波束銳化技術在多波束測深聲吶中的應用

魏波，沈嘉俊，周天，李海森

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波束銳化技術在多波束測深聲吶中的應用

魏波1,2，沈嘉俊1,2，周天1,2，李海森1,2

(1. 哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱 150001)

針對常規波束形成器的分辨性能和旁瓣性能間的矛盾，研究了超波束形成器的波束特征以及空間分辨性能。通過計算機仿真驗證了加權超波束形成器既有較高的空間分辨力，又有良好的旁瓣特性。通過對外場實驗數據的處理，驗證了該算法對于多波束測深聲吶測量結果中存在的“隧道效應”假象具有明顯的抑制作用。針對算法實現結構進行了優化，進一步減小了算法復雜度。利用DSP進行了算法實現，算法具有較好的實時性和工程實用性。

波束銳化；超波束；分辨力；隧道效應

0 引言

常規波束形成器(Conventional BeamForming, CBF)能夠對指定到達方向的回波信號進行增強，對噪聲進行抑制，原理簡單、算法易實現，因而在多波束聲吶中得到了廣泛的應用。但該波束形成器具有主瓣波束寬、旁瓣級高、存在能量泄漏的缺點，容易引起旁瓣干擾。多波束測深聲吶的探測目標是大面積海底，垂直入射的海底回波波束能量很強，能量泄露進入其他波束的主瓣方向后，很容易形成旁瓣干擾。當被測量的海底比較平坦且底質較硬時或空間方位較近時，這種影響更加明顯。當使用基于波束輸出能量的時間加權平均(Weighed Mean Time, WMT)等海底檢測算法時，其影響就是會把平坦海底地形測量成虛假的兩邊上翹的弧形海底地形，即所謂的“隧道效應”(Tunnel effect)[1-3]，如圖1所示。

抑制“隧道效應”對提高多波束測深聲吶的數據質量和測量結果的可信度非常重要，目前常見的解決方法有兩類：第一類采用自適應旁瓣抵消器，如文獻[4-5]提出利用誤差反饋格型遞歸最小二乘(Recursive Least Squares，RLS)算法和基于Givens旋轉的后驗格型-梯型算法對多波束測深聲吶實驗數據中存在的旁瓣干擾進行分析處理；文獻[6]針對文獻[4,5]所提算法存在抵消部分真實信號的缺陷，提出RLS-Laguerre算法并進行實測數據處理，文獻[7]將此算法由波束包絡抵消擴展到波束復輸出抵消，提出利用廣義旁瓣抵消(Generalized Side-lobe Canceller，GSC)結構對“隧道效應”進行消除，并利用與其等效的最小方差無失真響應(Minimum Variance Distortionless Response，MVDR)算法對試驗數據進行處理。上述算法能夠有效地削弱邊緣波束方向上鏡像波束的旁瓣干擾，但算法的結構復雜，運算量較大，難以實時實現；第二類采用對CBF進行加窗的算法，如切比雪夫窗、卷積矩形窗等[1-2]，雖然有效降低了旁瓣，但導致主瓣展寬，降低了空間分辨力。增大聲吶基陣孔徑可以有效緩解這一矛盾，但其導致硬件復雜、高成本和聲吶小型化趨勢相矛盾。因此，利用信號處理方法降低波束旁瓣，并且還能保證波束主瓣的尖銳，不失為一種很有吸引力的、值得研究的途徑。文獻[8]比較了相關信號處理方法，其中涉及了一種超波束形成技術(Hyper BeamForming, HBF)[9]，利用子陣波束的組合能夠實現波束主瓣的銳化，且運算量和常規波束形成器相當，具有較強的實用性。

文獻[10]對超波束形成技術進行了仿真研究，文獻[11]結合后置處理算法對其實現形式進行了修正，文獻[12]將超波束形成技術應用于圓陣。本文進一步仿真研究超波束形成器的空間分辨能力，并基于其主窄瓣且旁瓣低的特點，將該技術應用于多波束測深聲吶“隧道效應”抑制。在研究超波束形成算法的基礎上，對算法結構進行優化，進一步減小算法復雜度，并在DSP硬件平臺上對算法實時性進行了測試。

1 超波束形成技術

1.1 HBF技術原理

基陣結構如圖2所示，令坐標(+1/2,0)處的接收回波表示為，入射方向為，則第i陣元接收信號為：

(2)

(4)

超波束形成公式為

(6)

波束形成器在大角度時波束寬度將變寬，為實現空間上的均勻掃描，保證方向分辨力的一致性，需要對外側波束進行銳化處理以實現恒定束寬，這可以通過對式(6)中超系數取不同值來實現。

