实测新型水下小尺寸扩展式基阵声探测系统定向性能研究
苟艳妮, 王英民, 王奇    
西北工业大学 航海学院, 陕西 西安 710072
摘要: 水下小型声探测系统因具有体积小、重量轻的特点易装载于航空反潜机动平台上。新型水下小尺寸扩展式基阵声探测系统不仅具有航空用探测设备的特点又兼具扩展后可以形成更大的孔径尺寸,有效地提高系统灵敏度、阵处理增益和定向精度等优势,必将发展为现代反潜战中较为有效的探潜手段之一。结合研制的新型水下小尺寸扩展式基阵声探测系统,开展了工程用系统定向性能水池实验研究。系统设计前端基于模拟退火波束优化算法,中心频率下实测全景波束较优,逼近-30 dB期望旁瓣级的设计要求。后端通过合理的多波束比幅测向算法得到了较好的定向性能,能够满足<3°标准差的指标。实测的定向结果验证了该型水下小尺寸扩展式基阵声探测系统的工程实用性,也为进一步开展工程有效性和稳定性的研究提供了前期的实验参考。
关键词: 小尺寸扩展式基阵     模拟退火算法     多波束比幅法     实验验证    

现在海洋战争中,反潜战是其中最重要的战场之一。反潜战中,航空反潜具有不可比拟的优势,是目前最有效的武器,具有速度快、航程远、机动灵活、作战覆盖海域宽广、搜潜和反潜效率高、不易被水下潜艇发现和攻击、快速临海击顶攻击等优点。世界各国非常重视航空反潜系统的研发,尤其是航空探潜系统的设备研制。在这些探测设备中,声探测设备是最为关键的[1, 2],承担着对潜艇、水面舰艇及其他水中目标进行探测、定位和识别等重要任务。

由于航空反潜机动平台的特殊性对机载探测设备的尺寸、大小、重量等指标参数都提出了严格的控制要求。为了兼顾机载设备的特殊性和探测性能高精度的要求,文献[3]提出了声基阵可扩展化的发展趋势。对于水下声探测系统来说,扩展基阵一方面在水下扩展后可以形成更大的孔径尺寸,有效地提高系统灵敏度、阵处理增益和定向精度,另一方面在机上收拢后又可以有效减少空间占用量满足对机载设备尺寸的要求,达到小型化的目的。如目前技术领先的澳大利亚BARRA浮标、美国的FLASH声纳系统均采用水下小型扩展式的接收基阵形式[4]。典型的水下小型扩展声接收处理系统。主要由水下扩展接收基阵、预处理接口分机、声信号处理分机、显示与控制分机组成,用以完成对接收到的水下声数据信号进行处理与显示,实现对水下目标检测、定位、参数估计、跟踪、分类和识别等任务。

本文结合研制的新型水下小尺寸扩展式基阵声探测系统,采用基于最优化理论基础的模拟退火波束优化技术及多波束比幅法开展了对该探测系统的定向性能实验研究。旨在为文献[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]的理论研究成果提供一定的工程实验验证,为提高水下小型声探测系统测量性能的高精度要求奠定良好的工程应用基础。

1 理论基础

在现代声探测系统中为了获取更高的空间增益,水下声探测系统一方面取决于基阵的设计,另一方面取决于基阵输出信号的处理技术,主要包括波束 形成技术和相关信号定向方法。针对波束形成技术的应用,一般采用预成多波束方法来实现目标检测及定向,性能优异的波束图可有效提高系统性能,即低旁瓣波束可降低虚警概率,主瓣形状规整的波束可提高定向精度[6]。定向性能也是声探测系统性能考察的重要指标之一。定向方法和声基阵系统的结构有关,采用单个换能器、2个换能器或者多个换能器阵元组成的系统,则有不同的定向方法[7]

1.1 基于模拟退火算法的波束优化

在实际应用中,对于给定形状和几何尺寸的阵列而言,应根据应用需要,给出期望波束图或者指定期望波束的性能指标。不同权向量w所产生的波束图P(w,θ)也不同,其波束图完全由w决定;其波束图的优化设计就是w的优化选择,通过对加权向量w的设计与选择,使阵列波束函数P(θ)满足实际应用的需要。

近几十年发展起来的现代优化技术——模拟退火算法,由于在算法的有效性及稳健性表现不错,而且算法并不依赖于初始值的选取,在某些情况下还可以给出明确上限计算时间,因此,其本身是一个全局优化算法,其应用领域己渗透到工程领域的各个方面,如VLSI制造,市场规划,经济宏观控制,海洋声学[8, 9, 10]等。该算法可以通过对目标函数的合理设计,以实现最优波束图的获取[9]

为了应用模拟退火算法解决波束优化问题,需建立目标函数,即选择合适的能量函致,通过能量函数的最小化,求出对应权向量。根据设计指标,文献[10]建立了期望波束函数I(θ)、目标函数Qd(w,θs)和能量End(wa,θs)函数的求解方法,文献[11]给出了基于模拟退火算法的波束优化设计步骤。

