一种发-收合置复合双椭球螺旋线阵 |
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| 申请号 | CN201410850185.5 | 申请日 | 2014-12-31 | 公开(公告)号 | CN104569955A | 公开(公告)日 | 2015-04-29 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 赵航芳; | ||||
| 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 基础 。 | ||||||
| 权利要求 | 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 |
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| 说明书全文 | 一种发-收合置复合双椭球螺旋线阵技术领域背景技术[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，具有三维特性，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三维场。采用空间宽带水听器阵发射与接收声信号，不仅可以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，还可以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，海洋环境中声波以多路径传播，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。基于海洋环境的这些特性，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三维孔径中；2、垂直孔径大于水平孔径。这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/估计困难这一问题，从而实现方位、距离和深度三维聚焦/估计的能力。 [0004] 发-收合置复合双椭球螺旋线阵(CDSLA)是在双椭球螺旋线阵(DSLA)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椭球螺旋线形。因此CDSLA保留了DSLA所有特性，其发射阵元由两条沿椭球面螺旋的曲线阵(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，在每个高度处对椭球面对立的东西两面都有阵元采样，是椭球面阵的一个充分采样。同时以每个发射阵元为阵中心，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，在每个高度处对椭球面对立的东西两面都有阵元采样，是DSLA子阵椭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、距离和深度三维聚焦，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、距离和深度三维估计。 发明内容[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，设计了一种新的三维阵形——发-收合置复合双椭球螺旋线阵，结构如下： [0008] (1)CDSLA由两条螺旋环绕椭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WT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发射阵所环绕的椭球，垂直长半轴用cT表示，cT＝HT*(N+1)/(N-1)/2，两个水平半轴相等，用aT表示，aT＝WT/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，坐标原点为椭球中心，为保证各阵元的三维坐标都不同，需要设置一个初始方位φ0； [0013] 其中1到N/2号的奇数发射阵元的方位坐标φ0为： [0014] φ0+360*2*(i-1)/N,i＝1,3,…,N/2-1； [0015] 1到N/2号的偶数发射阵元的方位坐标φ0为： [0016] φ0+180+360*2*(i-1)/N,i＝2,4,…,N/2； [0017] (N/2)+1到N号的奇数发射阵元的方位坐标φ0为： [0018] φ0+360/N+360*2*(i-N/2-1)/N,i＝N/2+1,N/2+3,…,N-1； [0019] (N/2)+1到N号的偶数发射阵元的方位坐标φ0为： [0020] φ0+180+360/N+360*2*(i-N/2-1)/N,i＝N/2+2,N/2+4,…,N， [0021] 单位为度，i为阵元编号； [0022] 各发射阵元的半径为rTi＝asin(arccos(zTi/c))； [0023] 各发射阵元的垂直坐标为：zTi＝HT/2-HT*(i-1)/(N-1)； [0024] (6)各发射阵元分布在椭球面上，坐标符合椭球的几何表达式，各阵元的笛卡尔坐标为： [0025] [0026] (7)子阵双椭球螺旋线阵(DSLA)的阵中心为发射阵元，四周由两条螺旋环绕椭球面两周的接收曲线阵组成；用M表示子阵接收阵元的数目，M为4的倍数；第i个子阵各阵元的编号如下：第一条SLA的编号为i-1,i-3,…,i-M-1，第二条SLA的编号为i-2,i-4,…，i-M； [0027] (8)用HR表示DSLA子阵接收阵垂直孔径，用WR表示DSLA子阵接收阵水平孔径，垂直孔径为水平孔径的KR倍，即HR＝KR*WR，其中KR为正实数。 [0028] (9)DSLA接收阵所环绕的椭球，垂直半轴用cR表示，cR＝HR*(M+1)/(M-1)/2，两个水平半轴相等，用aR表示，aR＝WR/2； [0029] (10)DSLA接收阵在整体上与由子阵构成的CDSLA具有相同的规律性，接收阵元在垂直上等间距分布，水平上等方位分布； [0030] (11)采用柱坐标系表示各子阵的阵元坐标，(xTi,yTi,zTi)为椭球中心，布放发射阵元；为避免不同子阵接收阵元的位置发生重叠或者挨得太近影响传感器的安装，对接收阵元构成的双螺旋线阵旋转一个初始方位φi0； [0031] 其中1到M/2号的奇数接收阵元的方位坐标φi0为： [0032] φi0+360*2*(j-1)/M,j＝1,3,…,M/2-1； [0033] 1到M/2号的偶数接收阵元的方位坐标φi0为： [0034] φi0+180+360*2*(j-1)/M,j＝2,4,…,M/2； [0035] (M/2)+1到M号的奇数接收阵元的方位坐标φi0为： [0036] φi0+360/M+360*2*(j-M/2-1)/M,j＝M/2+1,M/2+3,…,M-1； [0037] (M/2)+1到M号的偶数接收阵元的方位坐标φi0为： [0038] φi0+180+360/M+360*2*(j-M/2-1)/M,j＝M/2+2,M/2+4,…,M， [0039] 单位为度，j为每个子阵接收阵元编号； [0040] 子阵各接收阵元的半径为rRj＝aRsin(arccos(zRj/cR))； [0041] 各接收阵元的垂直坐标为：zRj＝HR/2-HR*(j-1)/(M-1)； [0042] (12)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 [0043] [0044] (13)CDSLA所有接收阵元的垂直孔径为HT+HR，水平孔径为WT+WR； [0045] (14)CDSLA以发射-接收互动提供了基础：(a)对CDSLA的N个发射阵元进行适当的加权组合，形成指向性发射，初始权系数由海洋环境驱动声传播模型产生；(b)对CDSLA的N×M个接收阵元进行适当的加权组合，形成指向性接收，其中的权系数也由海洋环境驱动声传播模型产生；(c)每个CDSLA子阵的M个接收阵元所接收的回波信号包含着海洋环境的知识，通过加权组合处理，可用于驱动该子阵发射阵元，组合所有发射阵元的贡献，形成指向性发射；(d)对CDSLA的N×M个接收阵元进行适当的加权组合，形成指向性接收，其中的权系数由前一次接收数据通过解卷积估计得到；对(c)与(d)两步迭代进行，实现有效照射目标和有效接收目标回波信号。 [0046] 与现有三维阵相比，本发明的有益效果是： [0047] (1)CDSLA既具有垂直孔径又具有水平孔径； [0048] (2)CDSLA既具有发射能力，又具有接收能力； [0049] (3)发射-接收合置，CDSLA在位置上属于一个阵； [0050] (4)发射阵元与接收阵元分离，简化了对阵元的设计要求； [0051] (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，从性价比考虑，这是一个合适的配置，通常发射代价大，接收代价小； [0052] (6)镂空阵，阵元尽可能小，阵元与阵架结构精致，减小阵元与阵架队声信号的散射。 [0054] 图1是本发明的一个示例CDSLA的示意图，五角星表示发射阵元，圆圈表示接收阵元； [0055] 图2是本发明的一个示例CDSLA在x-y平面的投影图。 具体实施方式[0056] 如图1和图2所示，以发射阵元数N＝8，KT＝4/3，发射阵垂直孔径HT＝0.8m，水平孔径WT＝0.6m，初始方位角φ0＝11.25°；各接收阵元的笛卡尔坐标为接收阵元数M＝8，KR＝34/30，发射阵垂直孔径HR＝0.34m，水平孔径WR＝0.3m，第i个子阵的初始方位角为φi0＝i*8.4375°为例设计本发明三维阵形。 [0057] (1)CDSLA各发射阵元的编号为第一条SLA的编号为：T1,T3,T5,T7，第二条SLA的编号为T2,T4,T6,T8。 [0058] (2)DSLA子阵螺旋线环绕的椭球，垂直长半轴cT＝HT*(N+1)/(N-1)/2＝0.5143m，两个水平半轴相等，aT＝WT/2＝0.3m。 [0059] (3)DSLA各发射阵元的方位计算如下：1到4号的奇数阵元各阵元的方位坐标φi为：11.25+360*2*(i-1)/8度；1到4号的偶数阵元各阵元的方位坐标φi为：11.25+180+360*2*(i-1)/8度；5到8号的奇数阵元各阵元的方位坐标φi为：11.25+360/32+360*2*(i-4-1)/8度；5到8号的偶数阵元各阵元的方位坐标φi为：11.25+180+360/32+360*2*(i-4-1)/8度，i为阵元编号；各阵元的半径为ri＝asin(arccos(zi/c))；各阵元的垂直坐标为：zi＝H/2-H*(i-1)/(N-1)。 [0060] (4)根据各阵元的方位、半径和垂直坐标，计算出各阵元的笛卡尔坐标，如表1的左半部分所示。各发射阵元的位置示于图1和图2，其中第一条螺旋线阵用红色的五角星表示，第二条螺旋线阵用蓝色的五角星表示。 [0061] (5)第i个DSLA子阵的垂直半轴cR＝HR*(M+1)/(M-1)/2＝0.2186m，两个水平半轴相等，aR＝WR/2＝0.15m； [0062] (6)在第i个DSLA子阵的中心(xTi,yTi,zTi)处布放发射阵元；M个接收阵元的位置计算如下：其中1到M/2号的奇数接收阵元的方位坐标φRj为：φi0+360*2*(j-1)/8,j＝1,3；1到M/2号的偶数接收阵元的方位坐标φRj为：φi0+180+360*2*(j-1)/8,j＝2,4；M/2+1到M号的奇数阵元的方位坐标φRj为：φi0+360M+360*2*(j-4-1)/8,j＝5,7；M/2+1到M号的偶数阵元的方位坐标φRj为：φi0+180+360/M+360*2*(j-4-1)/8,j＝6,8，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rRj＝aRsin(arccos(zRj/cR))； [0063] 各阵元的垂直坐标为：zRj＝H/2-H*(j-1)/(M-1)； [0064] (7)利用公式(2)计算第i个DSLA子阵各接收阵元的笛卡尔坐标，如表1的右半部分所示。以各发射阵元为椭球中心，8个发射阵元，共16条接收螺旋线阵示于图1与图2，各接收阵元用圆圈表示。 [0065] 表1CDSLA阵元坐标位置 [0066] [0067] [0068] [0069] 根据表1中DSLA子阵中心(发射阵元)和各个DSLA子阵接收阵元的位置，绘制的CDSLA设计图如图1所示，五角星表示发射阵元，圆卷和表示接收阵元。该CDSLA在x-y平面的投影图如图2所示。 |
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