UUV航向机动中拖曳线阵阵形及左右舷分辨.pdf

第45卷第2 1 期2023年1 1 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.21Nov.,2023UUV航向机动中拖线阵阵形及左右航分辨陈伟，郑鹏，吴国庆，郑庆新(中国船舶科学研究中心，江苏无锡2 1 40 8 2)摘要：针对UUV拖曳线阵航速较慢，在遇到海流或航向机动进行左右分辨时，线阵阵形畸变现象导致的测向精度变化问题，通过采用Ablow和Schechter提出的缆索偏微分控制方程组对拖电线阵的阵形变化进行数值求解，采用经典的波束形成方法获得拖电线阵声呐发生阵形畸变后的波束响应曲线，对海流导致的线阵偏航、UUV航向机动导致的线阵畸变现象引起的波束响应变化进行仿真分析。结果表明：在稳定的侧向海流作用下，线阵发生偏转但基本维持直线型阵列，对目标方位的估计精度影响较小，但线阵探测获得的目标方位与目标相对UUV航向的方位有稳定偏差角度（线阵方向与UUV方向的夹角），无法解决左右航模糊的问题。在UUV进行航向机动时，线阵发生畸变弯曲，波束主瓣有所变宽，一定程度增加了目标方位估计的误差，但可获得对镜像源较好的抑制效果，实现了对目标的左右航分辨。关键词：UUV航向机动；拖电阵阵形；左右航分辨中图分类号：U674.7文章编号：1 6 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 1-0 1 1 0-0 5Linear array distortion and port/starboard discrimination during UUV heading maneuveringAbstract:Aiming at the problem of direction finding accuracy change caused by the distortion phenomenon of the linearray when encountering the ocean current or heading maneuver to resolve the left and right sides of the UUV towed lineararray,the formation change of the towed linear array was numerically solved by using the cable partial differential controlequation system proposed by Ablow and Schechter,and the beam response curve after formation distortion of the towed linearray sonar was obtained by the classical beamforming method,and the line array yaw caused by the sea current.The resultsshow that under the action of stable lateral ocean currents,the linear array is deflected but basically maintains a linear array,which has little impact on the estimation accuracy of the target azimuth,but the target azimuth obtained by linear array detec-tion has a stable deviation angle(the angle between the linear array direction and the UUV direction)between the target ori-entation and the UUV direction,which cannot solve the problem of left and right side blurring.When the UUV performsheading maneuver,the linear array is distorted and bent,and the main lobe of the beam