1.2 HBF空間分辨性能仿真

在研究超波束形成算法的基礎上，利用計算機仿真對比CBF、加窗CBF以及HBF的空間分辨性能。仿真中以能夠區分空間兩個等強度、相臨目標的最小夾角為評價標準，取波束圖案上兩目標間幅值下降3 dB作為分辨準則。

相關仿真條件：信號形式為CW脈沖；CBF為相移波束形成器；換能器基陣形式為64元直線陣；陣元間距取半波長。

1.2.1 CBF分辨力分析

對回波信號直接進行相移波束形成，分別選取在0°和50°附近的回波目標，觀察在大角度區域及小角度區域的波束形成輸出，見圖3、4。

由圖3可見，位于小角度區域的兩空間目標方位可分極限為-0.67°和0.67°；由圖4可見，位于較大角度區域的兩空間目標方位可分極限為-50°和-52.13°。顯然，常規波束形成器隨掃描角度增大，波束展寬，分辨力下降，并且旁瓣較高（第一旁瓣僅為-10 dB），很可能導致明顯的“隧道效應”。

1.2.2 加窗CBF分辨力分析

為了降低旁瓣，對CBF加切比雪夫窗，主旁瓣比達-40 dB，觀察不同回波角度情況下的波束輸出結果，仿真結果如圖5、圖6所示。

由圖5可見，兩空間目標方位可分極限為-0.735° 和0.735°；由圖6可見，兩空間目標方位可分極限-50°和-56.095°。雖然與CBF相比旁瓣較低，有利于抑制“隧道效應”，但是加窗處理會導致波束展寬，尤其是隨著目標方位角度的加大，分辨力下降十分嚴重。然而在現有的設備條件下，為了保證測深數據準確和抑制“隧道效應”，加窗處理依然有必要。

1.2.3 HBF分辨力分析

按照上述超波束理論進行仿真，不同回波到達角度條件下的波束輸出如圖7、8所示。

由圖7可見，兩空間目標方位可分極限為-0.626°和0.626°；由圖8可見，兩空間目標方位可分極限為-50°和-51.978°。相對于加窗CBF，超波束形成的空間分辨力有了明顯改善。

2 超波束在多波束測深中的應用

2.1 恒定束寬超波束形成

從圖7、8可以看到，距離目標方位越近的波束旁瓣越低，而“隧道效應”的特性正是旁瓣對距離目標方位越近的波束影響越明顯。圖9給出了單目標時的波束圖。可見，HBF的旁瓣變化特征能夠有針對性地抵消“隧道效應”產生的影響。

多波束測深聲吶具有一定的覆蓋寬度，外側波束束寬會發生變化。為了保證式(7)的輸出波束具有恒定的束寬，需要在不同的預成波束方向采用不同的超系數，以保證外側波束的尖銳性。由式(7)推導出恒定束寬條件下的公式(8)：

將預成波束角度分別代入公式(8)中，利用逐次迭代法可以計算出誤差值最小的方程數值解，不同波束方向的超系數如圖10所示。

方位角/(°)

圖10 超系數變化曲線

Fig.10 Curve of hyper coefficient

2.2 超波束算法優化及其DSP實現

超波束形成算法中存在未知底數與未知冪的指數運算，計算復雜度較高，占用了大量的處理時間，為了進一步提高算法的實時性，需要對式(6)的算法實現結構進行優化，兩邊取以10為底的對數：

(10)

按照公式(9)、(10)可以將未知底與未知冪的指數運算簡化成一次以10為底數的冪級數運算與一次以10為底數的對數運算組合，算法結構有利于DSP的高速運算，對數簡化方法結構如圖11所示。

為了滿足實際工程需求，并且驗證算法的實時性，本文在哈爾濱工程大學研制的國產多波束測深聲吶設備信號處理平臺上進行了超波束形成的DSP實現。信號處理器選取TI公司推出的定/浮點處理器TMS320C6748，工作主頻為420 MHz，進行256波束的超波束形成。

按照傳統的DSP計算方法，直接用公式(6)進行波束循環計算需要耗費較多的時間。針對選取的TMS320C6748，可利用TI公司提供的自適應定/浮點運算的DSPLIB運算庫，能夠進行向量化的數據計算，節省出大量的數據尋址時間。分別在軟件仿真與硬件平臺上實現256波束的超波束形成，算法整體運行時間對比如表1所示。

表1 按照不同方法運算的運行時間比較(單位: us)

由表1可以看出，利用對數簡化的處理方法，能夠有效地提升算法處理效率，尤其是在硬件實現過程中，需要進行大量的數據尋址、存儲過程，對數簡化向量處理方法能夠有效提升算法的實時性。

對于公式(9)、(10)的推導過程，可以使用以任意常數為底的對數形式，DSPLIB常用的對數、指數函數為自然對數底、以10為底和以2為底。公式中以何數為底并不影響結果，所以分別驗證不同底數下的運算時間，進一步提升算法的實時性。分別在軟件仿真與硬件平臺上實現256波束的超波束形成，算法整體運行時間對比如表2所示：

