超波束技術在岸基光纖陣中的應用

劉亮，傅安，潘謝帆，覃莉

(上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

0 引 言

海上高價值平臺面臨的安全性問題突出，其危險源主要來自于水面/水下低速威脅小目標的襲擾。被動光纖陣列既可長時間布放于海底，又方便回收再利用，工程應用較傳統陣列方便，可實現水下遠程預警、保障平臺安全。在陣列信號處理中，常規波束形成（CBF）面臨著高旁瓣的問題，通常采用陣元幅度加權的方法來降旁瓣，但會導致主瓣變寬，而超波束（HBF）技術不僅可以降低旁瓣，還可以使主瓣變窄。

本文根據岸基光纖陣在實際處理中常規波束輸出遇到的高旁瓣問題，采用超波束技術進行波束銳化——利用超波束輸出對常規波束進行加權，在保證高分辨力的同時，又可保留了波束輸出的相位信息。該方法較常規波束輸出可提升“V”型岸基被動陣左右分辨的能力。

1 超波束技術

超波束技術是分裂波束處理方法中的一種，其波束輸出既可以獲得較窄的主瓣，又可以獲較低的旁瓣[1-2]。

1.1 原理

超波束技術主要處理步驟[3-4]：

1）將接收陣等分成左、右2個子陣，分別進行常規波束形成得到和；

2）由左右波束輸出結果得到“和”波束與“差”波束，分別記為：

圖 1 子陣劃分Fig. 1Sub-array partition

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：

1.2 仿真分析

仿真條件：32元直線陣，陣元間距為0.75 m。

1）常規波束與超波束輸出對比

陣列接收正橫方向、頻率為750 Hz目標信號、SNR=0 dB，-10 dB，常規波束輸出（CBF）、陣元幅度加權波束輸出（WCBF）、超波束輸出（HBF）結果分別如圖2所示。

圖 2 常規波束與超波束輸出對比（n=1）Fig. 2Comparison of conventional beam and hyper beam output（n=1）

由圖2可以看出，不同信噪比下（高斯白噪聲背景），超波束輸出較常規波束輸出、陣元幅度加權波束輸出有更窄的主瓣和更低的旁瓣，可以提高陣列的方位分辨能力。

2）不同超波束系數的超波束輸出對比

陣列接收正橫方向、頻率為750 Hz目標信號、SNR=0 dB，不同超波束系數的超波束輸出結果如圖3所示。

圖 3 不同超波束系數的超波束輸出Fig. 3Hyper beam output with different hyper coefficient

由圖3可以看出，在高斯白噪聲背景下，隨著超波束系數的減小，超波束輸出的主瓣寬度和旁瓣高度都降低。進一步，可以通過調整超波束系數使空間覆蓋波束保持恒定束寬。

3）多目標處理對比

等目標強度：目標1頻率750 Hz、方位90°，目標2頻率1 000 Hz、方位95°，SNR=0 dB；常規波束與超波束輸出結果如圖4（a）所示。

不等強度目標：目標1頻率750 Hz、方位90°，目標2頻率1 000 Hz、方位95°，SNR=0 dB；常規波束與超波束輸出結果如圖4（b）所示。

由圖4可以看出，多目標處理中，超波束輸出可以提升陣列的方位分辨能力、有效抑制強目標旁瓣泄露對弱目標的影響。當然，為了對空間形成不小于-3 dB的波束覆蓋，基于超波束的方法預成波束數比常規的應該增加2倍以上，進而增加了信號處理整體的運算量。

4）寬帶信號處理適應性

500～1 000 Hz寬帶信號（SNR=0）常規波束、超波束處理能力對比如圖5所示。

由圖5可以看出，超波束處理對寬帶信號具有適應性。

2 超波束技術應用

本文將超波束技術獲得的窄波束、低旁瓣應用于岸基光纖陣中對常規波束輸出進行銳化、抑制左右模糊[5-7]。

圖 4 多目標輸出對比（n=1）Fig. 4Comparison of different targets output（n=1）

圖 5 寬帶信號處理對比（n=1）Fig. 5Comparison of wide-band signal process（n=1）

2.1 波束銳化

波束銳化技術有很多，這里將超波束輸出作為常規波束輸出的權系數，以降低主瓣寬度和旁瓣高度。

由式（3）可以看出，超波束輸出丟失了信號相位信息，無法進行頻譜分析等后處理，利用超波束輸出對常規波束形成結果進行加權（HCBF），既可保證高分辨力，又可保留了波束輸出的相位信息。主要處理步驟如下：

