一种发-收合置复合双椭球螺旋线阵的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声信号处理技术领域，设及一种用于海洋环境中声信号发射与接收 的=维阵设计，尤其设及一种发-收合置复合双楠球螺旋线阵。
【背景技术】
[0002] 海洋环境为一个上临海面、下接海底、内含不均匀声速的受约束的波导环境，具有 =维特性，在海洋波导环境中传播的声场为由方位、距离和深度柱坐标或X，y，Z笛卡尔坐 标共同表示的S维场。采用空间宽带水听器阵发射与接收声信号，不仅可W完成声能聚焦 到所期望的目标上，减小其它散射体产生的混响，还可W完成对声信号的有效接收，实现目 标测向、测距和测深。
[0003] 由于受上下界面和不均匀声速的影响，海洋环境中声波W多路径传播，阵接收到 的波形是发射波形的多路径时延加权和，不再保持发射波形的形状，存在失真，因而自由场 模型不适用。同时，海洋环境具有水平分层特性，声速在水平维的变化比垂直维要小得多， 因而垂直维能提供更多的信息。基于海洋环境的该些特性，我们在设计水声基阵的时候，有 两点考虑；1、基阵具有复杂的空间取向，阵元尽可能均匀分布在=维孔径中；2、垂直孔径 大于水平孔径。该样设计的阵有助于解决波导中距离和深度聚焦/估计要比方位聚焦/估 计困难该一问题，从而实现方位、距离和深度=维聚焦/估计的能力。
[0004] 发-收合置复合双楠球螺旋线阵（CDSLA)是在双楠球螺旋线阵值SLA)基础上扩 展而成：将DSLA上每一个阵元扩展成一个DSLA子阵，该子阵既有发射阵元，又有接收阵元， 并且接收阵元仍然排列成双楠球螺旋线形。因此CDSLA保留了 DSLA所有特性，其发射阵元 由两条沿楠球面螺旋的曲线阵（SLA)组成，两条SLA的起点，高度上错开一定的间隔、方位 上错开将近180度，均按顺时针方向螺旋向下，在每个高度处对楠球面对立的东西两面都 有阵元采样，是楠球面阵的一个充分采样。同时W每个发射阵元为阵中屯、，由接收阵元构成 一个DSLA子阵，在每个DSLA子阵中，接收阵元也是由两条SLA组成，两条SLA的起点，高度 上错开一定的间隔、方位上错开将近180度，均按顺时针方向螺旋向下，在每个高度处对楠 球面对立的东西两面都有阵元采样，是DSLA子阵楠球面阵的一个充分采样。CDSLA在主动 方式下，可利用螺旋线的付里叶变换实现对目标的方位、距离和深度=维聚焦，在被动方式 下，可分两级处理；首先对每个DSLA子阵利用螺旋线的付里叶变换获得一个组合输出，然 后对组合输出再利用螺旋线的付里叶变换获得对目标回波信号的方位、距离和深度=维估 计。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题之一是设计一种S维阵形，阵元既在S维空间均匀分 布又具有结构性，其阵响应同时具有方位、距离和深度=维分辨能力，后续信号处理又能采 用快速算法。
[0006] 本发明所要解决的技术问题之二是发射-接收合置，发射阵与接收阵属于同一个 阵，但发射传感器与接收传感器分离，发射传感器数目小于接收传感器数目，但与接收传感 器张成相近的孔径，为发射-接收互动处理提供基础。
[0007] 本发明基于已有的DSLA阵，设计了一种新的S维阵形一一发-收合置复合双楠球 螺旋线阵，结构如下：
[000引 （l)CDSLA由两条螺旋环绕楠球面两周的子阵组成，由此构成发射阵的孔径；用N 表示子阵的数目，N为4的倍数；各子阵的编号如下；第一条SLA的编号为1，3, 5,…，N-1， 第二条SLA的编号为2, 4, 6,…，N ;
