CN114063006A - 一种拖线阵声纳平台转向过程中波束形成方向向量的测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种拖线阵声纳平台转向过程中波束形成方向向量的测算方法,属于水声探测与声纳信号处理技术领域。本发明通过建立阵列绕圆弧轨迹转向模型,针对大角度转向和小角度转向、左转向和右转向条件,利用阵列位圆弧所对应的圆心角将转向过程分解为5个转向阶段,给出5个阶段相邻4个时刻的时间点数值,并对每个转向阶段,以第1阵元为基准,给出当前时刻的波束形成方向向量,对于提高转向过程中目标方位估计性能具有较大的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于水声探测与声纳信号处理技术领域,涉及一种拖线阵声纳平台转向过程中波束形成方向向量的测算方法。
背景技术
拖线阵声纳是探测低频、隐蔽性目标的重要工具,拖线阵声纳在探测过程中,需要使用波束形成方位谱估计技术,其核心是利用了阵列的方向向量。拖线阵声纳的平台在探测过程中,经常需要改变航向,此时柔性拖线阵列也随之转向。受平台转向的影响,阵列中各阵元的位置与理想线列阵阵元位置存在位置偏移,接收的阵列数据与理想线列阵的接收阵列数据存在较大的差异。这就导致使用理想条件下的方向向量,对有阵元误差的实际阵列数据进行目标方位估计,目标定位结果不准确。在平台转向过程中,准确评估阵列的实时方向向量,对于提高目标方位估计性能具有较大的价值。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种拖线阵声纳平台转向过程中波束形成方向向量的测算方法,在平台转向情况下,实时给出拖线阵声纳波束形成方向向量。
本发明的技术方案是:
一种拖线阵声纳平台转向过程中波束形成方向向量的测算方法,步骤如下:
步骤1:建立阵列绕圆弧轨迹转向模型:假设阵列的第一阵元为1,最后一个阵元为N,d为阵元间距,θ为远场平面波入射方向,λ为声波波长,a(θ)为方向向量。
假设平台转向角度为α,转弯半径为r,阵列孔径为L=(N-1)d。定义αr<L为小角度转向,αr≥L为大角度转向。阵列转向过程中,阵列在圆环上的长度所对应的圆心角度数β随时间变化。根据圆心角度数β的取值,将阵列转向分成5个时间阶段,各时间阶段交界点依次定义为时刻t0、t1、t2、t3。
步骤2:分别给出小角度和大角度、向左和向右转向情况下,5个时间阶段的方向向量。具体如下:
(一)小角度转向
小角度转向时,位转向圆环上阵列所对应的圆心角β的取值由图1所示,根据β的取值可以将转向过程分解为5个阶段。
情况1:小角度右转向
(1)当0≤t≤t0时,阵列还未到达转向的圆环,呈标准的线列阵排列;此时方向向量为:
(2)当t0<t≤t1时,阵列的一部分位于转向圆环上,另一部分呈直线与转向圆环相切。令 表示下取整,k表示阵列在转向圆环上的最后一个阵元数;m表示阵列位于第1和第k阵元之间的阵元数,βm表示第1至第m阵元的阵列所在圆弧对应的圆心角;阵列在圆环上对应的圆心角此时方向向量:
(3)当t1<t≤t2时,阵列的第一个阵元出圆环,最后一个阵元未入圆环。令k表示阵列前段出圆环的最后一个阵元数;q表示阵列在转向圆环上的最后一个阵元数;m表示阵列位于转向圆环上的第1个阵元数k+1和第q阵元之间的阵元数,βm表示阵列在转向圆环上的第一个切点至第m阵元的阵列所在圆弧对应的圆心角。此时方向向量:
