基于立體陣列的波束形成性能研究

張永海 周湘竹

【摘要】由于淺海聲信道的復(fù)雜性，無論是使用單只水聽器還是普通陣列往往不能得到精確的測(cè)量結(jié)果，本文針對(duì)均勻圓柱陣、均勻球陣兩種立體陣列的波束形成算法性能進(jìn)行仿真，并對(duì)這兩種陣列的性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析和研究

【關(guān)鍵字】波束形成 立體陣列

一、引言

波束形成算法是水聲信號(hào)處理中提高信噪比的一種重要手段。在由多個(gè)水聽器構(gòu)成的陣列中，對(duì)于其中每個(gè)水聽器接收到的信號(hào)都可能是多條聲線的疊加，若能對(duì)各個(gè)水聽器接收到的聲信號(hào)進(jìn)行人為的相位補(bǔ)償，就能夠使整個(gè)陣列輸出接近于目標(biāo)聲源的信號(hào)，以增強(qiáng)期望信號(hào)并對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行衰減。

二、波束形成技術(shù)

日前，波束形成技術(shù)具有很多性能各異的算法，如延遲求和算法、相移算法、MVDR算法、MUSIC算法以及LMS算法等自適應(yīng)算法，同時(shí)水聽器陣列也具有不同的幾何形狀，如一維陣列中的均勻線陣、二維平面陣列巾的矩形陣，十字陣，均勻圓陣等、以及三維陣列中的均勻圓柱陣，雙扭陣，均勻球陣等，不同的波束形成算法和水聽器陣列也各具特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并可實(shí)現(xiàn)不同的功能。

2.1 立體陣列的構(gòu)建

在立體陣列中，均勻網(wǎng)柱陣和均勻球陣都具有良好的對(duì)稱性和旋轉(zhuǎn)特性，因此本文選擇這兩種立體陣列進(jìn)行波束形成性能的仿真和分析。同時(shí)，在對(duì)不同的立體陣列的波束形成性能進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)該盡量使得兩種立體陣的陣列大小和平均陣元最小間距達(dá)到一致，使得這兩種陣列針對(duì)同一頻率的信號(hào)進(jìn)行波束形成時(shí)的性能具有可比性。因此設(shè)計(jì)兩種立體陣列的陣元總數(shù)均為N=80，平均陣元最小間距均在0.5m左右，并呵利用MATLAB中的相應(yīng)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)兩種立體陣列的構(gòu)建。

2.2 波束形成算法的選擇

相移波束形成對(duì)陣列中各個(gè)水聽器接收到的信號(hào)加入相移來實(shí)現(xiàn)波束方向的控制，其將各個(gè)陣元之問的聲程差換算為相位差并補(bǔ)償?shù)礁鱾€(gè)陣元以實(shí)現(xiàn)期望信號(hào)的增強(qiáng)。MVDR算法使得期望信號(hào)無失真地通過波束形成器，同時(shí)利用一部分自由度在干擾方向上形成零陷，使得輸出信號(hào)的方差達(dá)到最小，它具有較高的分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)在增強(qiáng)日標(biāo)信號(hào)的同時(shí)強(qiáng)烈地抑制其他干擾信號(hào)的貢獻(xiàn)。

三、仿真實(shí)驗(yàn)

在MATLAB仿真環(huán)境下，利用建立的遠(yuǎn)場(chǎng)聲源分析模型針對(duì)不同方向匕的入射信號(hào)進(jìn)行波束形成仿真，并對(duì)均勻圓柱陣和均勻球陣的性能進(jìn)行分析和研究。

設(shè)置目標(biāo)信號(hào)為人射角度為[0 60]的單頻信號(hào)，將入射信號(hào)的頻率變化范圍設(shè)置為[100Hz 50kHz]中以5kHz為間隔的多個(gè)頻點(diǎn)，并引入-一個(gè)與日標(biāo)信號(hào)頻率相同的干擾信號(hào)，入射方向?yàn)閇0 70]。

通過在上述頻率點(diǎn)時(shí)對(duì)兩種立體陣列下的波束形成性能進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同的強(qiáng)干擾下的單頻入射信號(hào)，球陣的波束圖分布最均勻，性能也最穩(wěn)定，各個(gè)性能指標(biāo)均能兼顧，旁瓣抑制能力最強(qiáng)，頻率適用范圍最廣，但主瓣寬度在三種陣列中最大且旁瓣級(jí)也是相對(duì)較高的；圓柱陣主瓣寬度較低，旁瓣級(jí)較高，但是隨著頻率提高，最早出現(xiàn)柵瓣，且指向性也變差，在高頻情況下基本喪失指向性，且柵瓣明顯，頻率適用范圍較低。

對(duì)于兩種波束形成方法，MVDR算法能夠很好地抑制干擾方向上的信號(hào)；在主瓣寬度，旁瓣級(jí)，陣增益等性能參數(shù)上，當(dāng)高頻范圍內(nèi)，MVDR算法的性能已經(jīng)很接近于相移算法。

可以進(jìn)一步看出立體陣MVDR波束形成的優(yōu)勢(shì)，它能夠在維持其他性能參數(shù)幾乎不變和增強(qiáng)月標(biāo)方向上信號(hào)的同時(shí)，能夠?qū)Ψ悄繕?biāo)方向上的信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)衰減，這在噪聲測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)也是很明顯的。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)均勻圓柱陣、均勻球陣在相移算法、MVDR算法下的波束形成進(jìn)行了分析和研究，在MATLAB環(huán)境下建立仿真模型，并得到不同立體陣列和波束形成算法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。