線陣分裂波束處理技術(shù)在水聲探測中的應(yīng)用

錢韜

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線陣分裂波束處理技術(shù)在水聲探測中的應(yīng)用

錢韜

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海201108)

聲吶波束形成處理通常輸出各個方位上的目標(biāo)能量信息，利用指向性極大值位置給出目標(biāo)的大致方位。為了得到更加精確的目標(biāo)方位估計，需要尋找對目標(biāo)方位微小變化作出靈敏反應(yīng)的物理量。分裂波束處理所輸出的各個方位二子陣的相位差信息，對方位變化十分靈敏，其測向精度接近于克拉美羅下界，不需增加太大運(yùn)算量即可顯著提高聲吶系統(tǒng)測向精度，在水聲中得到了廣泛研究和應(yīng)用。對線陣分裂波束處理在水聲探測中不同的應(yīng)用進(jìn)行了梳理和總結(jié)，重點闡述了基于分裂陣半波束處理的被動聲吶寬帶相關(guān)檢測、主動聲吶相位單元化處理、超波束形成和水下慢速目標(biāo)相位差空時方差自動檢測跟蹤(Automatic Detection and Tracking, ADT)技術(shù)的原理、處理流程和結(jié)果。

水聲探測；分裂陣；分裂波束處理

0 引言

分裂陣半波束處理[1]技術(shù)作為經(jīng)典陣列處理技術(shù)，其定向精度接近于克拉美羅下界，不需增加太大運(yùn)算量即可顯著提高聲吶系統(tǒng)測向精度，因此在水聲中得到了廣泛研究和應(yīng)用。由其延伸出的各種處理技術(shù)在聲吶設(shè)備中均有成功應(yīng)用，包括：寬帶相關(guān)檢測用于被動聲吶多目標(biāo)檢測[2-3]；相位單元化處理用于主動聲吶混響抑制[4]；相位差空時方差自動檢測跟蹤用于蛙人探測聲吶[5]；相位檢測法用于多波束條帶測深儀[6-7]；互相關(guān)/互譜法用于聲吶目標(biāo)精確測向[8]；視在方位序列分析用于水下目標(biāo)尺度識別[9-13]；超波束形成技術(shù)用于聲吶目標(biāo)檢測[14-20]等等。

以上典型的聲吶陣列處理技術(shù)均是分裂波束處理的具體應(yīng)用實例，其共同點是把接收陣列分為具有一定空間距離的不同子陣，對各子陣分別進(jìn)行波束形成處理，利用不同子陣波束輸出估計目標(biāo)信號到達(dá)不同子陣的相位差信息。不同應(yīng)用實例是根據(jù)各自應(yīng)用需求對相位差信息進(jìn)行后置處理，提取滿足聲吶使用需求的特征信息。本文對分裂陣半波束處理時參考基元選取進(jìn)行了討論，同時對不同聲吶基于相位差信息處理的技術(shù)特點進(jìn)行梳理討論，重點給出被動聲吶寬帶相關(guān)檢測、主動聲吶相位單元化處理、超波束形成技術(shù)和水下慢速目標(biāo)相位差空時方差A(yù)DT(Automatic Detection and Tracking, ADT)的技術(shù)原理、處理流程和結(jié)果。目前對寬帶相關(guān)檢測[2-3]和相位單元化處理[4]進(jìn)行了較充分的研究和仿真，用實際海試數(shù)據(jù)處理取得了良好效果，已在實際聲吶中得到工程實用；對超波束形成技術(shù)[14-20]進(jìn)行了仿真研究工作；對水下慢速目標(biāo)相位差空時方差A(yù)DT技術(shù)[5]正在積極消化研究階段。

1 分裂陣處理參考基元選取

線陣分裂波束處理可有效提高聲吶性能的原理，在于二子陣的相位差(時延差)對目標(biāo)方位角的微小變化響應(yīng)很靈敏，這里給出分裂子陣選取不同參考陣基元時二子陣相位差與目標(biāo)方位角的關(guān)系。參考基元選取主要有兩種方式，一是二子陣各陣元均以同一陣基元為參考點進(jìn)行相位補(bǔ)償，二是以各子陣聲中心為參考基元，兩種參考基元選取方法本質(zhì)上沒有不同，僅影響子陣間相位差信息的具體表達(dá)，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選取。這里以均勻線陣為例(分裂子陣劃分如圖1所示)，設(shè)陣元數(shù)為，陣元間距為，聲速為，入射聲波頻率為，入射聲波與線陣之間夾角為。

左右子陣分別以1號、(/2)+1號陣元為參考點時，左右波束輸出相位差為

(2)

