水下超波束形成技術(shù)性能仿真研究

趙瑞晅，胡 橋，郝保安

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇五研究所，陜西西安 710075;2.水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075）

水下超波束形成技術(shù)性能仿真研究

趙瑞晅1，2，胡 橋1，2，郝保安1，2

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇五研究所，陜西西安 710075;2.水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075）

基于聲吶分裂波束陣列信號(hào)處理的特點(diǎn)，對(duì)超波束形成(hyper beam forming，HBF）的二維(2D）和三維(3D）算法進(jìn)行介紹，探討其工作特性以及影響因子。將HBF技術(shù)應(yīng)用在水下陣列信號(hào)處理中，通過(guò)仿真計(jì)算分析了其分辨能力和分辨特性。研究結(jié)果表明:HBF使得主瓣束寬得到銳化，同時(shí)旁瓣級(jí)也有很大的降低，與常規(guī)波束形成技術(shù)相比，其分辨能力有較大提高，是一種有廣闊應(yīng)用前景的水下陣列信號(hào)處理新方法。

分裂波束;超波束;目標(biāo)分辨;仿真

0 引言

如何提高對(duì)信號(hào)來(lái)向估計(jì)的精確性仍然是設(shè)計(jì)高性能聲吶系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)。傳統(tǒng)的方法是增加基陣孔徑，這就受到了系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的限制，從工程領(lǐng)域考慮，為了節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，需要找到一個(gè)在保持自導(dǎo)系統(tǒng)基陣等硬件條件不改動(dòng)的情況下，提高其分辨性能的方法。

超波束形成 (hyper beam forming，HBF）是陣列信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)能同時(shí)進(jìn)行波束銳化和旁瓣抑制的新技術(shù)，通過(guò)算法的適用性改造，將換能器或者換能器基陣分成2組，形成分裂波束并進(jìn)行超波束算法處理，可在不增加額外硬件的條件下，通過(guò)自導(dǎo)系統(tǒng)的軟件升級(jí)達(dá)到減小束寬、抑制旁瓣和柵瓣的目的，從而提高對(duì)信號(hào)來(lái)向估計(jì)的精確性。

該算法具有波束主瓣尖銳、抑制旁瓣和柵瓣、降低接收端噪聲級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，本文將通過(guò)理論分析和性能仿真，對(duì)其在水聲探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用性能進(jìn)行系統(tǒng)研究和驗(yàn)證。

1 超波束形成理論

1.1 超波束技術(shù)原理

傳統(tǒng)的均勻線列陣分裂波束系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 線列陣的分裂波束形成示意圖Fig.1 Split beam of uniformity beam

圖1中θ為信號(hào)的入射角，由1～N的陣元輸出求和后得到左波束輸出yL，由N+1～2N的陣元輸出求和后得到右波束輸出yR。

設(shè)圖1中陣列輸入信號(hào)為X(t），分別通過(guò)左右波束形成的加權(quán)向量WL和WR運(yùn)算，形成同軸向并具有不同聲學(xué)中心的分裂波束，左右2個(gè)子陣的波束輸出為

從式(1）可以得到左右2個(gè)分裂波束的和波束yS與差波束yD分別為:

不失一般性，以10陣元的等間隔線列陣為例，設(shè)預(yù)成波束主軸在0°方向，左右各5個(gè)陣元形成的分裂波束的和波束與差波束的指向性如圖2所示。可以看出，當(dāng)目標(biāo)方位偏離預(yù)成波束主軸方向時(shí)，差波束響應(yīng)幅值增大，和波束響應(yīng)幅值減小。