becomes wider,which increases theerror of target azimuth estimation to a certain extent,but a good suppression effect on the mirror source can be obtained,soas to achieve the left and right port resolution of the target.Key words:UUV heading maneuver;towed array formation;port/starboard discrimination0引言拖电线阵声呐具有良好的水下探测性能，是十分重要的水下目标探测手段之一。随着细线拖电线阵声呐及UUV装备技术的快速发展，部分UUV已采用外挂式拖电线阵声呐（直径小于40 mm）提升其水下探收稿日期：2 0 2 3-0 4-1 3基金项目：国家重点研发计划（2 0 2 1 YFC2802300）作者简介：陈伟（1 9 8 8），男，硕士，工程师，研究方向为水下无人系统测试控制技术。文献标识码：ACHEN Wei,ZHENG Peng,WU Guo-Qing,ZHENG Qing-xin(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.21.020测能力!。通常情况下，UUV由于体积及动力的限制，搭载的探测设备以前视声呐、侧扫声呐、下视多波束声呐等高频声呐为主，用于近距离静态目标探测，如反水雷、地形探测、水下搜救等。而外挂式细线拖曳线阵声呐，可一定程度摆脱UUV自身的体积限制，实现更大的探测距离（1 km），开展大范围的第45卷水下运动目标探测作业。北约水下研究中心（NURC）在2 0 0 7-2 0 0 9 年期间先后开展了新型被动拖阵SLITA（Slim Lin e T o w e dArray）及微型SLITA试验、主动发射声源TOSSA（T o w e d So u n d So u r c e f o r A U V）发射和接收声信号系统试验 2.3。SLITA拖曳线阵直径31 mm，长57.5m;微型SLITA拖电线阵直径1 2 mm，长1 3.5m。T O SSA系统包含尾绳、BENS拖电阵、拖电源和OEX-CUUV等4个部分，其中拖曳线阵BENS线列直径31 mm，长57 m，拖曳源直径约1 6 cm，长约1.2 m。2 0 0 9 年4月OEX-CUUV搭载BENS拖电阵和拖电源，航行速度为2 kn，采用回声中继器模拟了一个潜艇的声信号，TOSSA发射出的声源被echo接收机连续接收，收发信号处理显示没有断点，实现了令人满意的探潜效果。国内科研院所及高校开展了部分研究工作 4-5。其中，北京神州普惠科技股份有限公司已形成了成熟的UUV用光纤水听器拖电线阵系统，常用基元数目为16/32/64/128/192/256等，线阵直径覆盖为2 6 30 mm，工作频带为5kHz10kHz，系统噪声40 dB1kHz，阵列长度为30 0 m，最大工作深度为2 0 0 m，工作拖曳速度为2 6 kn，供电功耗40 W。在UUV用光纤水听器拖曳线阵比较成熟的情况下，如何发挥其性能是UUV拖曳线阵声呐系统的重要研究课题之一。在拖电线阵近百米、UUV自身推进动力仅数十千克的情况下，UUV的拖电航速及转弯性能受限，同时在海流、海水密度变化等环境作用下，拖电线阵必发生偏航及弯曲现象，并因此导致系统的测向精度下降。本文以UUV外挂拖电声呐直航及航向机动下，拖线阵形变化导致的波束响应变化为研究对象，采用Ablow和Schechter7提出的缆索偏微分控制方程组对UUV拖电线阵的阵形变化进行求解，采用经典波束形成方法得到拖电线阵声呐发生阵形畸变后的波束响应，仿真计算得到对海流导致的线阵偏航、UUV航向机动导致的线阵弯曲，并就在拖电过程中对阵型快速预报以提高平台测向精度的效果进行分析。1坐标系定义及模型建立1.1坐标系定义大地坐标系为E-sns、随体坐标系为b-xyz，两坐标系原点重合，E-sns坐标系依次绕z-y-x轴转动,o,后，与b-xyz坐标轴重合。缆索局部坐标系为c-tnb，t为缆索的切线方向，规定沿缆索长度s增长的方向为正；b与t垂直并位于水平面内（c=元/2）。dc为t轴与j平面夹角，c为t轴在ij平面的投影与轴的夹角。