根據(jù)公式(1)，除陣元間距、陣元數(shù)、信號頻率外，相位差信息主要取決于信號實際入射方向與預(yù)成主波束方向間的角度余弦的差值，當(dāng)預(yù)成主波束方位與信號入射方向接近時，相位差為接近于0°的小量。這種參考陣元選取方法常用于寬帶相關(guān)檢測[1]、超波束形成技術(shù)[14-20]、相位差空時方差A(yù)DT技術(shù)[5]、半波束相位單元化處理[4]、視在方位序列分析[9-13]、窄帶信號分裂陣高精度定位相位檢測法[6-7]等。

根據(jù)公式(2)，除陣元間距、數(shù)目、信號頻率外，相位差信息主要取決于信號實際入射方向，盡管公式(2)中相位差理論計算值與預(yù)成主波束無關(guān)，但是，兩者相差較大時會降低左右波束的輸出信噪比，進(jìn)而影響相位差估計精度。實際應(yīng)用中通常會在目標(biāo)方位附近選取預(yù)成波束進(jìn)行相位差估計。這種參考基元選取方法主要用于互相關(guān)測向。

2 分裂陣半波束處理的應(yīng)用研究

2.1 寬帶相關(guān)檢測技術(shù)

被動聲吶寬帶檢測是利用能量積分或互相關(guān)技術(shù)檢測波束形成器輸出信號。能量檢測時陣增益為，其平方積分器增益是5lg。互相關(guān)檢測時陣增益為，其半波束相關(guān)檢測增益為5lg(2)。因此互相關(guān)檢測器與能量檢測器相比總的處理增益減小1.5 dB，它提供典型的1/10波束分辨率的方位測量信息，這是為了提高多目標(biāo)方位分辨力所付出的一點代價[1]，雙目標(biāo)分辨力理論計算公式為[8]

被動聲吶寬帶相關(guān)檢測主要處理流程包括：

(1) 將接收陣等分為兩個子陣，對雙子陣分別進(jìn)行波束形成得到左右波束輸出頻譜；

(2) 將左右波束頻譜進(jìn)行互譜運(yùn)算；

(3) 對互譜進(jìn)行平滑相干變換，權(quán)值為

(4) 對平滑相干處理后互譜做IFFT運(yùn)算得到一組時延值，選取預(yù)成波束角度附近的相關(guān)值作為波束輸出。

寬帶相關(guān)檢測實際處理性能會受到背景噪聲、波束輸出信噪比等因素影響，當(dāng)二子陣波束海洋環(huán)境噪聲具有明顯的相關(guān)性、輸出信噪比較低時，互譜法估計二子陣時延誤差較大，檢測性能下降明顯。圖2(a)、2(b)分別給出海試試驗中多目標(biāo)數(shù)據(jù)的寬帶能量和寬帶相關(guān)檢測結(jié)果，其中數(shù)據(jù)為48元均勻線陣在海上錄取獲得。對比可以給出在相同處理頻帶范圍內(nèi)，寬帶相關(guān)檢測目標(biāo)方位分辨力更高，可有效改善多目標(biāo)交叉或鄰近時的目標(biāo)檢測能力。

2.2 半波束相位單元化處理

主動聲吶半波束相位單元化處理是將半波束與匹配濾波處理結(jié)合應(yīng)用。該方法除了能獲得較高的測向精度外，還可根據(jù)子陣間的相位差關(guān)系將匹配濾波輸出進(jìn)行精細(xì)化處理，對主波束范圍以外的輸出直接刪除，對主波束范圍內(nèi)的輸出分成若干相位單元，將背景干擾能量按空間方位進(jìn)一步分割，而作為目標(biāo)輸出信號只能落入某一個特定單元，從而有效提高了信噪(混)比。主動聲吶半波束相位單元化處理主要流程：

(1) 對左右子陣波束輸出分別進(jìn)行匹配濾波，對兩路輸出相加形成全波束，同時輸出兩路間的相位差；

(2) 根據(jù)實際波束寬度和相位估計精度確定所劃分的相位單元；

(3) 利用相位差估計值將每一個距離元信號都放在某一個相應(yīng)的相位單元中，對超過相位差范圍的距離元信號置零。

(4) 將各相位單元輸出按距離-細(xì)方位的B式顯示方式形成主動聲吶檢測圖像。

圖3(a)、3(b)分別給出海試試驗中主動聲吶目標(biāo)回波數(shù)據(jù)在相位單元化處理前后的方位-距離圖，其中數(shù)據(jù)為64元均勻線陣在海上錄取獲得。對比可以看出相位單元化處理在回波方位精度、背景干擾抑制方面明顯優(yōu)于常規(guī)處理。

