一種聲網(wǎng)化的電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控方法

一種聲網(wǎng)化的電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控方法

0電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控由于海上風(fēng)浪的影響，裝載聲船縱臂傾斜，偏離預(yù)測方向，導(dǎo)致性能下降，甚至失去目標(biāo)。傳統(tǒng)聲納系統(tǒng)中采用機(jī)械平臺(tái)穩(wěn)定波束，但隨著對(duì)聲納系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)性能要求的不斷提高，聲納基陣系統(tǒng)變得更復(fù)雜，基元數(shù)也大量增加，使得采用機(jī)械平臺(tái)穩(wěn)定波束的方法變得更加困難，而且也導(dǎo)致導(dǎo)流罩空間尺寸加大，降低了適裝性。在數(shù)字波束形成系統(tǒng)中，可以較方便地利用計(jì)算機(jī)控制波束形成權(quán)系數(shù)，以保持波束的穩(wěn)定，這種控制方法稱為電子平臺(tái)穩(wěn)定。利用同樣的原理，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射或接收波束的方向控制，這種方法稱為束控。本文給出電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控的一般處理方法和過程；在此基礎(chǔ)上給出基于母線錯(cuò)層布陣的改進(jìn)型電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控方法；最后給出圓柱陣的仿真結(jié)果，對(duì)比印證兩種方法的優(yōu)劣。1坐標(biāo)系中各基元的位置電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控的關(guān)鍵是求出形成波束的各基元在波束指向參考坐標(biāo)系中的位置。亦即求出各基元在參考坐標(biāo)系中與波束形成參考點(diǎn)的聲程差。這將涉及到聲基陣所在艦艇平臺(tái)坐標(biāo)系和波束指向所在大地坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)化，以及空間矢量與三維坐標(biāo)系中參考點(diǎn)間距離的求解。1.1波束指向轉(zhuǎn)換對(duì)于固定安裝在艦艇平臺(tái)上的聲基陣，各個(gè)基元在艦艇平臺(tái)坐標(biāo)系XgYgZg中的物理位置是固定不變的。而波束指向的參考坐標(biāo)系一般為大地坐標(biāo)系XoYoZo。因此需要將大地坐標(biāo)系XoYoZo中的波束指向轉(zhuǎn)換到艦艇平臺(tái)坐標(biāo)系XgYgZg中來。這種轉(zhuǎn)換是隨著艦艇平臺(tái)的搖擺而實(shí)時(shí)響應(yīng)的。設(shè)波束指向處于大地坐標(biāo)系XoYoZo中，k號(hào)波束的俯仰角為φk。由于波束的水平指向與弦角相差一個(gè)航向角，為了表述方便，這里用弦角qk代替波束的水平指向。k號(hào)波束在大地坐標(biāo)系中的方向以空間單位矢徑rk!表示，如圖1所示。設(shè)基元處于艦艇平臺(tái)坐標(biāo)系XgYgZg中，OXg為艦艇平臺(tái)艏艉線，YgOZg為艦艇平臺(tái)肋骨面。當(dāng)艦艇平臺(tái)橫搖角度為ψ，縱搖角度為θ時(shí)，rk!在XgYgZg坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（xgk,ygk,zgk）由公式1給出。1.2寬帶波束形成器的特性在艦艇平臺(tái)坐標(biāo)系中，第i號(hào)基元的空間位置矢徑為ri!、方向角為αi、βi、γi等，可以預(yù)先求定，它們與基陣結(jié)構(gòu)有關(guān)。由矢量數(shù)量積可得，對(duì)于k號(hào)波束，基元i相對(duì)波束指向參考點(diǎn)的聲程差dik為：對(duì)應(yīng)聲速c，相應(yīng)的時(shí)間延遲τik為：對(duì)于波長為λ的聲波來說，對(duì)應(yīng)的相移φik為：為了在大地坐標(biāo)系XoYoZo某一方向形成一穩(wěn)定的波束，對(duì)每一個(gè)基元輸出的信號(hào)所需的時(shí)間延遲或相位延遲。對(duì)于寬帶波束形成而言，可以對(duì)基元輸出信號(hào)進(jìn)行延時(shí)dik、幅度加權(quán)后相加，得到波束形成的輸出值。對(duì)于窄帶波束形成或頻率合成波束形成，可以對(duì)基元輸出信號(hào)的不同頻率分量分別移相φik、加權(quán)后相加，得到波束形成輸出。1.3模型的形成和驗(yàn)證針對(duì)已知圓柱陣，建立如圖2所示艦艇平臺(tái)坐標(biāo)系。艦艇平臺(tái)坐標(biāo)系原點(diǎn)O與基陣幾何中心重合，OXg軸與基陣母線相互垂直，OZg軸與基陣母線平行。由于基陣相對(duì)于艦艇平臺(tái)坐標(biāo)系的位置不變，所以可預(yù)先求出各基元的矢徑模值和方向角余弦，存于結(jié)構(gòu)表中，再根據(jù)導(dǎo)航信息中的縱橫搖角度和預(yù)形成波束指向，即可求出實(shí)時(shí)變化的時(shí)延和相移值。在上述公式中，很多變量都可以預(yù)先求得。實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)，更新一次縱橫搖角度需計(jì)算12次乘法、5次加法、2次余弦、2次正弦；計(jì)算參與某個(gè)波束的一個(gè)等效基元相對(duì)參考點(diǎn)的時(shí)延τik，需要求4次乘法、2次加法。