1.2 多波束定向方法

波束形成后的一个重要环节就是定向方法的选择与应用。目前针对于水下声接收处理的定向方法有:最大值定向法、振幅差值定向法、高分辨方位估计算法、多波束比幅法和分裂波束互谱算法等。其中最大值法和振幅定向法比较容易实现,但定向精度不高,高分辨方位估计算法精度较高,但是算法复杂,实现难度较大,且要求较高的信噪比[11]

文献[11]表明多波束比幅法对于单频信号是一种定向精度高且易于工程实现的方位估计算法,简述比幅法的使用过程。具有很高的工程实用价值。文献[12]对多波束比幅法定向及优化方法进行了仿真研究并给出了多波束比幅法定向的原理和过程。

2 实验研究 2.1 基阵结构模型

以新型水下小尺寸扩展式基阵4臂基阵结构为实验研究对象,其俯视图如图 1所示。基阵展开后,在水平面内由2对相互垂直的直线阵组成,共4个扩展臂。每条臂上均匀布放3对水听器(水听器对中2个水听器的间隔d1=0.03 m),每对水听器之间的间距为d=0.25 m,形成的基阵扩展后最大外径尺度为1.25 m。

图 1 扩展基阵俯视图
2.2 实验地点

实验实施地点为西北工业大学消声水池。水池长20 m,宽8 m,深7 m,池体为直壁式钢筋混凝土结构,消声单元体采用楔形橡胶尖劈板,单元体等间隔排列在水池6个面上,形成低频宽带平行通道消声结构。

2.3 实测阵列流形的获取

不论是哪种波束优化设计,其波束形成向量的获取和基阵的阵列流形密切相关。

测量基阵阵列流形的过程通常称为基阵校准。在校准过程中,假设仅有一个信号源存在,并将该信号源放置在基阵的远场或者可以近似为基阵远场的地方,转动基阵以变换信号源相对基阵的方位。在每个方位上,采集基阵输出。文献[13]给出了实测阵列流形的获得方法。实验用水下声信号数据的采集设备配置图如图 2所示。

图 2 水下声数据采集设备配置图

Agilent 33250A信号发生器产生信号,通过L2B功率放大器放大后驱动发射换能器作为声源发射信号是矩形脉冲调制的单频信号脉冲,脉冲周期1.5 Hz。我们在实验时选择了F1~F3 3个频率点,脉冲宽度40 ms,带通方式,增益60 dB,信号源幅度F1为0.2 V;F2为0.2 V;F5为0.8 V。实验时,先将接收阵0°方向对准正北方向,测量声源方向,在每个频率上,依照以2°为步长的角度间隔,把接收基阵从相对声源方向的0°转动到360°,在每个角度间隔上稍作停顿,采集2 s长的数据,测量声源方向。数据采集系统的采样频率是20 kHz。

由于声系统测量的声源方向是和地磁正北的夹角,所以,接收针旋转不改变声源方向,通过统计分析多次测量的声源方向统计特性,可以得出处理系统处理精度。

2.4 声探测系统实验设置

新型水下小尺寸扩展式基阵采用图 1中的基阵结构模型,水上接收声数据综合处理与显示系统连接。整个水下声探测系统定向实验场景俯视图如图 3所示。

图 3 实验场景俯视图

图中3个行车分别固定发射声源和水下声接收基阵,声源位于接收基阵正东方向,两者水下放置深度和间距如图 2中数字尺寸给定。

3 实验结果及分析 3.1 阵元一致性选择

为了保证实验效果,在选择组成基阵各个水听器时,要尽可能的保证各个水听器之间的灵敏度的一致性。例如在中心频率F1时,通过比较法,在现场测量得到的各个水听器之间的灵敏度在-199 dB~-200 dB之间,最大差别不超过1 dB,各个水听器在水平面内基本上是无方向性的,灵敏度差异也在1 dB之内。

3.2 幅度响应对比

在实验中,由多个独立的阵元构成空间基阵时,必须使用基阵架,也就是基元的支撑结构。由于基阵架的中间放置了发射换能器,并安装了结构支撑板,以及水听器一致性和物理安装位置偏差等原因,导致各个水听器对同一方向入射信号响应有一定的差异,主要表现为各个阵元的幅度响应不一致。图 5给出了实验用基阵在某频率时,0°声入射方向下,16路阵元幅度响应比较图。这里可以通过基阵对各个不同方向入射的信号的响应向量的分析,来定量描述这种不一致性。

图 4 16路水听器幅度比较图
图 5 F1实测全景波束图

图 4中,横坐标依次为16路水听器数据,每个阵元150点数据。纵轴为归一化幅度。从图中可以清楚地看出,不同位置的水听器之间幅度相差甚远。部分路阵元,比如9路和13路阵元的输出幅度甚至没有达到其他路阵元最大输出信号幅度的1/2。至此,不难看出,实验基阵的各个阵元不仅对同一入射信号的响应差异很大,而且自身的响应也具有强的方向性。

