CN112433218B - 一种舰用共形阵虚拟障板的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种舰用共形阵虚拟障板的实现方法，属于声纳阵列信号处理领域。确定共形阵的阵元位置；构建三元组结构；分别计算单阵元共形阵和三元组的相控系数；合成总相控系数；对接收信号进行相位补偿。本发明通过构建三元组结构，采用相控的方式，使接收阵形成单指向性阵元，从而构成软障板。本发明解决了物理障板阻挡发射声波能量的缺陷，同时能有效抑制背向的噪声与干扰，并且方法简单可行，易于工程实现。

Description

一种舰用共形阵虚拟障板的实现方法

技术领域

本发明涉及声纳阵列信号处理技术领域，特别涉及一种舰用共形阵虚拟障板的实现方法。

背景技术

水面舰舰壳声呐是水面舰艇探测潜艇的主要装备之一，一般安装在球鼻艏的导流罩内。传统的舰用声呐主要采用圆柱形的布阵方式。为减小舰艇航行的阻力和流噪声，舰艏导流罩通常采用狭长型设计，圆柱阵的孔径和工作频率在设计时受此局限，直接影响到声呐的作用距离和效果。共形阵是一种新型的基阵形式，能够充分利用导流罩的纵向空间，增加声基阵的孔径，从而提高声呐的定位精度和作用距离。

舰用共形阵声呐一般采用收发分置方式，发射阵由高能量密度发射换能器组成，放置在共形接收阵的中间。为了不影响发射阵的发射效率，接收阵不能使用声障板。但是若不使用障板，则无法遮挡背向来的噪声和干扰，使得声场非常复杂。

因此，寻找一种易于工程实现的既能透声又能起到障板作用的方法是舰用共形阵声呐亟需解决的实际问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种舰用共形阵虚拟障板的实现方法，以解决背景技术中出现的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种舰用共形阵虚拟障板的实现方法，包括：

确定共形阵的阵元位置；

构建三元组结构；

分别计算单阵元共形阵和三元组的相控系数；

合成总相控系数；

对接收信号进行相位补偿。

可选的，确定共形阵的阵元位置包括：

通过指向性函数及各向同性噪声场下阵增益的分析，设计共形阵的布阵参数，所述布阵参数包括阵型、阵元个数和阵元间距；

以其中一个阵元为参考点，解算所有阵元的三维坐标，设第i个阵元的位置坐标为：r_i＝(s_i,y_i,z_i),i＝1,...,N，N的范围为正整数。

可选的，构建三元组结构包括：

以每个阵元为中心，将单个阵元扩展成一个三元组；

以其中一个阵元为参考点，解算所有三元组结构阵元的三维坐标，设第i个三元组的第j个阵元的位置坐标为：r_i,j＝(x,y,z),i＝1,…,N；j＝1,2,3。

可选的，计算单阵元共形阵的相控系数包括：

假设欲形成的波束主瓣的最大值方向为θ为方位角，/>为俯仰角；令其单位矢量为：

于是第i个阵元在方向上的声波相对于参考点的声程差可以表示为：

因此，第i个阵元在方向上的声波相对于参考点的相位差为：

其中，λ表示波长；

于是，欲形成方向的波束，则第i个阵元的相控系数为：

可选的，计算三元组的相控系数包括：

按构建的三元组结构，假设第k个阵元的坐标在参考点O上，则该三元组的三个阵元的位置分别为：

d是三元组结构的边长；

令相移分别为其中f是工作频率，c表示水中声速；则该三元组可形成指向x轴的心形指向性；

因此，三元组的相控系数为：

exp里的j表示虚部。

可选的，合成总相控系数包括：

对于三元组结构的每个阵元，其相控系数是单阵元相控系数与三元组相控系数的乘积，因此第i个三元组的第j个阵元的相控系数为：

ω_ij＝ω_i*ω₀(j)i＝1,，,N；j＝1,2,3。

可选的，对接收信号进行相位补偿包括：

首先，对每个阵元接收的信号进行K点快速傅里叶变换，将阵元信号由时域变换到频域：

[X_ij(0),X_ij(1),···X_ij(K-1)]＝FFT(x_ij(t))i＝1,，,N；j＝1,2,3

x表示时域信号，X表示频域信号；然后将对应频率的信号分量分别乘以对应的相控系数，求和得到波束形成后的频域信号，

最后对频域波束信号做快速傅里叶逆变换得到时域波束信号：

y(t)＝IFFT([y(0),Y(1),...,Y(K-1)])。

在本发明提供的舰用共形阵虚拟障板的实现方法中，确定共形阵的阵元位置；构建三元组结构；分别计算单阵元共形阵和三元组的相控系数；合成总相控系数；对接收信号进行相位补偿。本发明通过构建三元组结构，采用相控的方式，使接收阵形成单指向性阵元，从而构成软障板。本发明解决了物理障板阻挡发射声波能量的缺陷，同时能有效抑制背向的噪声与干扰，并且方法简单可行，易于工程实现。

附图说明

图1是马蹄形共形阵示意图；

图2是三元组结构示意图；

图3是三元组的心形指向性示意图；

图4是共形阵水平波束图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种舰用共形阵虚拟障板的实现方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种舰用共形阵虚拟障板的实现方法，包括如下步骤：

步骤1、确定共形阵的阵元位置：

针对共形阵的安装平台和实际需求，在考虑工程可实现性和充分利用空间的基础上，通过指向性函数及各向同性噪声场下阵增益的分析，设计共形阵的布阵参数，所述布阵参数包括阵型、阵元个数和阵元间距；以其中一个阵元为参考点，解算所有阵元的三维坐标，设第i个阵元的位置坐标为：r_i＝(s_i,y_i,z_i),i＝1,...,N，N为正整数。

