合系統(tǒng)和編碼電路等 。除了用于接收聲信號的聲學模塊之外 ,還必須有若干配套部件：隔振模塊和儀表模塊 隔振模塊是一個機械濾波器 ,它把拖纜的可能抖動過濾掉 ,盡量降低抖動引起的噪聲；儀表模塊內(nèi)通常包括深度傳感器、溫度傳感器和航向傳感器 ,這些傳感器的信號傳輸?shù)焦ぷ髌脚_上之后 ,可以顯示聲學模塊 的姿態(tài)；拖纜有兩方面的作用 ,一是作為機械的拖拉纜 ,二是用于信號和電流的傳輸。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 8 亮點模型的簡介 目標是分布在 相對 體積內(nèi)的 很多 反射點的 一個 大集體 ， 通過分布式 目標 光照模型的研究得到 ，這些點 的反射是不 勻稱 的， 反而 存在 很多 反射能力 很 強的點 ， 我們叫做亮點，亮點的分布 和 分布式 目標表面 的 曲率，面積 和 入射波的方向有 著 千絲萬縷的聯(lián)系 。 從入射的距離區(qū)分 可以把它 為遠長場和近場，在遠場的情況下 分布式目標能 夠 看成亮點；但是如果 從能量 的角度 來 看 的話 ，亮點對回波 有很大 的奉獻 ， 而另外 那些漫反射對回波的影響 可以 不予考慮 。在高頻 的前提 下 ，構成回波的各 成分 都 能夠 等效成 一個 散射中心 也就是 亮 點的回波，整個 分布 的目標 相當于 一組空間分布 的量 點。 分布的 目標回波 在 空間 內(nèi) 的 分布情況 ：近場目標回波很大一方面 是由強反射 量 點構成，在空間域， 分布的 目標回波 則 是由空間上 來自四面八方 的子反射回波 相加 而成， 于是 從方位的角度來處理目標回波，可得到目標亮點的空間方位信息。目標回波的時間 方位應呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律，而不是一個恒定的方位值。體目標回波的短時方位基本上隨時間呈線性變化，即目標的空間方位發(fā)生了方位擴展。 在已有的研究結果中，按照分布源各個分量之間的空間、時間相關 性，可以將其劃分為相干分布源 (CD)、非相干分布源 (ID)和部分相干分布源 (PD)。對 ID 信號源，信號空間占據(jù)整個觀測空間，噪聲子空間變?yōu)榱阕涌臻g。這也就是傳統(tǒng)的子空間方法不適用于分布式目標定位的原因。 等提出了信號子空間有效維數(shù)的概念，它實質(zhì)上也就是相關矩陣的大特征值個數(shù)。噪聲子空間是由小特征值對應的特征矢量構成的，而這些小的特征值是源于信號子空間，因而信號子空間與噪聲子空間不完全正交。后來， Y. Meng 等提出了 DISPARE 算法，提高了非相關式分布源的參數(shù)估計性能。 綜上所述，目標 的回波模型可以分為如圖所示的幾類 ： ?????????????????????????分布式目標模型法的回波模型基于菲涅耳半波帶近似法的回波模型基于赫姆霍茲積分近似波模型基于表面網(wǎng)格劃分的回模型連續(xù)散射型目標的回波型三維空間多亮點回波模型垂直尺度多亮點回波模型水平尺度多亮點回波模多亮點回波模型點目標回波模型 圖 目標回波模型的分類 蘭州理工大學畢業(yè)設計 9 單亮點模型 當目標的尺度較小或探測距離很大時，目標可以看為一個點目標或單亮點目標。從聲學角度看，發(fā)出的聲波可看成球面波，假設傳播介質(zhì)是無限均勻介質(zhì)， 目標 的距離為 R，則 目標 表面的入射聲波為 )2(2 kRwtjr eRAp ?? ? （ 31） 這里 ? 是角頻率， k 是波數(shù)， A 是發(fā)射信號的幅度。入射聲波隨距離衰減。因為是一個點目標，入射波在表面激起二次輻射，接收到的二次輻射聲壓為 )2()()()( 2 cRtsR Athtste ???? ? （ 32） ? 是隨方位而變的反射強度。按照目標反射的聲學機理，可以建立點目標反射的回波模型。設發(fā)射信號為 )(ts ，目標脈沖響應為沖激，即 )()( tth ?? ，則回波為 )( kRwtji eRAp ?? （ 33） 式中， ? 是反射強度， R 是魚雷與 目標 的距離， c 是聲波的傳播速度?