近场MVDR聚焦波束扫描声图定位方法研究.pdf

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1、第29卷第2期2010年6月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．29，No．2June，2010近场MVDR聚焦波束扫描声图定位方法研究王川1，梅继丹2，孙磊1，常哲3(1．海军海洋测绘研究所，天津300061，2．哈尔滨工程大学水声技术国防科技重点实验室，黑龙江哈尔滨150001，3．国家海洋技术中心，天津300112)摘要：声图测量技术是一种适用于近场的高精度被动定位技术，可以用来测量舰船辐射噪声源位置的空间分布。声图测量的核心算法是聚焦波束形成。算法的分辨力与阵长、信号处理频段以及目标距离有关。当阵长一定、测量区范围给定时，算法对低频声源的分辨力较差。MVDR波束形成法可

2、较常规渡束形成获得更高的分辨力，降低旁瓣。采用MVDR与聚焦波束形成相结合的方法可提高对舰船各部位辐射噪声源的分辨力。关键词：水声定位；聚焦波束形成；声图定位；近场MVDR中图分类号：TB566文献标识码：A文章编号：1003—2029(2010)02--0056--041引言介绍了一种高精度的近场被动定位方法一聚集波束形成被动定位法【l-Sl，该方法可以用来测量舰艇等目标各部位的辐射噪声源位置，用于检测舰艇各部位的辐射噪声源分布情况。每个噪声源位置在分布图上反映为一个亮点，因此又将测得的噪声源分布图称之为亮点分布图。常规聚集波束形成被动定位方法分辨力与阵长、目标距离和目标频率有关，阵长

3、越短、距离越远、频率越低分辨能力越差。当阵长和目标距离一定时，对低频目标该方法的分辨能力较差。当存在多个目标时容易产生混叠现象，无法分辨出多个目标，影响定位精度。20世纪60年代末Capon提出了MVDR高分辨定向方法闱，即最小方差信号无畸变响应法。MVDR波束形成器睁1q是线性约束最小方差(LcMV)波束形成器的一种特例，是在保持对某个方向来波响应不变的情况下使波束形成器输出平均功率最小。不同于普通波束形成，在信噪比不是很低的情况下MVDR可以明显降低波束的旁瓣，提高分辨力。对舰船辐射噪声源分布的测量一般是在近场，满足高信噪比要求。然而，近场对于MVDR波束形成器来说相当于阵形畸变，且

4、传统的MVDR波束形成器由于受相位模糊的问题影响是不能采用稀疏阵的，因此对于近场稀疏阵形要采用近场修正MVDR波束形成rz]，将其用于近场聚焦波束扫描，以期获得更高的分辨力和定位精度。仿真研究表明近场MVDR聚集波束形成可以明显的降低旁瓣，使主瓣变窄，提高分辨力。2聚焦波束扫描声图定位原理常规的波束形成【Il】技术是基于远场平面波假设的，时延差补偿量只与方位有关，因此被称为空间的方位滤波器，无收稿日期：201咖3_08法进行测距。而聚焦波束形成技术则是基于球面波假设的，根据测量区内不同方位和距离对时延差进行球面波补偿，可以得到不同位置的波束输出，称为扫描，该方法既可测向又可以测距。如果将

5、基于平面波模型的波束形成看成一维(目标方位)波束形成，那么基于球面波模型的聚焦波束形成就是二维(方位和距离)波束形成。以水平均匀直线阵为例。设阵元间距为d，设阵元数为2M+l，阵元序号(．肼一肘)。阵形示意图如图1所示。近场理想条件下，声源声场为球面波，时延补偿量不仅和方位有关，还和目标距离有关，因而应该对口(口)进行修正。极坐标系中平面聚焦波束扫描示意图如图l所示。图1聚焦波束扫描示意图瓴。岛)采用声图探针对测量区进行扫描，所谓声图探针即是在声图(目标噪声源空间分布)点源(一个像素)的位置设置一个“驾驶矢量”。声图由各个像素点组成，探针(既“驾驶矢量”)扫遍整个测量区即得到一幅声图。在

6、测量区内根据角度和距离对测量区打网格，每个网格的角度间隔大小代表声图显示的最小角度分辨率，距离间隔量化代表声图显示的最小距离分辨率。设目标位置为(r0，阮)，方位吼为与石轴正向的夹角，距离r0为声源s到阵中心阵元的斜距，r柚为目标到阵元m斜距。扫描点为(r，口)，k为该扫描点到阵元i的斜距。第2期王JII等：近场MVDR聚焦波束扫描声图定位方法研究57l。=md为阵元m到阵中心阵元的距离。声速为c。修正阵列对0方向目标的方向矢量口(一)为阵列对空间位置(r’p)处目标的空间矢量口(r，p)。am(r,O)-_eWg"tfr．[r一)，m=—膨。一肘+1，⋯，o'⋯M(1)其中：％【r，口

7、)=(，一r．)／c(2)I，．k：{护i再瓦j丽【扩瓦F瓦面万可得聚焦波束形成各波束的权向量和空间谱为：W(r，力=口(r，功(4)P(r，卅=口“Ir，O)Ra(r，0)f51当波束扫描到目标所在点时，r=-ro，0--00，权系数使得各路信号恰好同相位叠加，功率输出达到最大，在波束扫描图上反映为一个亮点。由于要进行波束扫描，声图显示的分辨率与网格大小有关，因此要使测量量化误差小网格就要尽量密，如果要对全方位扫描需要巨大的计算量