圖2 和波束與差波束Fig.2 Sum beam and difference beam

根據(jù)差波束在信號(hào)入射方向的優(yōu)良特性，結(jié)合和波束 (傳統(tǒng)波束）可構(gòu)造超波束

常規(guī)波束與超波束指向性如圖3所示。從式(3）和圖2可得出，當(dāng)預(yù)成波束方向和信號(hào)入射方向相同時(shí)，左右2個(gè)子陣的波束響應(yīng)幅值相同;當(dāng)入射方向和預(yù)成方向偏離較大時(shí)，和波束響應(yīng)幅值減小，差波束響應(yīng)幅值增大，從而使得超波束的輸出得到銳化。

圖3 常規(guī)波束與超波束Fig.3 Conventional beam and hyper beam(n=0.5）

式中:n為超指數(shù);a和b分別為形成和波束的左右2個(gè)分裂波束的權(quán)重系數(shù) (限定a+b=2），通過(guò)調(diào)整權(quán)重系數(shù)可以改變左右2個(gè)半波束的均衡性。

1.2 二維和三維超波束形成技術(shù)的統(tǒng)一理論框架

上面討論的都是基于線列陣的情況，實(shí)際上，魚雷自導(dǎo)水聲探測(cè)中應(yīng)用較多的都是平面基陣。下面將超波束形成從線列陣擴(kuò)展成基于平面陣的三維超波束形成。

通常可以將平面陣分為左、右和上、下4個(gè)部分。根據(jù)式(4），左、右2部分形成的超波束yHyp_LR和上、下2部分形成的超波束yHyp_UD分別為:

對(duì)于由2個(gè)垂直的10元線列陣構(gòu)成的平面陣，常規(guī)波束形成和超波束形成的三維波束如圖4和圖5所示。

圖4 常規(guī)波束輸出3-D圖Fig.4 The 3-D directional patterns of CBF

圖5 超波束形成技術(shù)波束輸出3-D圖Fig.5 The 3-D directional patterns of HBF

從圖4和圖5可看出，相比三維常規(guī)波束的輸出響應(yīng)，三維超波束的主瓣寬度得到了極大的降低，同時(shí)旁瓣也得到了有效的抑制。因此，基于平面陣的水聲探測(cè)系統(tǒng)中采用三維超波束形成方法，一方面可以提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能，另一方面可以提升目標(biāo)方位的估計(jì)性能。

2 超波束性能分析

2.1 超指數(shù)、波束主軸與波束性能關(guān)系

選取10元線列陣進(jìn)行研究，圖6為其超波束的束寬特性與超指數(shù)n的關(guān)系圖。圖7和圖8為不同超指數(shù)情況下超波束輸出的3D圖。

圖6 超指數(shù)對(duì)波束寬度的影響Fig.6 The directional pattern for different values of a hyper-parameter

圖7 超指數(shù)n=0.5波束輸出3-D圖Fig.7 The 3-D directional patterns of HBFwith fixed hyper-parameter(n=0.5）

圖8 超指數(shù)n=0.3波束輸出3－D圖Fig.8 The 3－D directional patterns of HBF with fixed hyper-parameter(n=0.3）

不同超指數(shù)n對(duì)應(yīng)的束寬和主/旁瓣比如表1所示。

表1 束寬、主/旁瓣比與超指數(shù)的關(guān)系Tab.1 The beam width and main/side lobe ratio for different values of a hyper-parameter

從表1可看出，隨著超指數(shù)n的減小，超波束束寬和旁瓣都將逐步下降。通過(guò)選擇合適的超指數(shù)n還能滿足設(shè)定的束寬要求。得出以下結(jié)論:

1）相比三維常規(guī)波束的輸出響應(yīng)，三維超波束的主瓣寬度得到了極大的降低，同時(shí)旁瓣也得到了有效的抑制;

