Page 154 - 《应用声学》2020年第1期

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0 引言 1 组合线阵近场测量模型

针对水下小目标的浅海入侵、港口渗透侦察等 利用均匀声压线阵对近程目标进行定位时，聚
威胁，近岸水域水下安全防御措施需不断加强完善， 焦波束形成的纵向分辨率较低，且在实际测量中不
蛙人探测声呐系统是一种有效的探测手段。与主 能保证目标处于线列阵的开角范围内。同时，利用
动蛙人探测声呐相比，被动探测阵具有很好的隐蔽 单条线列阵进行噪声源的定位时会产生左右舷模
性且功耗较低，能够长期铺设在海底，对水面及水 糊问题，这些会导致以上定位方法的性能急剧恶化，
下目标进行探测、定位等。基于被动声呐的这些优 甚至不能正确判别噪声源的位置。采用互相垂直的
点，研究近程运动目标被动定位方法。被动定位方 多条线阵能有效解决以上问题，抑制左右舷模糊，提
法有三元阵被动测距方法、目标运动分析 (Target 高定位性能。
motion analysis, TMA) 和匹配场处理 (Matched 如图1所示，1号、3号、5号阵为位于x轴的水平
field processing, MFP)、时间反转镜(Time reversal 线阵，2 号、4 号阵为垂直于 x 轴的线阵，1 号阵的左
mirror, TRM)、近场声全息技术 (Near-field acous- 侧第一阵元位于坐标原点，相邻阵列间距为D。每条
tical holography, NAH)、声图测量法等。三元阵 子阵由M 个阵元组成，阵元间距为d，各阵元的位置
被动定位方法在 400 m 以内的近距离定位误差 坐标为 (x mi , y mi , 0)(m i = 0, · · · , M; i = 1, · · · , 5)，
较大 [1] ，且目标距离越近，其定位性能越差 [2] 。 总阵元数为 5M。以原点处的阵元为参考阵元，第
TMA [3−4] 和 MFP [5] 都属较成熟的远程定位方法， p 号声源与参考阵元间的距离为 d，第 p 号声源
立意于提高作用距离和降低检测门限，不关注于 (x p , y p , z p )距离其他阵元的距离矢量和时延矢量为
近场。TRM 在被动定位技术上的应用尚不成熟， [ ]
, (1)
且定位精度不高。NAH [6] 针对的是极近距离声 r = r pm 1 r pm 2 r pm 3 r pm 4 r pm 5
[ ]
场分析，不适用于中近距离目标的跟踪定位。声 τ = τ pm 1 τ pm 2 τ pm 3 τ pm 4 τ pm 5 , (2)
图测量方法 [7−8] 对百米距离范围内的目标有较
其中，
高的被动定位精度，目前大多学者主要研究线阵 √
2
2
2
或十字阵被动定位，且主要关注极近距离、中低 r pm i = (x p − x m i ) + (y p − y m i ) + (z p ) ,
频目标，主要用来测量舰船等某部位的辐射噪声 m i = 1, · · · , M; i = 1, · · · , 5, (3)
源位置 [9] 。本文以声图测量方法为基础，采用组 r pm i − r 0
τ pm i = , m i = 1, · · · , M; i = 1, · · · , 5.
合线阵宽带最小方差无畸变失真响应 (Minimum c
(4)
variance distortionless response, MVDR) 聚焦波
第p号声源对应的维方向向量为
束形成技术，实现近场水下小目标的高精度被动
T
定位。 A p = [ A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 ] , (5)
直线阵是基阵信号处理中最常用的阵型结构，
T
式(5) 中，A i = [ e −j2πf j τ pm i ] (m i = 1, · · · , M; i =
这是由于直线阵阵型结构简单，易于数学上的处
1, · · · , 5)。
理。但是直线阵在对目标进行定位时，存在左右弦
模糊问题，本文采用横竖相间的组合线阵来克服 zϕ yϕ
此问题。阵列孔径越大定位精度越高，而水下大型 ੳଡ᭧
Oϕ S p ↼x p ֒y p ֒z p ↽ xϕ
半波间距阵布放代价很大，本文针对水下非合作目
标出现的实际区域，采用稀疏布阵方式，结合宽带 z y r 
r pmi
信号处理方法，克服阵列稀疏带来的影响。滤波与 ... M
      x
预测是 TMA 算法的核心，其中卡尔曼 (Kalman) 滤 O ... d
D  M
波 [10] 是典型的线性无偏最小方差估计器，本文针
图 1 组合线阵目标近场测量模型
对运动近程目标，结合卡尔曼滤波对目标位置进行
Fig. 1 Combination linear array target measure-
估计，并采用目标轨迹匹配算法，实现对运动目标的
ment model
跟踪定位。