[0009] (2)用Ht表示CDSLA发射阵垂直孔径，用W T表示CDSLA发射阵水平孔径，CDSLA发 射阵的垂直孔径为水平孔径的Kt倍，即Ht= Kt*Wtt，其中Kt为大于1的正实数。
[0010] (3) CDSLA发射阵所环绕的楠球，垂直长半轴用Ct表示，C T= Ht* (化1) / (N-1) /2,两 个水平半轴相等，用ai表示，a T= W t/2 ;
[0011] (4)CDSLA发射阵整体具有规律性，子阵在垂直上等间距分布，水平上等方位分 布；
[0012] (5)采用柱坐标系表示各子阵的坐标，坐标原点为楠球中屯、，为保证各阵元的S维 坐标都不同，需要设置一个初始方位4。；
[001引其中1到N/2号的奇数发射阵元的方位坐标4。为：
[0014] <l)〇+360*2*(i-l)/N，i = 1，3,…，N/2-1 ;
[001引1到N/2号的偶数发射阵元的方位坐标4。为：
[0016] 4 0+180+360*2* (i-1) /N, i = 2, 4,…，N/2 ;
[0017] (N/2)+l到N号的奇数发射阵元的方位坐标4。为：
[0018] <l)〇+360/^360*2*(i-N/2-l)/N，i = N/^l，N/^3，...，N-l;
[0019] (N/2)+l到N号的偶数发射阵元的方位坐标4。为：
[0020] 4 0+180+360/化360*2* (i-N/2-l) /N, i = N/化2, N/化4,…，N，
[0021] 单位为度，i为阵元编号；
[002引各发射阵元的半径为町1= asin(arccos(z Ti/c));
[002引各发射阵兀的垂直坐标为；Zti= Ht/2-Ht*(i-1)/(N-1);
[0024] (6)各发射阵元分布在楠球面上，坐标符合楠球的几何表达式，各阵元的笛卡尔坐 标为：
[0025]
【主权项】
1. 一种发-收合置复合双椭球螺旋线阵，其特征在于，包括两条螺旋环绕椭球面的 子阵，构成发射阵的孔径，用N表示发射阵元的数目，第一条子阵上发射阵元的编号为 1，3, 5,…，N-1，第二条子阵上发射阵元的编号为2, 4, 6,…，N;米用柱坐标系表不各子阵的 坐标，坐标原点为椭球中心，设置初始方位 1到N/2号的奇数发射阵元的方位坐标巾"为： <i> 0+360*2* (i-1) /N，i= 1，3,…，N/2-1 ; 1到N/2号的偶数发射阵元的方位坐标巾"为： <i> 0+18〇+360*2* (i-1) /N，i= 2, 4,…，N/2 ; (N/2)+l到N号的奇数发射阵元的方位坐标巾"为： <i>0+360/N+360*2*(i-N/2-l)/N，i=N/2+l，N/2+3, ; (N/2)+l到N号的偶数发射阵元的方位坐标巾"为： <i>0+180+360/N+360*2*(i-N/2-l)/N，i=N/2+2，N/2+4,…，N， 单位为度，i为阵元编号；各发射阵元的半径为rTi=asin(arccos(zTi/cT));各发射 阵元的垂直坐标为七=1/2哄*(1-1)八^1);&为椭球的水平半轴，（^表示发射阵所环 绕椭球的垂直长半轴，％表示发射阵垂直孔径； 以各发射阵元为阵中心，设有两条螺旋环绕椭球面两周的接收曲线阵。
2. 如权利要求1所述的发-收合置复合双椭球螺旋线阵，其特征在于，发射阵垂直孔径 Ht=Kt*Wt，^表示发射阵水平孔径，、表示发射阵的垂直孔径与水平孔径的比值。
3. 如权利要求1所述的发-收合置复合双椭球螺旋线阵，其特征在于，发射阵所环绕椭 球的垂直长半轴cT=HT* (N+l)AN-1) /2,两个水平半轴相等，用aT表示，aT=Wt/2。