2.3 超波束形成技術(shù)

超波束技術(shù)(Hyper BeamForming, HBF)[14-20]作為一種新的高分辨波束形成方法，在陣列尺寸一定的條件下，能夠同時降低主波束寬度和旁瓣大小，從而提高目標(biāo)檢測能力和定位精度。HBF是基于兩個對稱子陣的波束形成結(jié)果得到，主要處理流程包括：

(1) 將接收線陣等分成的左、右兩個子陣，分別進(jìn)行波束形成得到和；

(2) 由左右波束輸出結(jié)果得到“和”波束與“差”波束，記為和：

(6)

(3) 將“和”波束與“差”波束相減或者相比來抵消旁瓣得到超波束輸出為

式中，為超波束指數(shù)。隨著的改變，超波束的波束寬度可以變窄或增寬，可以證明，當(dāng)=2時，超波束指向性圖與常規(guī)波束形成相同。

圖4(a)、4(b)分別給出仿真實驗中等強(qiáng)度和不等強(qiáng)度的雙目標(biāo)CBF和HBF方位譜，其數(shù)據(jù)由10 元均勻線陣仿真得到。對比可以看出，HBF能夠正確地將等強(qiáng)度雙目標(biāo)分辨開來，同時有效抑制強(qiáng)目標(biāo)旁瓣泄漏對弱目標(biāo)的影響。

2.4 水下慢速目標(biāo)的相位差空時方差A(yù)DT技術(shù)

日本Tokyo大學(xué)Fumitaka MAEDA等人與丹麥RESON公司合作研發(fā)用于港口警戒聲吶的信息處理技術(shù)[5]，利用水下慢速目標(biāo)與噪聲、混響、靜止目標(biāo)、尾流氣泡的相位差空時方差特征差異完成目標(biāo)的自動檢測和跟蹤。相位差空時方差A(yù)DT技術(shù)主要處理流程包括：

(1) 利用左右子陣波束輸出得到單周期相位差隨時間(距離)的變化曲線；

(2) 對單周期相位差曲線進(jìn)行連續(xù)保存；

(3) 利用連續(xù)多周期相位差曲線估計空時方差；

(4) 利用空時方差門限對目標(biāo)進(jìn)行檢測。

圖5(a)、5(b)分別為文獻(xiàn)[5]給出的蛙人目標(biāo)數(shù)據(jù)的相位差空時方差A(yù)DT和常規(guī)能量輸出結(jié)果。對比可以發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)能量檢測的基礎(chǔ)上進(jìn)行的各種雜波抑制處理效果有限，基于相位差空時方差處理可以極大改善近程警戒聲吶的顯示效果。圖5(b) 中-30°~0°范圍內(nèi)的強(qiáng)目標(biāo)與運(yùn)動蛙人相比，相位差空時方差小，采用相位差空時方差A(yù)DT技術(shù)后各種雜波得到有效抑制。

3 結(jié)論

本文對分裂波束處理技術(shù)在水聲探測中的應(yīng)用進(jìn)行了綜合介紹。重點闡述了基于線陣分裂波束處理的被動聲吶寬帶相關(guān)檢測、主動聲吶相位單元化處理、超波束形成和水下慢速目標(biāo)相位差空時方差A(yù)DT技術(shù)的原理、處理流程和結(jié)果，指出線陣分裂波束處理可有效提升聲吶性能。

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Application of split-beam processing of line array in underwater acoustic detection

QIAN Tao

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108,China)

The outputs of sonar beamformer represent the target power information in all directions and the peak position of directivity is used as the target’s approximate azimuth. It is necessary to find an appropriate parameter, which is sensitive to the tiny change of azimuth, to obtain accurate target’s azimuth.The phase difference in every azimuth given bytwo sub array can be used to estimate the azimuth close to Cramer-Rao low boundary, and the accuracy of direction finding of sonar system can be obviously improved without much operation. So far the half beam processing technique of split-array has been widely researched and applied. The different applications of this technique in underwater acoustics equipment, such as the wideband cross-correlation detection in passive sonar, phase binning processing in active sonar，HBF and ADT with variance of phase difference,are mainly discussed and summarized in this paper with principles,processing flows and results.

acoustic detection;split-array; split-beam processing.

TB556

A

1000-3630(2015)-06-0551-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.016

2015-01-07;

2015-03-11

錢韜(1982－), 男, 江蘇宜興人, 工程師, 研究方向為水聲發(fā)射技術(shù)與水聲信號處理。

錢韜, E-mail: qiantao726@aliyun.com