如图1所示即为典型的马蹄形共形阵示意图。

步骤2、构建三元组结构：

以每个阵元为中心，将单个阵元扩展成一个三元组。假设阵元在O点，则该阵元扩展后的三元组结构如图2所示。三个阵元(即H1、H2、H3)构成一个等边三角形，其中，边长d为六分之一波长，安装时使阵元1(即H1)和阵元2(即H2)的连线与共形阵在该点的切面垂直。

以其中一个阵元为参考点，解算所有三元组结构阵元的三维坐标，设第i个三元组的第j个阵元的位置坐标为：r_i,j＝(x,y,z),i＝1,，,N；j＝1,2,3。

步骤3、分别计算单阵元共形阵和三元组的相控系数：

第一步，计算单阵元共形阵的相控系数包括：

假设欲形成的波束主瓣的最大值方向为θ为方位角，/>为俯仰角；令其单位矢量为：

于是第i个阵元在方向上的声波相对于参考点的声程差可以表示为：

因此，第i个阵元在方向上的声波相对于参考点的相位差为：

其中，λ表示波长；

于是，欲形成方向的波束，则第i个阵元的相控系数为：

第二步，计算三元组的相控系数包括：

按构建的三元组结构，假设第k个阵元的坐标在参考点O上，则该三元组的三个阵元的位置分别为：

d是三元组结构的边长；

令相移分别为其中f是工作频率，c表示水中声速；则该三元组可形成指向x轴的心形指向性，如图3所示；

因此，三元组的相控系数为：

exp里的j表示虚部。

步骤4、合成总相控系数：

对于三元组结构的每个阵元，其相控系数是单阵元相控系数与三元组相控系数的乘积，因此第i个三元组的第j个阵元的相控系数为：

ω_ij＝ω_i*ω₀(j)i＝1,，,N；j＝1,2,3。

步骤5、对接收信号进行相位补偿：

首先，对每个阵元接收的信号进行K点快速傅里叶变换，将阵元信号由时域变换到频域：

[X_ij(0),X_ij(1),···X_ij(K-1)]＝FFT(x_ij(t))i＝1,,,N；j＝1,2,3

x表示时域信号，X表示频域信号。然后将对应频率的信号分量分别乘以对应的相控系数，求和得到波束形成后的频域信号，

最后对频域波束信号做快速傅里叶逆变换得到时域波束信号：

y(t)＝IFFT([y(0),Y(1),...,Y(K-1)])。

经过以上步骤处理之后的共形阵水平90°方向的接收波束图如图4所示，与常规处理相比，本方法能显著抑制背向270°方向上的信号，具有类似物理障板的效果。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (3)

1.一种舰用共形阵虚拟障板的实现方法，其特征在于，包括：

确定共形阵的阵元位置；

构建三元组结构；

分别计算单阵元共形阵和三元组的相控系数；

合成总相控系数；

对接收信号进行相位补偿；其中，

确定共形阵的阵元位置包括：

通过指向性函数及各向同性噪声场下阵增益的分析，设计共形阵的布阵参数，所述布阵参数包括阵型、阵元个数和阵元间距；

以其中一个阵元为参考点，解算所有阵元的三维坐标，设第i个阵元的位置坐标为：r_i＝(s_i,y_i,z_i),i＝1,2,…,N，N为正整数；

构建三元组结构包括：

以每个阵元为中心，将单个阵元扩展成一个三元组；

以其中一个阵元为参考点，解算所有三元组结构阵元的三维坐标，设第i个三元组的第j个阵元的位置坐标为：r_i,j＝(x,y,z),i＝1,2,…,N；j＝1,2,3；

计算单阵元共形阵的相控系数包括：

假设欲形成的波束主瓣的最大值方向为θ为方位角，/>为俯仰角；令其单位矢量为：

于是第i个阵元在方向上的声波相对于参考点的声程差可以表示为：

因此，第i个阵元在方向上的声波相对于参考点的相位差为：

其中，λ表示波长；

于是，欲形成方向的波束，则第i个阵元的相控系数为：

计算三元组的相控系数包括：

按构建的三元组结构，假设第k个阵元的坐标在参考点O上，则该三元组的三个阵元的位置分别为：

d是三元组结构的边长；

令相移分别为其中f是工作频率，c表示水中声速；则该三元组可形成指向x轴的心形指向性；

因此，三元组的相控系数为：

exp里的j表示虚部。

2.如权利要求1所述的舰用共形阵虚拟障板的实现方法，其特征在于，合成总相控系数包括：

对于三元组结构的每个阵元，其相控系数是单阵元相控系数与三元组相控系数的乘积，因此第i个三元组的第j个阵元的相控系数为：

ω_ij＝ω_i*ω₀(j) i＝1,2,…,N；j＝1,2,3。

3.如权利要求2所述的舰用共形阵虚拟障板的实现方法，其特征在于，对接收信号进行相位补偿包括：

首先，对每个阵元接收的信号进行K点快速傅里叶变换，将阵元信号由时域变换到频域：

[X_ij(0),X_ij(1),···X_ij(K-1)]＝FFT(x_ij(t)) i＝1,2,…,N；j＝1,2,3

x表示时域信号，X表示频域信号；然后将对应频率的信号分量分别乘以对应的相控系数，求和得到波束形成后的频域信号，

最后对频域波束信号做快速傅里叶逆变换得到时域波束信号：

y(t)＝IFFT([y(0),Y(1),...,Y(K-1)])。