4. 如权利要求1所述的发-收合置复合双椭球螺旋线阵，其特征在于，各发射阵元分布 在椭球面上，坐标符合椭球的几何表达式，各发射阵元的笛卡尔坐标为：
其中，cT表示发射阵所环绕椭球的垂直长半轴，HT表示发射阵垂直孔径，aT表示椭球的 水平半轴。
5. 如权利要求4所述的发-收合置复合双椭球螺旋线阵，其特征在于，用M表示子阵接 收阵元的数目，第i个子阵各接收阵元的编号如下：第一条接受曲线上接收阵元的编号为 i-1，i-3,…，i-M-1，第二条接受曲线上接收阵元的编号为i-2,i-4,…，i-M; 采用柱坐标系表示第i个子阵的阵元坐标，（xTi，yTi，zTi)为椭球中心，布放发射阵元； 子阵的初始方位为小iQ; 其中1到M/2号的奇数接收阵元的方位坐标巾&为： 伞i0+360*2* (j-1) /M，j= 1，3,…，M/2-1 ; 1到M/2号的偶数接收阵元的方位坐标巾w为： <i>i(l+180+360*2* (j-1) /M，j= 2, 4,…，M/2 ; M/2+1到M号的奇数接收阵元的方位坐标（i>w为： <i>iCI+360/M+360*2*(j-M/2-l)/M，j=M/2+l，M/2+3, ; M/2+1到M号的偶数接收阵元的方位坐标巾&为： <i>i(l+180+360M+360*2* (j-M/2-1) /M，j=M/2+2,M/2+4,…，M， 单位为度，j为每个子阵接收阵元编号；子阵各接收阵元的半径为rKj=au sin(arccos(zRj/cR))； 子阵各接收阵元的垂直坐标为：zKj=HK/2-HK*(j-l)/(M-l); 其中，HK表示子阵接收阵的垂直孔径，cK表示子阵接收阵所环绕椭球的垂直半轴，a1；表 示子阵接收阵所环绕椭球的水平半轴。
6. 如权利要求5所述的发-收合置复合双椭球螺旋线阵，其特征在于，子阵接收阵垂直 孔径HK=Kk*Wk，Kk为正实数。
7. 如权利要求6所述的发-收合置复合双椭球螺旋线阵，其特征在于，子阵接收阵所环 绕椭球的垂直半轴cK=Hk*(M+1V(M_1)/2,两个水平半轴aK相等，aK=Wk/2。
8. 如权利要求7所述的发-收合置复合双椭球螺旋线阵，其特征在于，子阵各接收阵元 分布在子阵的椭球面上，坐标符合椭球的几何表达式，各接收阵元的笛卡尔坐标为：
其中，HK表示子阵接收阵的垂直孔径，cK表示子阵接收阵所环绕椭球的垂直半轴，a1；表 示子阵接收阵所环绕椭球的水平半轴。
9. 如权利要求8所述的发-收合置复合双椭球螺旋线阵，其特征在于，所有接收阵元张 成的垂直孔径为HT+HK，水平孔径为WT+WK。
【专利摘要】本发明公开了一种发-收合置复合双椭球螺旋线阵，由两条螺旋环绕椭球面两周的螺旋线阵子阵组成，每个子阵也为双椭球螺旋线阵，其中发射阵元位于子阵的阵中心，接收阵元由两条螺旋环绕椭球面两周的曲线阵组成。该阵有以下特性：(1)既具有垂直孔径又具有水平孔径；(2)既具有发射能力，又具有接收能力；(3)发射-接收合置，位置上属于一个阵；(4)发射阵元与接收阵元分离；(5)发射阵元数<接收阵元数，两者差一个比例，该比例为每个子阵的接收阵元数目；(6)镂空阵，阵元尽可能小，阵元与阵架结构精致；(7)CDSLA为发射-接收互动处理提供了基础。
【IPC分类】G01S7-52
【公开号】CN104569955
【申请号】CN201410850185
【发明人】赵航芳
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月31日