蛙人探测声纳中的波束形成

　　一、概述

　　蛙人探测声纳是近年来兴起的新型水下小目标探测设备，可以针对蛙人、蛙人运载器及机器人等小目标进行探测。由于探测对象与以往的舰船、鱼/水雷有所不同，所以系统设计和跟踪识别技术也有很大差异。

　　过去，海上探测和防御的对象主要是舰船和潜艇等大型目标。近年来随着水下武器装备小型化的发展和世界恐怖主义威胁的日趋紧张，防御小目标入侵问题已经凸显出来，针对小目标的探测技术也得到快速发展。蛙人探测声纳是以小目标为探测对象的高分辨率图像声纳，工作频率越高，系统角度分辨率越高，对目标的描述就越细致，有利于对小目标的探测和识别。蛙人目标不同于水雷、舰船等现有声纳设备针对的目标，其目标散射特性在不同频率时具有不同的特点。

　　国外研究机构已经进行了一系列相关研究，文献[1]构建了蛙人散射模型，仿真分析目标强度。文献[2]通过水池实验，测量了不同频率蛙人携带氧气瓶的目标强度，从实验结果可以看出，在20kHz以上，目标强度较大。文献[3]给出了100kHz时蛙人目标散射回波强度的海上测量结果，闭式呼吸器蛙人目标强度仅有-20～-25dB，开式呼吸器蛙人呼出气泡的目标强度约为-15dB。国内蛙人探测技术虽然开展时间不长，但也已经得到了很大的发展。中国科学院声学研究所在现有的高频声纳研制成熟技术基础上，选取系统中心频率为100kHz，带宽10kHz研制了蛙人探测声纳，是目前国内唯一的数字多波束蛙人探测声纳。本文着重讨论在蛙人探测系统中有关预成多波束的问题以及分别使用均匀加权和Dolph-Chebyshev加权后探测蛙人波束的角度分辨率情况，并通过计算机进行了仿真。

　　二、基本原理

　　水下蛙人产生声学信号s(t)，接收水听器输出记为y(t)，噪声用n(t)描述。时域声学模型如下所示[4]：

　　其中a(t)结合了来自信道衰减和传播路径延时的信息，∗表示卷积。水听器接收的数据y ( t)是以采样率fs=1/T进行采样处理，，这里T是采样间隔。使用二元判定方法，水下蛙人探测问题可用下面复合假设描述：

　　在比较成熟的束控技术中，效果比较好的是道夫——切比雪夫(Dolph-Chebyshev或简称DC)加权的波束形成[5]。它的特点是：在给定旁瓣高度的要求下获得最窄的主瓣;在给定主瓣宽度要求下获得最低的旁瓣。

　　Dolph-Chebyshev加权值为

　　式中

　　式中M是阵列中阵元的个数，dλ分别是阵元间隔与信号波长，θNN为主瓣宽度，SLL是波束旁瓣级，单位是dB，由于旁瓣级比主瓣低，故用负数表示。Dolph-Chebyshev加权设计方法分为指定主瓣宽度与指定旁瓣级两种。在蛙人探测声纳系统中，我们采用指定旁瓣级的方法。