2）隨著超指數(shù)n的減小，超波束束寬和旁瓣都將逐步下降。

表2為波束主軸偏離基陣法線方向不同角度時(shí)的超波束性能對(duì)比情況。

表2 不同波束主軸下的波束性能Tab.2 The relationship between beam angle and beam width

從表2可以看出，隨著波束主軸偏離基陣法線方向的逐漸增大，超波束束寬會(huì)逐漸變大，但變化范圍保持在3°以內(nèi)，較為恒定。

2.2 超指數(shù)、陣元長(zhǎng)度與HBF技術(shù)分辨性能的關(guān)系

下面研究超波束方法的分辨性能。

仿真1:基陣為32(即16λ的陣列長(zhǎng)度）元線列陣，陣元間距d=0.5λ，模擬雙目標(biāo)入射角度為－5°和5°。其中常規(guī)波束形成采用抑制旁瓣效果較好的切比雪夫加權(quán)，設(shè)置主旁瓣比為－30 dB。同理，以下的所有CBF仿真均采用這種加權(quán)方式。

圖9 CBF方法和HBF方法DOA估計(jì)功率譜Fig.9 The power spectrum of CBF and HBF

從圖9能觀察出，HBF處理后的波束明顯比CBF束寬窄，而且旁瓣比CBF低30 dB(n=0.5）左右，同時(shí)隨著超指數(shù)n的減小，HBF的波束變窄，旁瓣更低。n=0.3時(shí)的旁瓣比n=0.5時(shí)的旁瓣低30 dB左右。可以得出以下結(jié)論:

1）相比于常規(guī)波束形成，超波束HBF對(duì)目標(biāo)的分辨性能大大提高，主瓣更加尖銳，旁瓣更低。

2）超指數(shù)n對(duì)HBF技術(shù)分辨性能影響很大，n越小，分辨波束越窄，旁瓣級(jí)越低。

仿真2:基本仿真條件同上，超指數(shù)n=0.5，將陣元數(shù)M=32與陣元數(shù)M=20的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

圖10 32陣元和20陣元分辨性能Fig.10 The resolution performance comparison of HBFwith 32-element and 20-element linear array

從圖10可看出，32元陣的波束比20陣元的波束更尖銳，而旁瓣級(jí)變化不大，基陣孔徑會(huì)影響HBF算法的分辨能力，其分辨能力隨著孔徑增大而增強(qiáng)。

3 基于超波束的空間分辨仿真研究

通過(guò)前面的理論分析得出，超波束與傳統(tǒng)的波束形成方法相比，具有指向性強(qiáng)，旁瓣低，抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)。這一節(jié)主要通過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)討論超波束分辨技術(shù)在水聲信號(hào)處理中的應(yīng)用及其性能。

仿真1:假設(shè)32元線陣，陣元間距為d，信號(hào)波長(zhǎng)為λ，陣元間距d=0.5λ;信號(hào)中心頻率f0=25 kHz，脈沖寬度T=50ms;聲速c=1 500 m/s，模擬雙目標(biāo)入射角度分別為－5°和5°。

圖11～圖13分別為信噪比為10 dB，0 dB，－10 dB時(shí)的波束輸出響應(yīng)。圖中，水平方向表示空間方位角，垂直方向表示歸一化的功率譜估計(jì)。

圖11 SNR=10 dB時(shí)，CBF和HBF比較Fig.11 The resolution performance comparison of CBF and HBF，with SNR=10 dB

圖12 SNR=0 dB時(shí)，CBF和HBF比較Fig.12 The resolution performance comparison of CBF and HBF，with SNR=0 dB

從圖11和圖12可看出，在信噪比較好的情況下，CBF方法和HBF方法均能分辨出目標(biāo)，但是HBF算法的波束寬度更窄，同時(shí)旁瓣級(jí)較常規(guī)方法降低20～30 dB，HBF的分辨性能更好。

圖13 SNR=－10 dB時(shí)，CBF和HBF比較Fig.13 The resolution performance comparison of CBF and HBF，with SNR=－10 dB

由圖13可看出，在低信噪比條件下，常規(guī)波束形成的空間分辨能力下降明顯，已經(jīng)不能有效地分辨出目標(biāo)，而經(jīng)過(guò)HBF技術(shù)處理過(guò)的仍然能夠保持高分辨特性。