(4)当t2<t≤t3时,第一个阵元位于圆环的切线上,最后一个阵元在转向圆环上。令k表示阵列前段出圆环的最后一个阵元数;m表示阵列位于转向圆环上的第1个阵元数k+1和第N阵元之间的阵元数,βm表示阵列在转向圆环上的切点至第m阵元的阵列所在圆弧对应的圆心角。此时方向向量:
(5)当t>t3时,最后一个阵元已出圆环,所有阵元都位于圆环切线上,呈一条均匀线列阵排列;此时方向向量为:
情况2:小角度左转向
此时,转向的5个阶段与小角度右转向相同,如图1所示,且各阶段的字母含义与情况1一一对应。当平台和阵列小角度左转向时,各阶段临界时刻的阵列阵形示意图如图3所示。t0是基准时刻, 其中v是平台(阵列)速度。
在小角度右转向各时间阶段的方向向量结果上,将变量r、β、βm都分别变为原值的相反数(即乘-1),即可得到小角度左转向各时间阶段的方向向量。具体为:
(1)当0≤t≤t0时,阵列还未到达转向的圆环,呈标准的线列阵排列;此时方向向量为:
(3)当t1<t≤t2时,阵列的第一个阵元出圆环,最后一个阵元未入圆环。
(5)当t>t3时,最后一个阵元已驶出圆环,所有阵元都位于圆环切线上,呈一条均匀线列阵排列。此时方向向量为:
(二)大角度转向
大角度转向时,位转向圆环上阵列所对应的圆心角β的取值由图4所示,根据β的取值可以将转向过程分解为5个阶段。
情况3:大角度右转向
(1)当0≤t≤t0时,阵列还未到达转向的圆环,呈标准的线列阵排列。此时方向向量为:
(2)当t0<t≤t1时,阵列的一部分位于转向圆环上,另一部分呈直线与转向圆环相切。令k表示阵列在转向圆环上的最后一个阵元数;m表示阵列位于第1和第k阵元之间的阵元数,βm表示第1阵元至第m阵元的阵列所在圆弧对应的圆心角;阵列在圆环上对应的圆心角此时方向向量为:
(4)当t2<t≤t3时,第一个阵元位于圆环的切线上,最后一个阵元在转向圆环上。令m表示阵列位于转向圆环上的第1个阵元数k+1和第N阵元之间的阵元数,βm表示阵列在转向圆环上的切点至第m阵元的阵列所在圆弧对应的圆心角。此时方向向量为:
(5)当t>t3时,最后一个阵元已驶出圆环,所有阵元都位于圆环切线上,呈一条均匀线列阵排列。此时方向向量为:
情况4:大角度左转向
在大角度右转向各时间阶段的方向向量结果上,将变量r、β、βm都分别变为原值的相反数(即乘-1),即可得到大角度左转向各时间阶段的方向向量。具体为:
(1)当0≤t≤t0时,阵列还未到达转向的圆环,呈标准的线列阵排列。此时方向向量为:
(5)当t>t3时,最后一个阵元已驶出圆环,所有阵元都位于圆环切线上,呈一条均匀线列阵排列。此时方向向量为:
本发明的有益效果:本发明通过建立阵列绕圆弧轨迹转向模型,针对大角度转向和小角度转向、左转向和右转向条件,利用阵列位圆弧所对应的圆心角将转向过程分解为5个转向阶段,给出5个阶段相邻4个时刻的时间点数值,并对每个转向阶段,以第1阵元为基准,给出当前时刻的波束形成方向向量,对于提高转向过程中目标方位估计性能具有较大的应用价值。
附图说明
图1表示阵列小角度转向过程中,阵列位圆环上的长度所对应的圆心角度数β随时间的变化;β的取值将阵列转向分成5个时间阶段,各阶段交界点分别定义为时刻t0、t1、t2、t3,α为平台或阵列转向角度。
图2表示阵列小角度右转向时,在4个临界时刻点对应的阵列阵形和转向圆环的位置关系。其中,O0(0,0)是进入转向圆环的位置,并以此点建立坐标系x0y0,平台需要转向的角度为α。O1(0,0)、O2(0,0)、O3(0,0)分别对应于第1阵元当前的位置所建立的当前时刻坐标系x1y1、x2y2、x3y3。所建立的坐标系x0,x1,x2,x3方向,指向阵列第1阵元前进方向的左侧垂直方向。y0,y1,y2,y3方向指向第1阵元向第2阵元的切向方向。图3、图5、图6中的相应坐标原点和参数也以相同方式设置。