依據(jù)1.1、1.2節(jié)的方法，采用時(shí)域波束形成法，得到母線8個(gè)基元分4層時(shí)波束形成的仿真結(jié)果，如圖3。由該圖可以看出，艦艇平臺(tái)的搖擺或波束指向的俯仰，會(huì)使得波束的主瓣、旁瓣的幅值和指向發(fā)生變化。若母線分層數(shù)不夠多的話，還會(huì)出現(xiàn)較大的柵瓣，影響波束形成的效果，進(jìn)而影響聲納系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)。這里不作詳細(xì)討論。2采用母層盤的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)電子平臺(tái)的穩(wěn)定和蜀數(shù)控制方法圓柱陣是主動(dòng)聲納系統(tǒng)普遍采用的聲基陣成陣方式。本節(jié)將以圓柱陣為分析對(duì)象，給出一種基于母線錯(cuò)層布陣的改進(jìn)型電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控方法。2.1均勻的等效陣元間距如圖4所示，圓柱陣一般由水平360°方位內(nèi)等間隔排列的M條線列陣構(gòu)成，每條線列陣（母線）又由N個(gè)垂直方向上等間隔排列的基元構(gòu)成。在圓柱陣聲納系統(tǒng)中，一般在水平360°方位內(nèi)等間隔形成若干個(gè)波束，每個(gè)波束在垂直方向上的束寬和指向性由母線上的線列陣決定。若要實(shí)現(xiàn)電子平臺(tái)穩(wěn)定和束控，必須對(duì)母線上的基元進(jìn)行分層。根據(jù)線列陣波束形成原理，若波束在空間一個(gè)扇面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)指向時(shí)，這個(gè)扇面的寬度實(shí)際上不是任意的，存在一個(gè)極限值。當(dāng)扇面超過這個(gè)極限時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)方位模糊。若要避免這種模糊，則掃描的扇面寬度θs、聲波波長λ以及基元間距d須滿足：可見，對(duì)于給定的聲波波長λ，中心非模糊扇面的大小取決于基元間距d。以圖4所示圓柱陣為例，對(duì)于給定的母線上基元間距和基元個(gè)數(shù)，若要增大垂直方向中心非模糊扇面，則基元分層越多越好，亦即各個(gè)分層上若干個(gè)基元組成的等效陣元間距越小越好。若母線上分層數(shù)為K，則聲納系統(tǒng)通道數(shù)將由M個(gè)變?yōu)镸·K個(gè)。顯然，這將使設(shè)備的規(guī)模和復(fù)雜度大大提高。針對(duì)圓柱陣，改進(jìn)型電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控方法采用一種母線錯(cuò)層布陣的方法，使得圓柱陣在母線分層較少的條件下，也能取得常規(guī)布陣（母線等高）、母線分層較多時(shí)的效果。如圖4所示，左側(cè)圖為母線等高布陣圓柱陣，右側(cè)為母線錯(cuò)層布陣圓柱陣。若母線上基元間距為d,8個(gè)基元分為4層、等效為4個(gè)等效陣元，則相鄰等效陣元間距為2d。對(duì)于母線等高布陣的圓柱陣，母線水平展開后如圖5a所示，各條母線上等效陣元的聲中心處在同一水平面上。對(duì)于母線錯(cuò)層布陣的圓柱陣，母線水平展開后如圖5b所示，相鄰母線上等效陣元的聲中心垂直距離為d，水平距離為r。若將相鄰兩條母線上等效陣元綜合考慮，則可以近似認(rèn)為等效陣元聲中心垂直距離為姨d2+r2。因此，在垂直分層數(shù)相同的情況下，只要滿足r<1.7d，依據(jù)公式5，母線錯(cuò)層排列的圓柱陣在垂直方向上中心非模糊扇面就會(huì)大于母線等高布陣的圓柱陣，亦即母線錯(cuò)層排列的圓柱陣的電子平臺(tái)穩(wěn)定效果和束控范圍將優(yōu)于母線等高排列的圓柱陣。2.2仿真結(jié)果分析針對(duì)圖4所示的圓柱陣，按本文第1節(jié)中給出的方法和計(jì)算公式，在相同條件下，分別對(duì)母線等高布陣和母線錯(cuò)層布陣的圓柱陣進(jìn)行波束形成垂直方向上的仿真計(jì)算，得到如圖6所示的仿真結(jié)果。不難看出，在相同條件下，母線上8個(gè)基元分4層、錯(cuò)層布陣（圖6c）時(shí)，電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控效果和母線上8個(gè)基元分8層、等高布陣（圖6a）時(shí)電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控效果基本相當(dāng)，僅在波束主瓣幅值、主旁瓣比上略有差別，但通道數(shù)減少一半。而在同等條件下，母線上8個(gè)基元分4層、等高布陣（圖6b）時(shí)，電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控效果明顯不及圖6a所示的效果。由此可以得出，在母線上基元分層且錯(cuò)層布陣時(shí)，可以減少聲納系統(tǒng)的通道數(shù)，而獲得較好的電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控效果。3穩(wěn)定性及束控措施本文給出了聲納系統(tǒng)電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控的一般計(jì)算方法，并針對(duì)圓柱陣，分析了一種基于母線錯(cuò)層布陣的改進(jìn)型電子平臺(tái)穩(wěn)定及束控方法。需要特別指出的是，對(duì)于不同的聲納系統(tǒng)，