由大地坐标系E-sns依次绕z-x-z转动陈伟，等：UUV航向机动中拖曳线阵阵形及左右航分辨L4X.2Xur2+t(Xiu+Xurvr)+m(i+ur)=St4Y,+22式中参数及水动力系数见文献 1 1 。1.3拖电线阵模型将拖曳线阵视为圆截面柔性拖曳缆索，假设其张力始终作用于缆索切向，且忽略弯曲、扭转和剪切力的影响。重力加速度记为gkg.m/s，水流密度记为pkg/m；缆索杨氏模量为E，缆索的等效直径为dm，单位长度质量为mkg/m，其法向和切向拖电力系数分别为Cn和C。缆索系统的建模采用符号：X=x,y,zT，Ye=T,vt,Vn,Vb,c,eT表示。其中，x,y,z表示缆索上各点在大地坐标系E-5ns的位置，Vt,Vn,Vh为缆索上各点在随体坐标下的各个速度分量，T为缆索上各点的缆索张力，Qc，c为缆索上各点的姿态角。结合文献 7 可得考虑缆索收放速度变化的缆索偏微分方程组控制方程组：M(s,t)aY(s,t)=N(s,t)aY(s,t)+Q(s,t)。at式中：:111-c，-c,（欧拉角）获得。转换关系如下：cosdecoseccosdesindcsinden=-singecosee-singesingecos debsingc1.2 UUV 模型UUV模型采用某重量约49 0 kg、长3.7 m的中小型AUV。位置及姿态用n=n,e,d,p,0,表示，运动状态用v=u,v,w,P,q,rT表示。n,e,d表示在E-sns坐标系下沿北、东、向下指向的位置，9,山则表示相应的欧拉角（滚转、俯仰和偏航）；u,v,w,p,q,r表示UUV在随体坐标系b-xyz下的广义速度。其水平面控制方程如下：m(u-vr)=i-cosQek(1)(2）(3):112M(s,t)=001000 01Vicosd+Vnsing0 0 0 000 00wsing+0.5V1+eTprdC,urluilQ(s,t)=0.5pdVI+eTCrubiz+uf-pAj,wcoss+0.5pdC,V1+eTunua+ig-pAjnN(s,t)=m0010001-e(mLh-pAJh)00mimvicoso+(mivn-pAJn)sino-e(mte-pA/n)0m10T+eT其中：A=0.25元d,w=(m-pA)g，mi=m+p A，e=1/EA。拖缆上端点与UUV尾部连接，拖缆上端点速度为UUV与拖缆连接点的速度，得到3个速度边界条件：(V,=VicosOcosp-Visingcos+Vksind,Vn=Vicosasing-Visingsind-Vkcosd,(Vb=V;sinb-V;cos d。其中：Vi，Vj，Vk 为拖曳UUV的拖曳点在惯性系下沿3个轴的速度分量；Vt，Vn，Vb 为拖曳点处速度在缆索局部坐标系沿3个轴的速度分量。拖电下端点属于自由边界，张力为0，得到拖电下端点的边界条件如下：(T=0,-wcoso-pd(1+e)Cnu,(u,2+Upt)miVn+mVis-miVbosing,-pd(1+:)ic.ue(u,+.t)*-1(miVb+mVosinp+miVnosinp。1.4拖电线阵声呐波束响应当拖电阵形畸变后，各阵元的信号实际位置偏离理论位置，引起附加相位差，从而导致目标测向精度降低，也降低了波束形成的匹配性，导致波束形成器功能退化、指向性减小，空间滤波增益降低。接收阵列信号的权值采用复数形式表示为：舰船科学技术10 0 00100-(m1vb-pA/b)coso00(l+eT)coso-(m1Vb-pA/b)sinp第45卷00-Vbcosd-Vn-VisindVt0Tcosd00T000Wm(e.)=am(e.)e-i(.),m=,M-.其中，am(e,f)和p(e,f)分别为权值的复制和相位。在特定频率下，基阵的增益表达式为：P(0,f)=w(0,J)Ha(0,f),eO。其中，w为特定频率下波束形成其观测方向的加权矢量，a(0,f)为在空间角度集合下的扫描阵列流形矢量。根据空间增益的定义，当目标方位角为o时，拖电线阵声呐的波束响应函数表达式为：1P(,f)XMMeIm=1(miVn-pAJn)01+eT00mt(4)(5)。其中，xm，y m为拖曳阵阵元位置。一般波束响应的能量描述用分贝表示，Pbeam(,f)=20log10|P(,f)。2数值仿真2.1计算参数以成熟的UUV用光纤水听器拖电线阵为参考，取拖电阵长为2 0 0 m，线阵直径为2 6 mm。取拖曳线阵法向、切向阻尼系数分别为Cn=0.6，C,=0.0 2。线阵杨氏模量为E=2.0107Pa，重力系数为g=9.81m/s拖电线阵为中性缆，计算可得其线密度为0.5437 kg/m。