当这种不一致程度超过了波束形成向量的宽容范围时,波束形状会随之发生畸变,进而影响后续的信号检测和定向精度等功能。为了解决这个问题,可以采用2.3中描述的实测基阵阵列流形的方法。在得到实测阵元流形之后,代替理论波束设计时采用的理想阵列流形,就可以获得接近指标的波束。

3.3 实验结果及分析

针对2.1中设计的基阵结构,采用2.4的实验用水下声信号数据的采集设备配置与参数设定方式,选用模拟退火算法进行实测阵列流形的期望波束优化设计[8],共形成16个波束,波束间隔22.5°,期望旁瓣级-30 dB,不同频率下实测全景波束图分别如图 5~图 7所示。

图 6 F2实测全景波束图
图 7 F3实测全景波束图

图 5~图 7的实测数据分析得到表 1所示的3个不同频率点下的旁瓣级和波束宽度。

表 1 不同频率点下的旁瓣级和波束宽度
信号频率旁瓣级/dB主瓣宽度/°
F1-2728
F2-2532
F3-1739

表 1可以看出随着频率的增加,波束旁瓣级变大,主瓣宽度变宽,分辨率变差。分析表明,在中心频率F1,实验用水池环境下,该系统可以得到较为理想的波束图。

图 7实验结果图可以看出F3频率点上的信号波束图主瓣变宽,旁瓣级变大导致系统定向误差较大。经过分析,主要原因是水下接收基阵3号阵元的接收性能较差,从而影响了基阵的接收响应幅度。可能是由于该阵元受带宽所限,导致幅度及相位信息受到了干扰。以0°方向入射信号,3号阵元接收到的信号波形如图 8所示。

图 8 3号阵元接收到的信号波形

若能对3号阵元传感器及前方电路进行合理调整,改善其性能,预期能进一步提高该频率下的波束图效果和定向精度。

基于模拟退火波束优化设计后的不同频率下声探测系统多波束比幅定向结果如表 2所示。

表 2 不同频率点下的系统定向误差
脉宽/msF1F2F3
1002.132.382.60
4002.002.302.83
8002.232.542.94
1 6001.992.352.76

表 2实测数据分析得到,在相同脉宽不同频率信号参数下测得的定向误差标准差随着频率的增加,标准差变大。此外,在同一频率点不同脉冲宽度作用下,定向误差标准差变化不大。

4 结 论

本文在国内外关于波束形成和定向方法研究成果的理论基础上,选取模拟退火波束优化设计方法,结合研制的航空用新型水下小尺寸扩展式声探测系统,开展了水池多波束比幅定向性能实验验证。从上述实验结果分析得出,针对给定系统在水池实验中能够保证选用的3个频点上其测量的目标方位基本保持一致,满足系统定向标准差不大于3°的性能指标要求。但基阵的结构稳健性、水听器相幅差异,配对水听器的性能一致性和水听器的空间位置差异都会影响探测系统的定向性能。为了提高探测精度,对于基阵阵形稳健性、水听器制作工艺和接收一致性等方面的合理设计与研究提出了严格的要求,有待于研究学者进一步开展相关技术突破,确保工程实践的有效性和稳健性。

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Researching Directional Performance of New Small-Size Underwater Extended-Array Acoustic Detection System
Gou Yanni , Wang Yingmin , Wang Qi     
College of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China
Abstract: Small-size underwater acoustic detection system is easily loaded on aviation antisubmarine mobile platforms as it is small in volume and light in weight. New small-size underwater extended-array acoustic detection system not only has the characteristics of detection equipment needed by antisubmarine aircraft but also was extended to form a larger aperture to effectively improve the system sensitivity, array processing gain and the advantages of directional accuracy. This paper carried out the pool experiment on developing a new small-size underwater extended-array acoustic detection system in the research and development on its directional performance. We design the system's front-end based on simulated annealing optimization algorithm; the measured panoramic beam under center frequency is better in optimality; we almost satisfy the design requirements of -30 dB expect sidelobe level. Using reasonable multibeam amplitude comparison algorithm, we obtained good directional performance of system's back-end, able to satisfy the < 3 °index of standard. Measured directional results verified the engineering practicability of new small-size underwater extended-array acoustic detection system; they also provide, we believe, preliminary experimental data useful to further research on effectiveness and stability.
Key words: algorithms     antisubmarine aircraft     array processing     beamforming     data acquisition     data processing     data storage equipment     design of equipments     efficiency     equipments     global optimization     hydrophones     optimization     power amplifiers     schematic diagrams     signal detection     signal distortion     signal generators     simulated annealing     stability     underwater acoustics     experimental verification     multibeam amplitude comparison algorithm     simulated annealing algorithm     small-size extended-array    
西北工业大学主办。
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苟艳妮, 王英民, 王奇
Gou Yanni, Wang Yingmin, Wang Qi
实测新型水下小尺寸扩展式基阵声探测系统定向性能研究
Researching Directional Performance of New Small-Size Underwater Extended-Array Acoustic Detection System
西北工业大学学报, 2015, 33(3): 426-431
Journal of Northwestern Polytechnical University, 2015, 33(3): 426-431.

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收稿日期: 2014-10-28

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