图3表示阵列小角度左转向时,在4个临界时刻点对应的阵列阵形和转向圆环的位置关系。
图4表示阵列大角度转向过程中,阵列在圆环上所对应的圆心角度数β随时间的变化;β的取值将阵列转向分成5个时间阶段,各阶段交界点分别定义为时刻t0、t1、t2、t3;其中βmax是阵列在转向圆弧上所对应的最大圆心角,图5、图6中相同。
图5表示阵列大角度右转向时,在4个临界时刻点对应的阵列阵形和转向圆环的位置关系。
图6表示阵列大角度左转向时,在4个临界时刻点对应的阵列阵形和转向圆环的位置关系。
具体实施方式
以下结合发明内容和附图详细叙述本发明的具体实施例子。
一种拖线阵声纳平台转向过程中波束形成方向向量的测算方法,步骤如下:
步骤1:确定平台转弯方向、转弯角度α、转弯半径r、阵元数N和阵元间隔d。计算L=(N-1)d。若αr<L,定义为小角度转向,αr≥L定义为大角度转向。
步骤3:判断转向方向和转向角度的四种可能情况,分别给出每种情况转向过程中5个阶段的方向向量。
情况1.小角度右转向
(1)当0≤t≤t0时,
(2)当t0<t≤t1时,
(3)当t1<t≤t2时,
(4)当t2<t≤t3时,
(5)当t>t3时,
情况2.小角度左转向
(1)当0≤t≤t0时,
(2)当t0<t≤t1时,
(3)当t1<t≤t2时,
(4)当t2<t≤t3时,
(5)当t>t3时,
情况3.大角度右转向
(1)当0≤t≤t0时,
(2)当t0<t≤t1时,
(3)当t1<t≤t2时,
(4)当t2<t≤t3时,
(5)当t>t3时,
情况4.大角度左转向
(1)当0≤t≤t0时,
(2)当t0<t≤t1时,
(3)当t1<t≤t2时,
(4)当t2<t≤t3时,
(5)当t>t3时,
Claims (1)
1.一种拖线阵声纳平台转向过程中波束形成方向向量的测算方法,其特征在于,步骤如下:
步骤1:建立阵列绕圆弧轨迹转向模型:设阵列的第一阵元为1,最后一个阵元为N,d为阵元间距,θ为远场平面波入射方向,λ为声波波长,a(θ)为方向向量;
设拖线阵声纳平台转向角度为α,转弯半径为r,阵列孔径为L=(N-1)d;定义αr<L为小角度转向,αr≥L为大角度转向;
阵列转向过程中,阵列在圆环上的长度所对应的圆心角度数β随时间变化;根据圆心角度数β的取值,将阵列转向分成5个时间阶段,各时间阶段交界点依次定义为时刻t0、t1、t2、t3;
步骤3:判断转向方向和转向角度的四种情况,分别给出每种情况下转向过程中5个阶段的方向向量,具体如下:
情况1.小角度右转向
(1)当0≤t≤t0时,方向向量为:
(2)当t0<t≤t1时,方向向量为:
(3)当t1<t≤t2时,方向向量为:
(4)当t2<t≤t3时,方向向量为:
(5)当t>t3时,方向向量为:
情况2.小角度左转向
(1)当0≤t≤t0时,方向向量为:
(2)当t0<t≤t1时,方向向量为:
(3)当t1<t≤t2时,方向向量为:
(4)当t2<t≤t3时,方向向量为:
(5)当t>t3时,方向向量为:
情况3.大角度右转向
(1)当0≤t≤t0时,方向向量为:
(2)当t0<t≤t1时,方向向量为:
(3)当t1<t≤t2时,方向向量为:
(4)当t2<t≤t3时,方向向量为:
(5)当t>t3时,方向向量为:
情况4.大角度左转向
(1)当0≤t≤t0时,方向向量为:
(2)当t0<t≤t1时,方向向量为:
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