表2 按照不同對數底運算的運行時間比較(單位:us)

由表2可以看出，不同底數情況下算法運算時間是不同的。由表1、2可知，在不影響計算精度的前提下，選取適當的運算方式有助于在采樣間隔內實時完成回波信號的超波束形成運算。經簡化后的超波束形成算法可以在采樣率的采樣間隔內實時完成，實時處理效果如圖12所示。

3 多波束測深實驗數據處理

為了驗證超波束形成在多波束測深聲吶中的應用效果以及對“隧道效應”的抑制效果，利用哈爾濱工程大學研制的國產多波束測深聲吶設備進行外場實驗，并對實驗數據進行處理。

多波束測深聲吶基元數為64，信號頻率為300 kHz，陣元間距為半波長，發射信號脈寬為0.1 ms，4倍水深覆蓋。采用上述三種波束形成器對某水域外場實驗數據進行波束形成處理，并使用WMT算法進行水底深度檢測。

3.1 常規波束形成數據處理

利用常規相移波束形成進行數據處理，波束輸出序列及深度檢測結果如圖13、14所示。

從圖13可以看出常規波束形成存在很嚴重的旁瓣干擾，有多個較強回波方向的旁瓣泄漏到較弱回波的主瓣方向。從圖14中可以看到，由于“隧道效應”導致檢測出現多角度的虛假目標，深度檢測結果存在較大誤差。

3.2 加窗波束形成數據處理

利用切比雪夫窗對常規相移波束形成進行加窗處理，波束輸出序列及深度檢測結果分別如圖15、16所示。

比較圖14、16可以發現，CBF加窗對“隧道效應”具有一定的抑制作用，虛假目標減少，但其影響依然存在，檢測結果誤差較大。

3.3 超波束形成數據處理

利用超波束形成進行數據處理，超系數按照預成角度選擇不同參數，波束輸出序列及深度檢測結果分別如圖17、18所示。

從圖17、18中可以明顯看出，在HBF的輸出中已經難以看出旁瓣干擾，“隧道效應”得到了有效地抑制。

3.4 數據處理效果對比

為了更清楚地說明這一問題，從上述三種處理方法中，抽取某一時間片下各波束角度輸出，顯示于圖19、20中。

從圖19、20中可以看出，CBF、加窗CBF都有較強的旁瓣干擾，在其他波束方向上產生虛假目標。HBF能夠有效地抑制“隧道效應”，在各波束上反映出真實的回波到達方向。

類似的，從上述三種處理方法中，抽取波束角度35.33o的波束輸出時間序列，顯示于圖21、22。

從圖21、22中可以看出，CBF、加窗CBF都有明顯的旁瓣干擾，在時間序列上產生較強的虛假回波，這將導致時間加權平均算法檢測誤差，出現弧形的“隧道效應”虛假目標。HBF能夠有效地抑制“隧道效應”，在時間序列上反映出真實的回波能量狀態，確保時間加權平均算法的準確性。

4 結論

波束銳化技術應用于多波束測深聲吶既保證了較高的空間分辨力，又大大降低了旁瓣，很好地抑制了“隧道效應”。由于超波束形成技術的計算量和CBF相當，經算法簡化后運算復雜度進一步減小，算法結構很容易在DSP上實現。配合定/浮點系列DSP處理器，算法的實時性和工程實用性得到了保證，易于應用到國產多波束測深聲吶系統中，有望進一步提升測深結果的有效性。

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Application of beam narrowing technique in multi-beam bathymetric sonar

WEI Bo1,2, SHEN Jia-jun1,2, ZHOU Tian1,2, LI Hai-sen1,2

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang,China;2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang,China)

For conflict existing between resolution and sidelobe influence in the conventional beamformer(CBF), the article mainly studies beam features and spatial resolution of hyper-beamformer(HBF). Computer simulation results demonstrate that HBF can synchronously improve spatial resolution and reduce sidelobe. Processing results of the sea trial data verify that the algorithm can restrain the tunnel effect illusion in multi-beam bathymetric results effectively, and the algorithm has low computational load, good real-time performance and practicability. The algorithm has been evaluated on the platform of DSP and proved to be useful and real-time.

beam narrowing; hyperbeam; resolution; tunnel effect

P715.5

A

1000-3630(2016)-02-0167-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.02.015

2015-03-09;

2015-06-01

自然科學基金(41327004, 41306038, 41376103)、中國高等學校博士點基金(20112304130003)資助項目

魏波(1988－), 男, 黑龍江哈爾濱人, 博士研究生, 研究方向為海底特性聲學探測。

李海森，E-mail: hsenli@126.com