基于虚拟成阵技术的DIFAR浮标网络测向方法研究

Limited by the physical size of array, the acoustics aperture of single DIFAR is small. On condition of low signal to noise ratio, the finding accuracy is pool, which makes the accuracy of buoy networks low. Under the influence of ocean current, the location of the DIFAR network is a time-varying random variable, and the distance among each buoys is much larger than the half-wavelength of target radiation signal， whuch makes the existing array signal processing methods not feasible. This application tries to use the theory of virtual array，mapping the signals which are received by the DIFAR buoy network to an ideal virtual array. By the array signal processing technology, and the increasing of magnitude differences information of buoys network signals, the target finding accuracy is improved under high signal to noise ratio. Using the virtual array technology, the finding accuracy is improved (compared to single buoy) by the increase of acoustic aperture, and the influence of Noise is Weaken by the increase of magnitude differences. The difficulties and key point includes: the choice of Optimal virtual array, how to use magnitude differences information in finding process, robustness of the algorithm under different signal to noise ratio, the influence of location of the DIFAR network and finding error to algorithm. The successful implementation of this project is advancing the improvement of finding accuracy for Irregular array, random array, and buoy networks.

单个被动定向浮标（简称DIFAR）的基阵受物理尺寸限制，等效声学孔径小，在低信噪比情况下，测向精度很差，导致DIFAR浮标网络测向精度随之降低。由于受海洋洋流等因素干扰，DIFAR网络位置是一个时变的随机量，同时各个浮标之间的距离远大于目标辐射信号的半波长，所以不能使用现有的阵列信号处理方法。本申请书试图利用虚拟成阵的理论，将DIFAR浮标网络中接收的信号映射到一个理想的虚拟阵列，利用阵列信号处理技术，并增加浮标网络接收信号的幅度差异信息，来提高低信噪比下的目标测向精度。使用虚拟阵技术，与单个浮标相比，通过增加阵的声学孔径，提高测向精度；通过增加幅度差异信息，降低噪声影响。难点和关键问题包括：最佳虚拟阵形的选择、幅度差异信息如何更好的参与测向过程、算法在不同信噪比下的稳健性、DIFAR网络位置漂移及测量误差对算法的影响等。该项目的成功实施，对不规则阵、随机阵等测向精度的改善产生积极影响。

DIFAR（Direction Finding and Ranging）浮标是反潜的重要装备，受物理尺寸限制，指向性因子约6dB，高信噪比情况下，测向均方差约3度，低信噪比下最大偏差可达±6-10度。因此研究新的DIFAR测向算法，在低信噪比下提高测向精度，进而提高定位准确性，最终更精确打击目标，赢得战场主动权等，具有十分重要的理论意义及军事使用价值。.1）DIFAR模型建立。针对DIFAR构成特点，建立了数学模型。并给出一种单个DIFAR实现目标定位的方法，DIFAR是一种被动定向浮标，其本身只能实现测向功能，利用此方法可以实现定位功能，极大的拓宽了其使用场合，丰富了浮标的使用策略。.2）研究了虚拟成阵原理。研究了虚拟成阵方法的原理，针对DIFAR基阵原理，推出了虚拟成阵处理过程。使用虚拟成阵方法，当阵元间距大于入射信号半波长时，较好的解决了原始阵出现栅瓣的问题。经过计算机仿真及实验测量可知，在高信噪比下，测向结果有很好的提高，在低信噪比-30dB，测向误差均方差精度仍然可以达到3.54度。此方法将多个浮标作为一个整体来完成测向任务，提高了数据利用率，进而提高了测向精度。虚拟成阵也存在一定的缺点，当入射信号方向与原始阵夹角很小时，等效孔径缩短，输入有效信息减小时，此时，无论怎样的虚拟阵形，输出的测向指标必然也随之下降, 这可能是虚拟方法的最大缺点及限制。解决此问题的核心思路是原始阵型在布放上更加合理，有足够的输入信息量及有效数据，虚拟阵的输出性能才能得到保证。.利用虚拟成阵技术，提出一种新的ULA宽带恒定束宽波束形成方法。实验证明，6元线列阵，间距0.25m，在2000-4000Hz频带上，虚拟阵输出束宽最大偏差约5.8度，均方差仅1.9度。.3）基于多信息的目标跟踪。利用DIFAR的omni通道获得的目标特征频率及幅度信息，将简单的测向推广到对目标轨迹的跟踪。综合使用目标多个信息，除了进一步提高测向精度外，还可以计算出目标的距离、速度、辐射强度等参数。此方法提高了浮标的使用效能、数据利用率，丰富了输出结果，从各方面提高了浮标的综合使用效果。.4）最佳虚拟阵型研究。以DIFAR虚拟阵跟踪目标误差最小为准则，对典型虚拟阵型进行了仿真比较，得出结论：方位线阵(LOB)最不精确，垂直航向阵(BT)最精确，圆阵(ENT)最经济。此结论为DIFAR实际使用提供理论参考。