一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法
【专利摘要】本发明涉及一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，解决了超短基线水下定位系统的远距离精确定向问题，其技术方案是采用沿圆柱体周向均匀布置16阵元，轴向均匀布置3列，共48元的均匀圆柱阵列。测向时，首先将轴向三阵元输出直接相加，将48元均匀圆柱阵等效成16元均匀圆周阵；然后分别以等效圆周阵的各阵元作为主轴方向，利用当前阵元及两侧相邻的6个阵元共7个阵元形成覆盖周向360°的16个多波束，并通过多波束幅度比较估计出信号的大致方向；最后采用信号所在多波束主轴左右相邻的3个阵元进行分裂波束互谱定向，对信号的方位进行精确估计。实现了海上试验中对航行体进行全航程的实时跟踪与定位，为评估水下航行体的各项性能创造了条件。
【专利说明】-种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法
【技术领域】
[0001] 本发明属水下定位与导航领域，涉及一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方 法。
【背景技术】
[0002] 通常，一个高速航行体在海上试验时，要通过自身安装的数据记录设备记录航速、 姿态、控制特性、航行深度以及接收的目标回波波形等数据，进行线下分析。然而，如果由于 意外因素导致该试验目标无法回收，则无法分析其性能。可行的方法是利用客观的外部测 量系统，对其运动轨迹进行测量，以评价该运动目标的各项性能。
[0003] 目前，我国周边试验海域还没有建成完善的水下长基线定位系统，并且安装有短 基线或超短基线水下定位系统的试验船只甚少，使得在海上进行高速航行体科研试验和交 付试验时，无法对航行体进行全航程的实时跟踪与定位，降低了试验效率与安全性。因此， 急需一种作用距离远、便携式的超短基线水下定位系统。传统的超短基线定位系统多采用 孔径小于半波长的三元L型基阵或多元十字正交型直线阵，通过测量各通道间的相位差和 目标到基阵的斜距来估算目标的位置，由于基阵孔径小，系统的定位精度受限，另外由于阵 元少易受随机噪声的影响，测得的信号的相位也会起伏，这就使得这种超短基线定位系统 在远距离时定位精度不高。
[0004] 针对便携式远距离高精度定位要求，故需构建一种抗相位模糊的高增益阵列及精 确定向方法，用于水下超短基线定位系统。在本专利应用之前国内还未曾有基于多元均匀 圆柱阵的精确定向方法用于水下超短基线定位系统。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，用于解决超 短基线水下定位系统的远距离精确定向问题，用于海上高速航行体科研试验和交付试验 时，对其进行全航程的实时跟踪与定位。
[0006] 本发明的技术方案是：提出一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，采用沿 圆柱体周向均匀布置16阵元，轴向均匀布置3列，共48元的均匀圆柱阵列。测向时，首先 将轴向三阵元输出直接相加，将48元均匀圆柱阵等效成16元均匀圆周阵；然后分别以等 效圆周阵的各阵元作为主轴方向，利用当前阵元及两侧相邻的6个阵元共7个阵元形成覆 盖周向360°的16个多波束，并通过多波束幅度比较估计出信号的大致方向；最后采用信 号所在多波束主轴左右相邻的3个阵元进行分裂波束互谱定向，对信号的方位进行精确估 计。具体包括如下步骤：
[0007] -种多元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，具体包括如下步骤：
[0008] 步骤一：阵元布置
[0009] 将一组16个阵元周向均匀布置在定位装置的同一外圆周上，并在轴向均布3组， 形成共48元的均匀圆柱阵列；
[0010] 步骤二：将轴向三阵元输出相加得到等效16元均匀圆周阵的输出：
【权利要求】
1. 一种48元均匀圆柱阵超短基线精确定向方法，具体包括如下步骤： 步骤一：阵元布置 将一组16个阵元周向均匀布置在定位装置的同一外圆周上，并在轴向均布3组， 形成共48元的均匀圆柱阵列； 步骤二：将轴向三阵元输出相加得到等效16元均匀圆周阵的输出，公式为
式中，&ij是等效均匀圆周阵第i个等效阵元轴向的第j个阵元输出； 步骤三：多波束粗略定向 分别以等效圆周阵的各等效阵元Ai作为波束主轴方向，利用当前等效阵元及两侧相 邻的6个阵元共7个阵元，形成覆盖周向360°的16个多波束，定义为氏?B16 :
式中，化表示第i个等效阵元的输出，&表示测量信号中心频率，R表示圆周半径，c表 示水中声速，Wi表示汉明加权系数，小为相邻两个等效阵元中心轴线夹角，Wi(i= 1，2, 3, 4) 的具体取值如下： w2,w3,w4} = {0. 08, 0. 31, 0. 77, 1. 00} 多波束的_3dB宽度约为25°，实现周向360°全覆盖，并且降低旁瓣级；形成16个多 波束后，分别对其进行滑动FFT处理，并进行幅度比较，找出最大值所在波束号，作为信号 来向的粗略估计； 步骤四：分裂波束精确定向 将信号所在多波束主轴左右相邻的3个阵元输出分别直接相加，形成左右分裂波束， 通过分裂波束互谱定向，对信号的方位进行精确估计。假设信号入射方向与多波束主轴夹 角为e，则左右分裂波束的互谱尽可表示如下：
可求出电相角：
根据上式，将0在[-仍/2#/2]，即[-11.25° ,11.25° ]范围内按精度0.05°离散取 值，计算出对应的电相角a值，并进行记录，完成左右分裂波束互谱电相角到方位角9的 映射，从而对信号的方位进行精确估计。
【文档编号】G01S3/00GK104407318SQ201410667653
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】岳玲, 杨晓亮, 周晶 申请人:中国船舶重工集团公司第七〇五研究所