水下超波束形成技術性能仿真研究

趙瑞晅，胡 橋，郝保安

(1.中國船舶重工集團公司第七〇五研究所，陜西西安 710075;2.水下信息與控制重點實驗室，陜西 西安 710075）

水下超波束形成技術性能仿真研究

趙瑞晅1，2，胡 橋1，2，郝保安1，2

(1.中國船舶重工集團公司第七〇五研究所，陜西西安 710075;2.水下信息與控制重點實驗室，陜西 西安 710075）

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

分裂波束;超波束;目標分辨;仿真

0 引言

如何提高對信號來向估計的精確性仍然是設計高性能聲吶系統(tǒng)的關鍵性技術。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，從工程領域考慮，為了節(jié)約時間和經(jīng)濟成本，需要找到一個在保持自導系統(tǒng)基陣等硬件條件不改動的情況下，提高其分辨性能的方法。

超波束形成 (hyper beam forming，HBF）是陣列信號處理領域內(nèi)能同時進行波束銳化和旁瓣抑制的新技術，通過算法的適用性改造，將換能器或者換能器基陣分成2組，形成分裂波束并進行超波束算法處理，可在不增加額外硬件的條件下，通過自導系統(tǒng)的軟件升級達到減小束寬、抑制旁瓣和柵瓣的目的，從而提高對信號來向估計的精確性。

該算法具有波束主瓣尖銳、抑制旁瓣和柵瓣、降低接收端噪聲級等優(yōu)點，本文將通過理論分析和性能仿真，對其在水聲探測系統(tǒng)的應用性能進行系統(tǒng)研究和驗證。

1 超波束形成理論

1.1 超波束技術原理

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。

設圖1中陣列輸入信號為X(t），分別通過左右波束形成的加權向量WL和WR運算，形成同軸向并具有不同聲學中心的分裂波束，左右2個子陣的波束輸出為

從式(1）可以得到左右2個分裂波束的和波束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，設預成波束主軸在0°方向，左右各5個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?？梢钥闯?，當目標方位偏離預成波束主軸方向時，差波束響應幅值增大，和波束響應幅值減小。

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

根據(jù)差波束在信號入射方向的優(yōu)良特性，結合和波束 (傳統(tǒng)波束）可構造超波束

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，當預成波束方向和信號入射方向相同時，左右2個子陣的波束響應幅值相同;當入射方向和預成方向偏離較大時，和波束響應幅值減小，差波束響應幅值增大，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個分裂波束的權重系數(shù) (限定a+b=2），通過調(diào)整權重系數(shù)可以改變左右2個半波束的均衡性。

1.2 二維和三維超波束形成技術的統(tǒng)一理論框架

上面討論的都是基于線列陣的情況，實際上，魚雷自導水聲探測中應用較多的都是平面基陣。下面將超波束形成從線列陣擴展成基于平面陣的三維超波束形成。

通?？梢詫⑵矫骊嚪譃樽蟆⒂液蜕?、下4個部分。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:

對于由2個垂直的10元線列陣構成的平面陣，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，三維超波束的主瓣寬度得到了極大的降低，同時旁瓣也得到了有效的抑制。因此，基于平面陣的水聲探測系統(tǒng)中采用三維超波束形成方法，一方面可以提高系統(tǒng)的檢測性能，另一方面可以提升目標方位的估計性能。

2 超波束性能分析

2.1 超指數(shù)、波束主軸與波束性能關系

選取10元線列陣進行研究，圖6為其超波束的束寬特性與超指數(shù)n的關系圖。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對應的束寬和主/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。通過選擇合適的超指數(shù)n還能滿足設定的束寬要求。得出以下結論:

1）相比三維常規(guī)波束的輸出響應，三維超波束的主瓣寬度得到了極大的降低，同時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的超波束性能對比情況。

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)、陣元長度與HBF技術分辨性能的關系

下面研究超波束方法的分辨性能。

仿真1:基陣為32(即16λ的陣列長度）元線列陣，陣元間距d=0.5λ，模擬雙目標入射角度為－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，設置主旁瓣比為－30 dB。同理，以下的所有CBF仿真均采用這種加權方式。

圖9 CBF方法和HBF方法DOA估計功率譜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，同時隨著超指數(shù)n的減小，HBF的波束變窄，旁瓣更低。n=0.3時的旁瓣比n=0.5時的旁瓣低30 dB左右?？梢缘贸鲆韵陆Y論:

1）相比于常規(guī)波束形成，超波束HBF對目標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HBF技術分辨性能影響很大，n越小，分辨波束越窄，旁瓣級越低。

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的仿真結果進行比較。

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，而旁瓣級變化不大，基陣孔徑會影響HBF算法的分辨能力，其分辨能力隨著孔徑增大而增強。

3 基于超波束的空間分辨仿真研究

通過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，旁瓣低，抗干擾性能好等優(yōu)點。這一節(jié)主要通過Matlab仿真實驗來討論超波束分辨技術在水聲信號處理中的應用及其性能。

仿真1:假設32元線陣，陣元間距為d，信號波長為λ，陣元間距d=0.5λ;信號中心頻率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時的波束輸出響應。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。

圖11 SNR=10 dB時，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，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，但是HBF算法的波束寬度更窄，同時旁瓣級較常規(guī)方法降低20～30 dB，HBF的分辨性能更好。

圖13 SNR=－10 dB時，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，而經(jīng)過HBF技術處理過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:為了進一步說明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°時基本達到分辨極限。

4 結語

本文對一種新型的陣列信號處理技術——超波束形成 (HyperBeam）的二維 (2D）和三維 (3D）算法進行了探討，將該算法應用在水下陣列信號處理中，通過理論分析和性能仿真，對超波束形成技術的波束性能及分辨性能進行系統(tǒng)的分析和研究。結論如下:

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

2）超指數(shù)n對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，超波束形成技術是一種有廣闊應用前景的水下陣列信號處理新方法。

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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

陜西省科學技術研究發(fā)展計劃資助項目(2010KJXX－09）;中國船舶重工集團公司第七〇五研究所總工程師基金資助項目(CX－1108）

趙瑞晅(1988－），男，碩士研究生，研究方向為聲自導信號處理技術。