取线阵工作频率为0.5kHz，半波长为1.5m，考虑2 0 0 m拖电阵长，采用1 2 8 个阵元。2.2无阵形畸变下的波束响应为不失一般性，计算波束响应曲线时，取探测目标所在舫角从0 1 8 0 线性变化。不考虑噪声干扰及阵形畸变，以目标所在角为45为例，其波束响应如图1 所示，其镜像源位置为-45，主瓣宽度在2 以内，具备较好的测向精度。依次计算获取0 1 8 0 目标角度下的波束响应曲线，并进行投影显示如图2。从图中深色线可看出，在-1 6 0 -2 0、2 0 1 6 0 等目标角度下旁瓣较低，测P/单-50-100-150-15010050050角度范围/）图1 无畸变情况下45航角目标的波束响应曲线Fig.1Beam response curve of a 45 angle targetwithout distortion100150200第45卷150100500-150 10050角度范围/)图2 无畸变情况下0 1 8 0 角目标的波束响应曲线投影Fig.2 Projection of beam response curve for 0 to 180 port angle向精度较高。在UUV头部及尾部方向上，测向精度差。该阵形下无法分辨目标的左右位置。2.3海流对线阵波束响应的影响分析在直航工况下暂不考虑拖曳对UUV的影响，假定其始终以2 kn航速进行拖曳航行，在航行过程中遭遇稳定的0.2 m/s侧向海流作用。采用具有二阶精度的中心差分格式对该工况下拖电线阵阵形计算，考虑计算效率，将2 0 0 m的线阵离散为2 0 个单元开展计算，并通过样条插值的方式获得1 2 8 个阵元的位置。从图3可以看出，由于0.2 m/s的侧向海流作用，UUV后方的拖电线阵向右航方向偏转，后1 9 2 m段均匀分布1 2 8 个阵元，偏转夹角约9，但拖电线阵几乎维持直线形状。从图4可看出，其镜像源位置由-45偏转至-2 7 附近（UUV航向角为0，右航为正），但阵形基本维持直线型，主瓣宽度在2 左右，对目标的侧向精度影响较小。拖曳线阵在稳定的侧向海流作用下，往右舫方向偏转，但基本维持直线阵形，并且主要由于拖曳线阵1050020406080100120140160180200s/mu/200020406080100 120 140 160 180 200 x/m图30.2 m/s侧向海流作用下线阵偏航情况Fig.3Yaw situation of linear array under the action of 0.2 m/s lateral current-50100-150-20015010050050100150200角度范围/）图4线阵偏航情况下45角目标的波束响应曲线Fig.4Beam response curve of a 45 starboard angle target withlinear arrayyaw陈伟，等：UUV航向机动中拖曳线阵阵形及左右分辨-15010050050100150050100 150targets without distortion:113150()/4目100500图5线阵偏航情况下0 至1 8 0 航角目标的波束响应曲线投影Fig.5Projection of beam response curve for 0 to 180 port angletargets with line array yaw与UUV航向不一致，导致镜像源的探测角度不再关于0 近似对称。而关于线阵所在角度（9 附近）近似对称。由于阵形基本维持直线型，其主瓣宽度基本与理想阵形一致，对系统的测向精度影响较小。稳定的侧向海流下，虽然UUV左右航相同角度下计算得到的波束响应不同，但其左右舫模糊问题依然无法解决。2.4UUV航向机动对线阵波束响应的影响分析由于拖电线阵列存在左右模糊问题，通常采用UUV作航向机动的方式，根据声呐时间-方位历程图中目标方位的变化或复杂目标跟踪算法实现目标位置左右舫的分辨。在航向机动过程实现左右分辨的过程中，UUV的航向机动较大，线阵阵形会产生较大畸变。以无海流情况下在UUV拖电直航一段时间后，进行30 航向机动分析。UUV航速2 kn，航行时间1 8 0 s，在60s时进行左30 航向机动。同样为提高计算效率，将2 0 0 m的线阵离散为2 0 个单元开展计算，获得2 0 个节点后，通过样条插值的方式计算1 2 8 个阵元的位置，进行畸变阵形的波束响应计算。计算获得的线阵阵形的变化情况如图6 和图7 所示。