圖14 32陣元HBF算法分辨性能Fig.14 The resolution performance comparison of HBF with 32－element linear array

仿真2:為了進(jìn)一步說(shuō)明HBF算法的能力，基本條件如上，選取信噪比SNR=0 dB，改變模擬雙目標(biāo)的入射角度，觀察其分辨能力，如圖14所示，在入射角度為－3°和3°時(shí)基本達(dá)到分辨極限。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)一種新型的陣列信號(hào)處理技術(shù)——超波束形成 (HyperBeam）的二維 (2D）和三維 (3D）算法進(jìn)行了探討，將該算法應(yīng)用在水下陣列信號(hào)處理中，通過(guò)理論分析和性能仿真，對(duì)超波束形成技術(shù)的波束性能及分辨性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究。結(jié)論如下:

1）相較于二維和三維常規(guī)波束的輸出響應(yīng)，超波束的主瓣寬度得到了極大的降低，同時(shí)旁瓣也得到了有效的抑制，對(duì)目標(biāo)的分辨性能有較大提高;

2）超指數(shù)n對(duì)HBF性能影響很大，隨著超指數(shù)n的減小，超波束束寬和旁瓣都將逐步下降，n越小，波束越窄，旁瓣級(jí)越低;

3）隨著波束主軸偏離基陣法線方向的逐漸增大，超波束束寬逐漸變大，但變化范圍保持在3°以內(nèi)，較為恒定;

4）無(wú)論是低信噪比還是高信噪比，HBF的分辨性能相比于常規(guī)CBF技術(shù)更好。

從上可知，相比于傳統(tǒng)波束形成方法，超波束形成技術(shù)是一種有廣闊應(yīng)用前景的水下陣列信號(hào)處理新方法。

［1］SCHLIETER H.3D －Hyperbeam Patent［P］.United States Patent:US 6178140B1.

［2］SCHLIETER H.Passive sonar detection improvement by hyperbeam TM technique［A］.UDT，Europe 2006［C］，Hamburg，Germany，2006.7A －2.

［3］胡橋，郝保安，易紅，等.水中高速小目標(biāo)被動(dòng)檢測(cè)模型及其應(yīng)用［J］.魚雷技術(shù)，2012，20(4）:261 －266.

HU Qiao，HAO Bao-an，YI Hong，et al.Passive detection model for underwateihigh-speed small targetswith application［J］.Torpedo Technology，2012，20(4）:261 －266.

［4］周霖儀.2D Hyper Beam在主動(dòng)陣列信號(hào)檢測(cè)在中的應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(6）:453 －456.

ZHOU Lin-yi.The application of dual dimensional Hyper Beam using in active signal detection［J］.Ship Science and Technology，2009，31(6）:453 －456.

Simulation research on the performance of underwater hyper beam form ing

ZHAO Rui-xuan1，2，HU Qiao1，2，HAO Bao-an1，2
(1.The 705 Research Institute of CSIC，Xi'an 710075，China;2.The Laboratory of Science and Technology on Underwater Information Process and Control，Xi'an 710075，China）

According to the characteristic of split beam，the hyper beam forming(HBF）technique based on 2-D and 3-D is introduced，and its operating characteristic and influencing factors are researched.With the application on underwater array signal processing，the target resolution characteristic of HBF technique is analyzed.And the results show that the beam width is reduced and the side lobe is suppressed via HBF technique，which has better resolution performance and wider application prospect，compared with the conventional beam forming technique.

split beam;hyper beam;target resolution;simulation

TB52

A

1672－7649(2013）03－0030－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.007

2012－09－14;

2012－11－05

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010KJXX－09）;中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇五研究所總工程師基金資助項(xiàng)目(CX－1108）

趙瑞晅(1988－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槁曌詫?dǎo)信號(hào)處理技術(shù)。