CN104407318A - 一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，解决了超短基线水下定位系统的远距离精确定向问题，其技术方案是采用沿圆柱体周向均匀布置16阵元，轴向均匀布置3列，共48元的均匀圆柱阵列。测向时，首先将轴向三阵元输出直接相加，将48元均匀圆柱阵等效成16元均匀圆周阵；然后分别以等效圆周阵的各阵元作为主轴方向，利用当前阵元及两侧相邻的6个阵元共7个阵元形成覆盖周向360°的16个多波束，并通过多波束幅度比较估计出信号的大致方向；最后采用信号所在多波束主轴左右相邻的3个阵元进行分裂波束互谱定向，对信号的方位进行精确估计。实现了海上试验中对航行体进行全航程的实时跟踪与定位，为评估水下航行体的各项性能创造了条件。

Description

一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法

技术领域

本发明属水下定位与导航领域，涉及一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法。

背景技术

通常，一个高速航行体在海上试验时，要通过自身安装的数据记录设备记录航速、姿态、控制特性、航行深度以及接收的目标回波波形等数据，进行线下分析。然而，如果由于意外因素导致该试验目标无法回收，则无法分析其性能。可行的方法是利用客观的外部测量系统，对其运动轨迹进行测量，以评价该运动目标的各项性能。

目前，我国周边试验海域还没有建成完善的水下长基线定位系统，并且安装有短基线或超短基线水下定位系统的试验船只甚少，使得在海上进行高速航行体科研试验和交付试验时，无法对航行体进行全航程的实时跟踪与定位，降低了试验效率与安全性。因此，急需一种作用距离远、便携式的超短基线水下定位系统。传统的超短基线定位系统多采用孔径小于半波长的三元L型基阵或多元十字正交型直线阵，通过测量各通道间的相位差和目标到基阵的斜距来估算目标的位置，由于基阵孔径小，系统的定位精度受限，另外由于阵元少易受随机噪声的影响，测得的信号的相位也会起伏，这就使得这种超短基线定位系统在远距离时定位精度不高。

针对便携式远距离高精度定位要求，故需构建一种抗相位模糊的高增益阵列及精确定向方法，用于水下超短基线定位系统。在本专利应用之前国内还未曾有基于多元均匀圆柱阵的精确定向方法用于水下超短基线定位系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，用于解决超短基线水下定位系统的远距离精确定向问题，用于海上高速航行体科研试验和交付试验时，对其进行全航程的实时跟踪与定位。

本发明的技术方案是：提出一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，采用沿圆柱体周向均匀布置16阵元，轴向均匀布置3列，共48元的均匀圆柱阵列。测向时，首先将轴向三阵元输出直接相加，将48元均匀圆柱阵等效成16元均匀圆周阵；然后分别以等效圆周阵的各阵元作为主轴方向，利用当前阵元及两侧相邻的6个阵元共7个阵元形成覆盖周向360°的16个多波束，并通过多波束幅度比较估计出信号的大致方向；最后采用信号所在多波束主轴左右相邻的3个阵元进行分裂波束互谱定向，对信号的方位进行精确估计。具体包括如下步骤：

一种多元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，具体包括如下步骤：

步骤一：阵元布置

将一组16个阵元周向均匀布置在定位装置的同一外圆周上，并在轴向均布3组，形成共48元的均匀圆柱阵列；

步骤二：将轴向三阵元输出相加得到等效16元均匀圆周阵的输出：

$A_i=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}},i=\mathrm{1,2},...,16$

式中，a_ij是等效均匀圆周阵第i个等效阵元轴向的第j个阵元输出；

步骤三：多波束粗略定向

分别以等效圆周阵的各等效阵元A_i作为波束主轴方向，利用当前等效阵元及两侧相邻的6个阵元共7个阵元，形成覆盖周向360°的16个多波束(B₁～B₁₆)：

式中，A_i表示第i个等效阵元的输出，f₀表示测量信号中心频率，R表示圆周半径，c表示水中声速，φ为相邻两个等效阵元中心轴线夹角，w_i表示汉明加权系数。w_i(i＝1,2,3,4)的具体取值如下：

{w₁,w₂,w₃,w₄}＝{0.08,0.31,0.77,1.00}

多波束的-3dB宽度约为25°，实现周向360°全覆盖，并且降低旁瓣级。形成16个多波束后，分别对其进行滑动FFT处理，并进行幅度比较，找出最大值所在波束号，作为信号来向的粗略估计。

步骤四：分裂波束精确定向

将信号所在多波束主轴左右相邻的3个阵元输出分别直接相加，形成左右分裂波束，通过分裂波束互谱定向，对信号的方位进行精确估计。假设信号入射方向与多波束主轴夹角为θ，则左右分裂波束的互谱可表示如下：

可求出电相角：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{\mathrm{real}\left(B_l\left(f_0\right)B_r^{*}\left(f_0\right)\right)}{\mathrm{imag}\left(B_l\left(f_0\right)B_r^{*}\left(f_0\right)\right)}\right)$

根据上式，将θ在(即[-11.25°,11.25°])范围内按精度0.05°离散取值，计算出对应的电相角α值，并记录在一张表格中。采用查表的方式完成左右分裂波束互谱电相角到方位角θ的映射，从而对信号的方位进行精确估计。

发明效果

本发明的技术效果在于：能够弥补现有超短基线水下定位系统远距离定位精度不高的缺点，实现在海上科研试验和交付试验中对航行体进行全航程的实时跟踪与定位，解决海上试验外部测量设备不足的问题，为评估水下航行体的各项性能创造了条件。该方法已通过高速航行体海上科研试验和交付试验验证。

附图说明

图1为本发明48元均匀圆柱阵立体示意图

图2为本发明48元均匀圆柱阵横截面示意图

图3为本发明等效16元均匀圆周阵示意图

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。

1、参见图1—图3，本发明涉及一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法。首先，将一组16个阵元周向均匀布置在定位装置的同一外圆周上，并在轴向均布3组，形成共48元的均匀圆柱阵列，并将轴向三阵元输出相加得到等效16元均匀圆周阵；然后，分别以等效圆周阵的各等效阵元作为波束主轴方向，利用当前等效阵元及两侧相邻的6个阵元共7个阵元，形成覆盖周向360°的16个多波束，并进行多波束方位粗估；最后，将信号所在多波束主轴左右相邻的3个阵元输出分别直接相加，形成左右分裂波束，通过分裂波束互谱定向，完成对信号方位的精确估计。

2、阵列设计。参见图1，本方案采用沿圆柱体周向均匀布置16阵元，轴向均匀布置3列，共48元的均匀圆柱阵列；参见图2，圆柱体的直径为334mm，轴向基元间距40mm；任意相邻两个阵元中心轴线夹角为22.5°。

2、将轴向三阵元输出相加得到等效16元均匀圆周阵的输出：

$A_i=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}},i=\mathrm{1,2},...,16$

式中，a_ij是等效均匀圆周阵第i个等效阵元轴向的第j个阵元输出；

3.多波束粗略定向。参见图3，在进行多波束形成之前，先将轴向三阵元输出直接相加作为一路输出，从而将48元均匀圆柱阵等效成16元均匀圆周阵，图中1～16分别代表等效的1～16号阵元，任意相邻两个等效阵元中心轴线夹角然后分别以等效圆周阵的各等效阵元作为主轴方向，利用当前等效阵元及两侧相邻的6个阵元共7个阵元，形成覆盖周向360°的16个多波束(B₁～B₁₆)。下面以1号等效阵元为例给出多波束的形成方法，其计算公式如下：

式中，A_i表示第i个阵元的输出，f₀表示测量信号中心频率，R表示圆周半径，c表示水中声速，w_i表示汉明加权系数。w_i(i＝1,2,3,4)的具体取值如下：

{w₁,w₂,w₃,w₄}＝{0.08,0.31,0.77,1.00}

多波束的-3dB宽度约为25°，实现周向360°全覆盖，并且降低旁瓣级。形成16个多波束后，分别对其进行滑动FFT处理，并进行幅度比较，找出最大值所在波束号，作为信号来向的粗略估计。

4、.分裂波束精确定向

将信号所在多波束主轴左右相邻的3个阵元输出直接相加，形成左右分裂波束，通过分裂波束互谱定向，对信号的方位进行精确估计。假设信号入射方向与1号多波束主轴夹角为θ，则左右分裂波束的互谱可表示如下：

可求出电相角：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{\mathrm{real}\left(B_l\left(f_0\right)B_r^{*}\left(f_0\right)\right)}{\mathrm{imag}\left(B_l\left(f_0\right)B_r^{*}\left(f_0\right)\right)}\right)$

根据上式，将θ在(即[-11.25°,11.25°])范围内按精度0.05°离散取值，计算出对应的电相角α值，并记录在一张表格中。在实际应用中采用查表的方式完成左右分裂波束互谱电相角到方位角θ的映射，从而精确的估计出信号入射方向。

Claims (1)

1.一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，具体包括如下步骤： 

步骤一：阵元布置 

将一组16个阵元周向均匀布置在定位装置的同一外圆周上，并在轴向均布3组， 

形成共48元的均匀圆柱阵列； 

步骤二：将轴向三阵元输出相加得到等效16元均匀圆周阵的输出，公式为 

式中，a_ij是等效均匀圆周阵第i个等效阵元轴向的第j个阵元输出； 

步骤三：多波束粗略定向 

分别以等效圆周阵的各等效阵元Ai作为波束主轴方向，利用当前等效阵元及两侧相邻的6个阵元共7个阵元，形成覆盖周向360°的16个多波束，定义为B₁～B₁₆： 

式中，A_i表示第i个等效阵元的输出，f₀表示测量信号中心频率，R表示圆周半径，c表示水中声速，w_i表示汉明加权系数，φ为相邻两个等效阵元中心轴线夹角，w_i(i＝1,2,3,4)的具体取值如下： 

{w₁,w₂,w₃,w₄}＝{0.08,0.31,0.77,1.00} 

多波束的-3dB宽度约为25°，实现周向360°全覆盖，并且降低旁瓣级；形成16个多波束后，分别对其进行滑动FFT处理，并进行幅度比较，找出最大值所在波束号，作为信号来向的粗略估计； 

步骤四：分裂波束精确定向 

将信号所在多波束主轴左右相邻的3个阵元输出分别直接相加，形成左右分裂波束，通过分裂波束互谱定向，对信号的方位进行精确估计。假设信号入射方向与多波束主轴夹角为θ，则左右分裂波束的互谱可表示如下： 

可求出电相角： 

根据上式，将θ在即[-11.25°,11.25°]范围内按精度0.05°离散取值，计算出对应的电相角α值，并进行记录，完成左右分裂波束互谱电相角到方位角θ的映射，从而对信号的方位进行精确估计。