在6 0 s时，可以看出，UUV进行左航30 航向机动，约5s左右UUV航向角左转30，在此过程中线阵上端点作用在UUV上的缆索张力减小。然后UUV沿新的航向航行，由于线阵的法向偏转，上端点作用在UUV上的缆索张力先增加，后减小，而后逐渐恢复至直线拖航时的状态。以目标所在航角为45为例，依次计算UUV航向机动过程中的波束响应曲线，并进行投影显示，如图8和图9 所示。可以看出，在6 0 s，U U V 向左航机动，因此其目标舫角从45过渡至7 5。利用UUV航向机动时阵形的畸变，可以解决左右位置分辨的问题。以6040200-150-100-50050100150 x/m图6 UUV航向机动过程中线阵阵形的变化过程Fig.6 The change process of line array formation during UUVheading maneuver角度范围/):114 2001501005030度航向机动0-50020406080100120140160180t/s图7 UUV航向机动过程中上端点张力Te及欧拉角QcUUV轴向速度及航向的变化过程Fig.7Time history chart of Te,c,u duringUUV headingmaneuver180160140(S)/面12010080604020-15010050050100150角度范围/）图8 UUV向左航向机动30 过程中45目标的波束响应曲线投影Fig.8 Projection of beam response curve for a 45 target during a30UUVheadingmaneuver050-100-150200-150-100-50图9 UUV航向机动30 情况下45角目标的波束响应曲线Fig.9 Beam response curve of 45 port angle target under 30oUUV heading maneuver180s时的波束响应曲线为例，可清晰分辨出目标角为7 53结语本文针对UUV拖电线阵航速较慢，在遇到海流或航向机动进行左右分辨时，线阵阵形畸变现象导致的测向精度变化问题，通过采用Ablow和Schechter提出的缆索偏微分控制方程组对拖曳线阵的阵形变化进行数值求解，并采用经典的波束形成方法获得拖电线阵声呐发生阵形畸变后的波束响应曲线。对海流导致的线阵偏航、UUV航向机动导致的线阵畸变现象引起的波束响应变化进行了仿真分析，并对线阵的测向精度以目标左右航分辨问题进行了讨论。本文提出的线阵阵型预报方法，可用于对海流、航向机动时的阵形变化进行快速计算，以获得畸变列阵的波束形成权矢量。舰船科学技术1）在稳定的侧向海流作用下，线阵发生偏转，但基本维持直线型阵列。此时其主瓣宽度基本与理想阵T.N)100*1（(m/s)050100150200角度范围/)第45卷形一致，对目标方位的估计精度影响较小，但由于拖电线阵与UUV航向不一致，线阵探测获得的目标方位与目标相对UUV航向的方位有稳定的偏差角度（线阵方向与UUV方向的夹角）。并且线阵稳定偏转及畸变无法解决左右舫模糊的问题。2）在UUV进行航向机动时，线阵发生畸变弯曲，波束主瓣有所变宽，一定程度增加了目标方位估计误差，但同时获得了畸变阵形对镜像源的抑制效果，实现了对目标的左右舫分辨。参考文献：1】李佳幢，陈强，王连文.国外UUV拖曳声呐试验情况分析.舰船科学技术,2 0 1 6(1 0):4.LI Jia-tong,CHEN Qiang,WANG Lian-wen.Analysis ofUUV towed array experimentsJ.Ship Science and Technolo-gy,2016(10):4.2 MAGUER A,DYMOND R,MAZZI M,et al.SLITA:A newslim towed array for AUV applicationsJ.Journal of theAcoustical Society of America,2008,123(5):3005.3 MAGUER A,DYMOND R,GUERRINI P,et al.Receivingand transmitting acoustic systems for AUV/glidersJ.2009.【4何心怡,蒋兴舟，李启虎，等.拖线阵的阵形畸变与左右航分辨 1 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