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下面我们开始来学习

振幅测向——最大值测向

我们都知道

声纳系统在探测到目标后

一个非常重要的任务

就是要确定目标的位置

也就是对目标进行定位

那么目标位置都与哪些因素有关呢？

这是一个声纳进行目标定位的示意图

其中红色区域代表目标

原点表示声呐

可以看出

目标的位置完全由距离R和方位角α所确定

也就是说

在水平面内

决定目标位置的因素

仅由方位角和距离所决定

因此

相应的声纳定位技术就应该包括

测向技术和测距技术

从本次课开始

我们将重点学习声纳的测向方法

本次课

我们重点学习一种非常常用、且简单的测向方法

即最大值测向

主要内容包括：

最大值测向的原理、特点及精度

下面

我们首先看一下最大值测向的原理

最大值测向的原理比较简单

其是利用换声纳系统的指向性

通过接收到的信号幅度达到最大时

声纳系统的指向来测量目标方位的方法

是一种最简单的振幅测向方法

在最大值测向原理中

提到了声纳系统的指向性

那么什么是声纳系统的指向性呢？

具体的声纳系统指向性的原理及形成技术等知识

将在声纳波束形成内容中介绍

在此

我们先做简单的介绍

声纳系统指向性的概念及表示

在了解指向性概念之前

我们首先来体会一下我们耳朵和喇叭的使用

我们都有一种经验

当我们为了听清某一方向的声音时

我们都会习惯性的将头转向音源的方向

并用手来遮挡耳朵

为什么会有这样的动作呢？

这是由于人的耳廓或手的作用

会使得正前方的声音

更容易进入人的耳朵

而这种特性

就可以称之为人耳对声音的接收指向性

喇叭在设计时

都会有一个喇叭罩

其作用是使得声音能够更多的向一个方向发射

而这就是喇叭的指向性

对于声纳系统的指向性就是指

声纳系统对声能的聚集能力

表现为对同一信号在不同方位时的输出或响应

如果声系统对同一信号在不同方位时的输出或响应一样

我们称之为无指向性系统

或全向系统

若在不同方位时的输出或响应不同

则称之为有指向性系统

或定向系统

对于发射系统

采用定向发射

有利用能量的集中

使得作用距离更远

对于接收系统

采用定向接收

可以抑制其它方向的干扰

提高信噪比

再看一下

指向性的表示

系统指向性用指向性函数来描述

所谓的指向性函数

是指保持信号其它特性不变的情况下

系统信号幅度与信号方向的函数

对于接收系统

假设信号的在二维平面内的入射方向为θ

则其指向性函数可表示为R（θ）

假设 在θ0处取得最大值

则称R(θ)/ R(θ0)为归一化的指向性函数

习惯上也用R(θ)来表示

过后面的学习

我们会知道

对于一个最常见的N元等间距线阵的指向性函数

可表示为

sin(Nφ/2)/Nsin(φ/2)的形式

其中：φ=2πd/λ乘以sinθ

它的指向性图可表示为如图所示的形式

指向性图是以sinθ为横轴、以指向性函数值为纵轴的图

指向性函数中第一个零点处的角度为指向性半开角

用Θ/2表示

即sinΘ/2=λ/Nd

指向性半开角表征了系统指向性主瓣的宽度

指向性半开角越大

主瓣宽度越宽

指向性越差

指向性半开角越小

主瓣宽度越窄

则指向性越强

当Θ比较小时

我们有

Θ/2=λ/Nd

即阵元个数N越多

基阵孔径d/λ越大

指向性越好

以上就是对声纳指向性的基本介绍

而最大值测向的过程

实际上就是

控制系统波束指向性在一定角度内扫描

这个角度可以是个小角度的扇形

也可是360°圆形扫描

扫描过程中

其输出幅度会因回波的有无及强弱发生变化

假设在这里有一个目标

系统波束的参考指向性

或者说初始指向性是在纵轴方向

则系统波束扫描过程

其输出的幅度

会随着方向性主瓣逐渐靠近目标而逐渐变大

当方向性主瓣指向目标时

输出最大

然后又逐步减小

当系统输出最大时

波束指向与参考指向之间的夹角

就是目标的方向角θ0

这就是最大值测向的过程

通过最大值测向的原理及过程

下面来分析一下最大值测向的特点

首先看一下他的优点

第一

最大值测向比较简单、成本低

只需要单个通道即可完成测向

其次

其角度测量是在在来波最大处测向

信噪比比较高

对检测发现目标有利

第三

可利用多种指示器

比如人耳或视觉指示器

利用人耳时

可在小信噪比下完成

且能判别目标的性质

也就是对目标进行识别

下面再看一下最大值侧向的缺点

其最主要的缺点是测量精度低

这是由于声系统的指向性有一定的宽度

使得指向性的输出在主轴附近随角度变化迟钝

致使目标方位的微小变化引起的输出信号幅度变化不大

第二个

反应慢

正是目标方位的微小变化

引起的输出信号幅度变化不大

使得最大值侧向不能迅速判别目标偏离声轴的方向

需要反复多次方可判别

因此不能用于动目标的角度跟踪

对于一种侧向方法

其最终要的评价指标就是其测向精度

随着多波速形成技术的发展

出现了多波速体质下的最大值测向

那么上述的这些缺点

会得到很好的一个弥补

我们一起来分析一下

最大值测向的精度都与哪些因素有关

首先

我们刚才讲过

最大值测向的精度不高

主要影响因素

是方向性主瓣的宽度

方向性主瓣的宽度越宽

则测向精度越差

反之则越高

另外

由于最大值测向依据的是信号幅度

因此

测向的精度还跟输入信号的信噪比有关

信噪比越小

噪声起伏影响越严重

测向精度越差

反之则测向精度越高

最大值测向的测向精度

主要与方向性主瓣宽度及接收信号的信噪比有关

另外

还与指示器的类型、声系统转动装置的精度

以及声纳操作员的生理声学特性等因素有关

以上就是本次课的内容

本次课在介绍声系统指向性的概念及表示的基础上

介绍了最大值测向的原理

并对最大值测向的优缺点进行了分析

最后介绍了影响最大值侧向精度的因素

两个方面

方向性主瓣的宽度及信号的信噪比

本次课就介绍到这里

谢谢

再见