；夭S距離平方衰減。 點目標模型是一種簡單的模型，在遠距離、遠場時，采用點目標是合理的。但在有些應用場合并不成立，當目標的輻射面大于陣列的分辨率時，就不能認為是點目標，而是多亮點目標。超寬帶窄脈沖的分辨率高，用它作為魚雷發(fā)射信號時，從目標回波中可容易分辨出多亮點。 多亮點回波模型 單點模型不能確定 分布 的目標 的 許多的細小的部分， 非常 有可能 出現(xiàn) 欺騙和 誤判 的 情況。像前面那樣 說的一樣 ， 構成分布的 目標的反射回波 的 是強反射子回波， 每個 子回波的時間位置和實際可觀測到 的 量點數(shù)目的確定受攻擊目標舷角影響， 大多數(shù)情況下 分布的 目標存在 5個亮點。對于 建立 模擬回波，確定多 亮 點回波模型的 重中之重是要 確定潛艇的 亮 點數(shù)和 亮 點分布。 分布的 目標 的縱向尺寸 比 于橫向尺寸 要 大得多，水平上的多亮 點 能夠被 分辨 出來 ，水平的多 量 點模型 是 屬于魚雷反對抗 模型 中 的一種。水平方向上的多 量 點模型結構如圖 所示 。 建立水平尺度 分布式 目標多 量 點的回波模型 的 同時， 應該 把分布 的 目標 與 魚雷的位置和姿態(tài) 加以 確認， 每個 亮點的位置坐標 ）（ ii zx, 或極坐標 ）（ iir?, 或許 會選擇 幾何結構 的 尺度目標進一步 解析得到， 再 由位置坐標或極坐標 求出量 點的時延和方位角參數(shù)。設目標相對魚雷的蘭州理工大學畢業(yè)設計 10 位置為 ),(39。 0?RO ，其中 0? 是目標方位角， R 是到觀測點的距離，敵舷角為 ? ，目標長度為 L 。以魚雷為中心，建立平面坐標系 xOy， z 軸指向魚雷運動方向， x 軸指向魚雷右方。當給定了參數(shù) ? 、 L 、 R 、目標中心對應的方位角 0? 和亮點分布后，就可由幾何關系求得各亮點的時延和方位角，從而給出目標多亮點的回波信號 模型 圖 多亮點模型的集合圖 假定有 N 個亮點等間隔分布在長度為 L 的目標上，根據(jù)尺度目標幾何結構及所建立的坐標系，可解得亮 點距離參數(shù) ir ，再得到時延 i? 和方位角 i? 。由幾何關系可得 ）（）（）（ ?? ?????? c o sL2/LR2L2/LRr i2i22i （ 34） 式中 ， iL 是亮點分布位置 NiiN LL i ,...,2,1),1(1 ???? （ 35） 其中時延為 it cr2ii?? （ 36） 延長線的長度 0L 可由關系 式 )sin( Rsin LL 0i i0 ??? ??? 解得，方位角 i? 為 )sin( Rsin 2/LL 000 ??? ??? （ 37） 各亮點位置的直角坐標 ）（ ii zx, 可由極坐標 ）（ iir?, 求得，為 蘭州理工大學畢業(yè)設計 11 ??? ??iiiiii cossin??rz rx （ 38） 設發(fā)射信號為 )e x p ()()( 0tjtats ?? ，其中 )(ta 為實包絡，如矩形，三角形，鐘形，梯形等。在理想水聲信道中，每一亮點對信號的響應為一個沖激函數(shù)，可用一個卷積模型來描述目標回波，則回波信號為 ?? ?? ??????? N 1i iiN 1i ii )cr2t(s)t()t(s)t(h)t(s)t(e ???? （ 39） 式中 ， ir 是魚雷與潛艇第 i 個亮點的距離， i? 是亮點反射強度，它與敵舷角和目標結構及材質(zhì)有關，是敵舷角和位置坐標的函數(shù)， c 是聲波的傳播速度 [11]。 第 4 章 分布式目標估計方法 MUSIC 類算法 在方位估計 的 領域 之 中，最早的構成波束 類 的算法因為 瑞利限的限制，在 分布的目標相互之間的方位有著 較小的差別 的 時 候，不可以 對 分布的目標方位進行很 準確的 估計，大勢所趨慢慢 的 推演 出 了 高精度的方位 估 算 方 法， 其中 MUSIC 算法 是佼佼者 。 在點目標估計中，因為 只關心 分布的目標的位置，即需要 求出的 參數(shù)只有一個， MUSIC算法利用接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣特