CN110940952A - 恒定束宽双锥阵及恒定束宽双锥阵波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种恒定束宽双锥阵及恒定束宽双锥阵波束形成方法。包括矢量水听器、矢量水听器固定架，所述的矢量水听器固定架包括两组半径递减的圆形架和两个将半径递减的圆形架连接成锥形的锥形架，每个圆形架上悬挂相同数量的矢量水听器构成圆阵，一组半径递减的圆阵通过一锥形架连接构成锥阵，两个锥阵的顶端连接构成双锥阵。本发明可适用于空气中噪声测量和目标探测，同时兼顾浅海环境下噪声测量、以及深海环境下目标探测，有效的提高了水下探测系统宽带探测估计能力，有效的保证了矢量阵在水下工作时的稳健性，有效的改进了阵列在测量过程中的恒定束宽。

Description

恒定束宽双锥阵及恒定束宽双锥阵波束形成方法

技术领域

本发明涉及的是一种水下体积阵，本发明也涉及一种基于水下体积阵的波束形成方法。

背景技术

二十一世纪是信息时代，高速发展的信息技术已在各个领域引导着世界的进程，尤其是海洋领域。声呐阵列自上世纪七十年代，可以说其在噪声测量以及目标探测中扮演相当重要的角色。其具有很高的灵敏度，且坚固耐用，又价格低廉，极大的推动声呐阵列技术的发展。

人类社会发展到今天，海洋越来越引起人们的普遍关注。随着水下测量探测的要求越来越高，现代探测技术不断发展，许多国家已经设计出非常优秀的传感器阵列，而双锥阵列最大的优点是成本低、体积小、投放方便，且摆脱了舰船自噪声的影响，能够获得优质的、较高信噪比的外场数据。为了花费更低的成本获取更加精确的数据，且具有更好的探测性能，是当前声呐阵列设计中急需解决的课题。

矢量水听器作为一种新型矢量传感器，它一经问世就备受水声界科研工作者的高度重视。矢量水听器的最初应用可以追溯到二十世纪七八十年代，美国、俄罗斯等国家投入大量精力对矢量水听器工程制作和应用技术惊醒研究。国内矢量水听器方面研究工作开始于1997年，哈尔滨工程大学在国内首次系统地开展了矢量水听器专题研究，并于1998年矢量水听器在哈尔滨工程大学研制成功，改变了我国长期以来依靠标量声压水听器获取声信号的状况，为提升声呐技术指标开辟了新的途径。随着水声科技的不断进步，微小化的高可靠性和高灵敏度的矢量水听器已在水声各领域中得到广泛应用。矢量水听器可以空间共点同步拾取声场中一点处的声压和质点振速的三个正交分量，利用获取的多路信息可在空间对声源进行无模糊定向，等同于四元声压阵声呐系统的性能。同时它也可以应用于水声信号检测、海洋环境参数变化监测、海洋资源探测、海洋GPS定位系统、海上风暴预警等多种领域。

随着减振降噪技术的不断发展，水下水面设备的自噪声也在逐渐降低，因此对于目标噪声测量手段的要求也越来越高。早期测量手段是通过单只标量传感器对目标信号有无进行测量，随后发展直线阵、圆阵、圆柱阵等阵型进行空域滤波形成空间增益进行辐射噪声测量，但是实际应用中设备的辐射噪声往往都是宽带信号。传统的方法其空间增益波束随着频率的变化而变化，无法准确获得同一区域辐射噪声的准确值，因此需要阵型满足恒定束宽要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现空间全方位测量，提高噪声测量的准确性的恒定束宽双锥阵。本发明的目的还在于提供一种恒定束宽双锥阵波束形成方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的种恒定束宽双锥阵，包括矢量水听器、矢量水听器固定架，所述的矢量水听器固定架包括两组半径递减的圆形架和两个将半径递减的圆形架连接成锥形的锥形架，每个圆形架上悬挂相同数量的矢量水听器构成圆阵，一组半径递减的圆阵通过一锥形架连接构成锥阵，两个锥阵的顶端连接构成双锥阵。

本发明的的恒定束宽双锥阵还可以包括：

1.在两个锥阵的顶端之间设置有中心圆阵，所述中心圆阵是由一个与锥阵中半径最小的圆阵的半径相等的圆阵、和中心圆阵固定边组成。

2.所述的圆形架是一个圆环架。

3.所述的圆形架是由长度相等的半径连接杆构成，各半径连接杆的一端连接于一中心连接块上构成辐射状。

4.各半径连接杆的一端与中心连接块铰接、另一端与锥形架铰接，锥形架的中心有导杆，中心连接块中心开有滑孔，中心连接块中通过滑孔套在导杆上，且中心连接块与导杆之间有锁定机构。

5.矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

6.矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

7.矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

8.矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

本发明的恒定束宽双锥阵波束形成方法包括如下步骤：

步骤一、根据实际测量需求预估信号频率范围fl-fH；

步骤二、通过频率范围确定阵型尺寸垂直方向最小间距和圆阵最小半径；

步骤三、通过双锥指数算法计算双锥阵所需圆阵层数以及每层之间相对位置，同时得到垂直方向俯仰角加权系数，实现俯仰角恒定束宽；

步骤四、通过双锥模态算法对每层圆阵进行模态转换，再结合双锥凸优化算法计算水平方向方位角恒定束宽加权系数，实现方位角恒定束宽；

步骤五、通过切比雪夫加权对旁盘进行统一约束，最终实现双锥阵恒定束宽波束形成。

本发明提出一种基于双锥结构的矢量体积阵恒定束宽系统，结合其双锥算法可同时得到水平方向方位角以及垂直方向俯仰角空间全方位的恒定束宽波束形成，不仅可以应用于水下水面辐射噪声测量及目标探测，同时可以应用于空气中各种设备的噪声测量于探测。该发明可实现空间全方位测量，很大程度的提高了噪声测量技术的准确性。本发明有效的提高了水下探测系统宽带探测估计能力，有效的保证了矢量阵在水下工作时的稳健性，有效的改进了阵列在测量过程中的恒定束宽。

本发明与传统传感器阵列具有以下优势和有益的效果。

1.本发明与传统方法相比，所测量声信息更丰富，不仅可以拾取传统阵列可获得的声压信号，还可以一共点拾取水平面两个正交质点振速信息，增加了对噪声的抑制能力，提高了每一个双锥阵元独立工作能力，进一步降低了阵列在布放时的使用数量。

2.本发明与传统方法相比，设计一种双锥结构的矢量体积阵，在使用过程中可通过双锥可变动机械结构控制双锥阵型不同平面圆阵半径r_p，同时可以控制双锥阵母线于垂直方向夹角θ。针对在使用过程中不同目标可通过调节双锥模型进行更加有利的数据信号处理。

3.本发明与传统方法相比，设计一种基于双锥结构的矢量体积恒定束宽系统，该系统可以可通过不同平面上不同尺寸半径嵌套圆阵实现恒定束宽波束对目标进行噪声测量及目标探测，同时可以根据母线中多个直线阵的指数排列模式达到恒定束宽波束对目标进行噪声测量及目标探测，最后结合二阶锥凸优化对不同频段进行约束。相比传统方式有力的提高了水下目标测量的系统的稳健性。

附图说明

图1是本发明的恒定束宽双锥阵的第一种实施方式的结构示意图。

图2是本发明的恒定束宽双锥阵的第二种实施方式的结构示意图。

图3是指数排列阵型示意图。

图4是1kHz-8kHz双锥阵三维方位估计图。

图5是1kHz-8kHz恒定束宽波束图。

图6是本发明的恒定束宽双锥阵波束形成方法的流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的恒定束宽双锥阵的第一种实施方式的组成包括矢量水听器1和矢量水听器固定架。矢量水听器固定架包括两组半径递减的圆形架2和两个将半径递减的圆形架连接成锥形的锥形架4。每个圆形架上悬挂相同数量的矢量水听器构成圆阵，一组半径递减的圆阵通过一锥形架连接构成锥阵，两个锥阵的顶端连接构成双锥阵。图1中，圆形架是一个圆环架，6表示圆阵半径，3表示圆阵中心位置；每个圆阵中包括6只矢量水听器，各矢量水听器沿圆周等间距布置；共有4层圆阵，各圆阵之间的间距相等。

本发明的恒定束宽双锥阵的第一种实施方式还有如下几种改进结构：

第一种改进结构：在两个锥阵的顶端之间设置有中心圆阵，中心圆阵是由一个与锥阵中半径最小的圆阵的半径相等的圆阵5和中心圆阵固定边9组成。两个锥阵的顶端与中心圆阵固定边连接，8表示双锥中心，7表示最大半径圆阵距离中心水平位置高度。

第二种改进结构：矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

结合图2，本发明的恒定束宽双锥阵的第二种实施方式是在第一种实施方式的基础上，对圆形架进行了变化，其圆形架是由长度相等的半径连接杆11构成，各半径连接杆的一端连接于一中心连接块上12构成辐射状。

本发明的恒定束宽双锥阵的第二种实施方式还有如下几种改进结构：

第一种改进结构：各半径连接杆的一端与中心连接块12铰接、另一端与锥形架铰接，锥形架的中心有导杆13，中心连接块中心开有滑孔，中心连接块中通过滑孔套在导杆上，且中心连接块与导杆之间有锁定机构，锥形架的顶端也为铰接结构。

第二种改进结构：矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

第三种改进结构：在两个锥阵的顶端之间设置有中心圆阵，中心圆阵是由一个与锥阵中半径最小的圆阵的半径相等的圆阵和中心圆阵固定边组成，锥形架的顶端与圆阵固定边铰接。

上述实施方式中的双锥结构的矢量体积阵包括了水听器、可调节双锥阵架、矢量水听器匹配放大滤波模块及双锥阵信号处理算法组成。

矢量水听器根据不同环境采用不用阻抗性质的传感器，同时矢量水听器除了可拾取传统压力信号之外还可同步拾取该点处质点振速的三个个正交分量，对于空间中各向同性噪声均有较强的抑制能力，提高了阵列中单只传感器探测及测量能力。同时单只矢量水听器在任意平面均具有频率无关的“8”字形指向性，为双锥矢量体积阵的恒定束宽提供了保障，同时单只矢量水听器其所拾取的一路声压信号和三路振速信号可进行联合处理获得一定增益，结构双锥阵空间增益，于传统标量传感器相比进一步增加双锥阵的空间增益。基于上述特点，为科研工作者在进一步对阵列信号处理提供更好的基础平台，使后期算法更加多元化。不同于传统的设计观念，该发明可以针对不同传感器阻抗性质与其相连的矢量水听器匹配放大滤波模块独立设计，可以让不同传感器所拾取的信号经过电路模块真实的到达采集系统。矢量水听器匹配放大滤波模块包含阻抗匹配电路、差分放大电路、滤波电路、以及驱动电路四部分组成，无损还原传感器拾取到的声信号从电子系统到后置采集系统这个过程。

可调节双锥阵架结构，包括矢量水听器悬挂装置、双锥阵列支撑架和双锥可变动机械结构。矢量水听器悬挂装置用于讲矢量水听器自由悬挂在一定区域，可达到对矢量水听器一定的保护能力同时保证矢量水听器在空间处于自由悬挂状态；双锥阵列支撑架用于将矢量水听器及悬挂装置按照一定间距悬挂在支架上，同时不同矢量水听器之间孔径可调节；双锥可变动机械结构用于调节改变双锥在空间中高度以及母线于垂直方向夹角，以便达到控制双锥阵架结构可达到不同尺寸的双锥模型、单锥模型以及截断圆台模型。

结合图6，本发明的恒定束宽双锥阵波束形成方法为：1、根据实际测量需求预估信号频率范围fl-fH；2、通过频率范围计算阵型尺寸垂直方向最小间距和圆阵最小半径，为避免中心位置单点选择中心位置圆阵半径于相邻上下圆阵一致；3、通过双锥指数算法计算双锥阵所需圆阵层数以及每层之间相对位置，同时得到垂直方向俯仰角加权系数，实现俯仰角恒定束宽；4、通过双锥模态算法对每层圆阵进行模态转换，再结合双锥凸优化算法计算水平方向方位角恒定束宽加权系数，实现方位角恒定束宽。5、通过切比雪夫加权对旁盘进行统一约束，最终实现双锥阵恒定束宽波束形成。

本发明的双锥数字信号处理算法，包括双锥模态算法、双锥指数算法、双锥嵌套算、双锥凸优化算法以及其他常规阵列信号处理算法等。

设计双锥母线阵元数P，同一水平面圆阵阵元数N_p、半径为R_p，入射波方位角和俯仰角分别为φ_s,θ_s，入射波声速为c频率为f，波长λ＝c/f，波束

双锥母线于垂直方向夹角为θ。

1、双锥模态算法

针对双锥阵每层不等阵元圆阵设计嵌套模型可得到双锥阵列流行为

(1)式中，式中φ_n＝2πn/N,n＝0,1,2,…,N-1，

阵列波束方向

结合bessel函数

可将(2)写成

上式中L为模态数，m为bessel阶数。

2、双锥指数算法

基于母线上的直线，设计阵型如图3，

由图3可以看出，直线由W个等间距的传感器和M-Q个对数分布的传感器组成，阵元位置p_n可表示为：

其中，f_L和f_U为频率上下限，c为声速，阵元总数

3、双锥嵌套算法

基于双锥阵不同层圆阵半径r_p变化，对各层阵元分配最佳匹配波长信号。

4、双锥凸优化算法

采用SOCP二阶锥模型进行凸优化规划。

其中

即

中的二阶锥。

图4为1kHz-8kHz信号三维方位估计方位图，图5是1kHz-8kHz宽带恒定束宽波束图。

首先将矢量水听器悬挂在矢量水听器悬挂架上，并固定在图1所示1矢量传感器位置处，当所有阵元悬挂完成后，母线方向可以指数方式排列，通过控制图1中所示3每层圆阵的圆阵半径滑块进一步控制双锥阵中圆阵半径，从而达到当前环境下最佳匹配孔径。

采集后的数据数据处理方法为：

方法1，以双锥圆阵为基础，常规算法通过不同圆阵嵌套方式构成恒定束宽并达到噪声测量效果。

方法2，以双锥母线为基础，常规算法通过母线上矢量水听器成指数排列方式构成恒定束宽并达到噪声测量效果。

方法3，以圆阵为基础，将数据模态转换后通过二阶锥凸优化从而达到方位角恒定束宽效果，再进一步一母线指数排列为基础将俯仰角方向达到恒定束宽效果。

仿真效果如图4和图5。以上说明书文字与附图仅为对本发明的解释和说明，不以任何形式对本发明构成限制和限定，本发明的范围以权利要求数为准，一切不超出本发明中的显而易见的修改、变换和替代方案均在本发明范围内。

Claims (10)

1.一种恒定束宽双锥阵，包括矢量水听器、矢量水听器固定架，其特征是：所述的矢量水听器固定架包括两组半径递减的圆形架和两个将半径递减的圆形架连接成锥形的锥形架，每个圆形架上悬挂相同数量的矢量水听器构成圆阵，一组半径递减的圆阵通过一锥形架连接构成锥阵，两个锥阵的顶端连接构成双锥阵。

2.根据权利要求1所述的恒定束宽双锥阵，其特征是：在两个锥阵的顶端之间设置有中心圆阵，所述中心圆阵是由一个与锥阵中半径最小的圆阵的半径相等的圆阵、和中心圆阵固定边组成。

3.根据权利要求1或2所述的恒定束宽双锥阵，其特征是：所述的圆形架是一个圆环架。

4.根据权利要求1或2所述的恒定束宽双锥阵，其特征是：所述的圆形架是由长度相等的半径连接杆构成，各半径连接杆的一端连接于一中心连接块上构成辐射状。

5.根据权利要求4所述的恒定束宽双锥阵，其特征是：各半径连接杆的一端与中心连接块铰接、另一端与锥形架铰接，锥形架的中心有导杆，中心连接块中心开有滑孔，中心连接块中通过滑孔套在导杆上，且中心连接块与导杆之间有锁定机构。

6.根据权利要求1或2所述的恒定束宽双锥阵，其特征是：矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

7.根据权利要求3所述的恒定束宽双锥阵，其特征是：矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

8.根据权利要求4所述的恒定束宽双锥阵，其特征是：矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

9.根据权利要求5所述的恒定束宽双锥阵，其特征是：矢量水听器通过悬挂装置挂在圆形架上。

10.一种恒定束宽双锥阵波束形成方法，其特征是：

步骤一、根据实际测量需求预估信号频率范围fl-fH；

步骤二、通过频率范围确定阵型尺寸垂直方向最小间距和圆阵最小半径；

步骤三、通过双锥指数算法计算双锥阵所需圆阵层数以及每层之间相对位置，同时得到垂直方向俯仰角加权系数，实现俯仰角恒定束宽；

步骤四、通过双锥模态算法对每层圆阵进行模态转换，再结合双锥凸优化算法计算水平方向方位角恒定束宽加权系数，实现方位角恒定束宽；

步骤五、通过切比雪夫加权对旁盘进行统一约束，最终实现双锥阵恒定束宽波束形成。

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