步驟1 對陣元數據進行重疊分段FFT處理；

1）常規波束、超波束與超波束加權輸出對比

目標頻率750 Hz、方位90°，SNR=0 dB。單目標處理的超波束加權輸出結果（HCBF）如圖6所示。

圖 6 單目標超波束加權輸出對比（n=1）Fig. 6Comparison of hyper beam weighted output with simple target（n=1）

目標1頻率750 Hz、方位90°，目標2頻率1 000 Hz、方位95°，SNR=0 dB。多目標處理的超波束加權輸出結果（HCBF）如圖7所示。

圖 7 多目標超波束加權輸出對比（n=1）Fig. 7Comparison of hyper beam weighted output with multi-target（n=1）

由圖6和圖7可以看出，基于超波束加權的方法可以保留超波束的高分辨能力、旁瓣級更低，多目標處理時、對目標旁瓣泄露的抑制能力介于常規波束與超波束的之間，這種泄露是常規波束形成引入的，而且，基于超波束加權的方法可以保留相位信息。

2）寬帶信號處理的適應性

500～1 000 Hz寬帶信號（SNR=0）常規波束、超波束、超波束加權處理能力對比如圖8所示。

圖 8 超波束加權寬帶信號處理（n=1）Fig. 8Hyper beam weighed of wide-band signal process（n=1）

由圖8可以看出，超波束加權處理對寬帶信號同樣具有適應性。

2.2 “V”型陣左右分辨

被動陣列在實際應用中面臨著左右分辨模糊的問題，通常采用雙平行線陣、三/四元組陣列等方法來解決，本文設計的“V”型陣列，如圖9所示。可以解決左右模糊的問題，而且基于超波束加權的方法可以提高左右分辨的能力。這種對模糊方位的抑制能力來源于超波束旁瓣抵消能力。

圖 9 V型陣列Fig. 9V arrays

2段陣列形成120°夾角，對頻率為750 Hz、方位為30°的目標（SNR=0）的左右分辨能力如圖10所示。

由圖10可以看出，“V”型陣常規波束處理對左右分辨的抑制能力約6 dB，而超波束處理會通過旁瓣抵消抑制模糊方位輸出、超波束加權處理會基本保留這種能力，基于超波束、超波束加權處理對左右分辨的抑制能力大大提升。

3 實驗數據處理分析

對岸基光纖陣實際接收的信號進行處理，進一步檢驗基于超波束加權方法的波束銳化能力及左右分辨對模糊方位的抑制能力。

圖 10 V型陣左右分辨能力對比（n=1）Fig. 10Comparison of left-right distinguishing ability of V arrays（n=1）

3.1 波束銳化

實際低信噪比（約-10 dB）情況下，對頻率為500～1 000 Hz、方位為125°的寬帶噪聲源，基于超波束加權的波束輸出銳化效果如圖11所示。

圖 11 實際數據波束銳化效果（n=1）Fig. 11Beam narrowing result of practical data process（n=1）

由圖11可以看出，低信噪比下，基于超波束加權的波束輸出仍可獲得較好的波束銳化能力。

3.2 “V”型陣左右分辨

水底布放的“V”型陣列的夾角約120°，對頻率500～1 000 Hz、方位為122°的寬帶噪聲源的處理結如圖12所示。

由圖12可以看出，基于超波束、超波束加權的“V”型陣列的輸出較常規波束輸出結果對左右模糊方位的抑制能力更好。

由于水底不平整、陣布放背向山體，多途影響明顯，而且陣元位置存在偏差，導致主波束輸出“分裂”、旁瓣偏高及對模糊方位抑制能力減弱，可進行陣形修正以改善處理結果，初步陣形修正后的處理結果如圖13所示。

由圖13可以看出，經初步陣形修正后，主波束輸出“分裂”和旁瓣偏高現象得到改善，對左右模糊抑制能力得到提升。但陣形參數仍然不夠準確，對模糊方位的抑制能力有進一步提升的空間。

圖 12 實際數據V型陣列輸出（n=1）Fig. 12Output of V arrays with practical data process（n=1）

圖 13 陣形修正后的V型陣的輸出（n=1）Fig. 13Output of V arrays with array’s shape correction（n=1）

4 結 語

基于超波束加權的波束輸出，不僅可以保證波束高分辨能力，又能保留波束輸出的相位信息；在“V”型陣列處理中，該方法較常規波束輸出可提升陣列的左右分辨能力。由于被動光纖陣列在實際岸基布放時存在陣形偏差，而高分辨方法需要知道陣元的相對精確位置，應先進行陣形修正再波束輸出，以更好地保證該方法的波束銳化能力及對模糊方位的抑制能力。