舰载声纳波束稳定与俯仰的研究.pdf

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1、第29卷第4期2010年12月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．29．No．4Dec，2010舰载声纳波束稳定与俯仰的研究徐贤忠1，张秋生2，刘云涛2，邓红超2(1．海军驻无锡地区军事代表室，江苏无锡214061；2．中国科学院声学研究所．北京100190)摘要：当船体发生摇摆或者需要将波束指向不同深度的水层时，需要对舰载声纳的波束进行稳定或俯仰控制。文章推导了甲板坐标系和大地坐标系之间的变换关系，并基于圆柱阵声纳，分析讨论了在不同的波束俯仰角下，圆柱阵换能器二维波束形成的性能。当俯仰角度较小时，在垂直方向上进行粗分层即可达到较好的性能：当俯仰角度较大时。则必须要

2、对各阵元进行更精细的延迟控制。关键词：渡束俯仰；波束稳定；坐标变换中图分类号：TB565文献标志码：A文章编号：1003—2029(2010)04—0059埘引言舰载声纳是水面舰搜索水下目标、进行水声通讯。并引导火力系统进行攻击的重要手段。现代反潜战要求舰载声纳作用距离远、搜索速度快、能以多波束方式全面观察和监视周围海域11I。由于水面舰航速较高，以及海面风浪的影响，船体容易发生摇摆。这将会影响波束扫描的效果。为了能够对目标进行精确定位和自动跟踪。有必要进行电子波束俯仰和稳定控制。除了大地坐标系．还需要建立一个基于本舰甲板的坐标系。当船体静止不摇摆时，这两个坐标系相互重合；当

3、船体摇摆时．要求出两坐标系之间的变换关系以稳定波束。为了能够探测不同深度的水层．也要能够在垂直方向上对波束进行一定的俯仰控制。换能器安装在舰艇壳体上的声纳称为舰壳式声纳，比如安装在球鼻艏内的圆柱换能器基阵声纳11I。本文以圆柱阵为模型．推导了甲板坐标系与大地坐标系之间的矩阵变换关系．并给出了圆柱阵的二维波束形成指向性。讨论了不同的俯仰角度对二维波束形成性能的影响。1坐标变换的推导1．1平面向量旋转平面向量a由角度妒逆时针旋转0到向量b，如图1所示，设向量长度为r，则两个向量的坐标之间满足变换关系：屯=reos(O+咖=五cosO一乃sin口兄=rsin(O+)=五sinO+y

4、=eosO收稿日期：2010--06—10基金项目：“十一五”预研基金资助项目(1010704020501)作者简介：徐贤忠(1968一)，男，工程师，研究方向为声纳技术。即：V卜1：p口lY2JLsino—sin口]h]cos秽JlMj图I平面向量旋转1．2空间向■旋转空间向量a绕菇轴逆时针旋转0到向量b，如图2所示，两向量对应的髫轴坐标不变，yoz平面对应坐标满足平面向量旋转关系．所以：而兢Z21O0cos0-sin口0sin0eosO五y1z1JL厂—、b／妊。V、／’今图2空间向量旋转海洋技术第29卷IH曼嘲刘圆图3圆柱阵示意图纵摇角度P是舰船首尾线町与水平面的夹角，

5、舰艏抬高为正。在垂直面内测量，为铅直角。尺为横摇角，甲板右舷下倾为正，在肋骨面内测量，不是铅直角田。图4两坐标系间的变换关系当有横摇和纵摇时，我们的目标就是要计算出某向量r在大地坐标系中的坐标0，2’与其在甲板坐标系的坐标(xyz)之间的对应关系。因为向量静止坐标系旋转与坐标系静止向量旋转是可以相互等效的，所以，让向量0，2，在大地坐标系中先绕聋’轴旋转一P。再绕Y’轴旋转胡就可以得到该向量在甲板坐标系中的坐标仁弦)，即：饯0七sinⅫ(-R)T1茹0茹0ETx',记为：式中：H叶‰sinPsinRCOSP—sinPCOSR2波束稳定与俯仰一cosPsinR1sin户咖尸c∞

6、RJ2．1阵元延迟计髯在大地坐标系中，假设波束的水平指向角为0。垂直俯仰角为妒，上俯时妒如，可以将波束方向表示为向量形式：『cos矿cos0e1∥2lcos9sin0(5)【sin9J变换至甲板坐标系：“=‰甜’(6)在甲板坐标系中．第i个阵元的空间坐标可以表示为列向量形式：易=【墨；辫；五】，则波束形成时，该阵元对应的延迟量为唧：五(仍p)=一塑∽2．2波束形成的指向性函数为了在(‰，％)方向形成波束，需要将阵元Pt的信号加以延时Ti(1900，ao)，经过延时的信号为：s,[t-'『j(tpo，岛)]=一cos{2Ⅳ●+f(仍口)一弓(％，岛)])=一cos{h印+△，(

7、仍口)])其中定义：A，(仍p)=f(仍目)一t(90，岛)Ⅳ阵元输出信号等增益求和：s(，)=∑毛[f—t(％，oo)]--∑彳cos{2霄，p+△l(仍口)Ⅲ(8)得到归一化的指向性函数I哪：D(仍∞=专潍2(r)])I，2=船cosz删㈣]2+[军咖z删叫2}l『2∽3性能仿真假设圆柱阵在水平方向上由28个线阵构成，每个线阵上包含8个阵子，这8个阵子又在垂直方向上分为2层，即每4个阵子并联构成1个等效阵元；系统工作频率设为10kHz，在该频率上各阵子间距满足半波长。R瞄o．鸟—．．．．．．．．．．