張遠(yuǎn)洋羅明愿

（1.海軍工程大學(xué)，武漢，430033；2.第七一五研究所，杭州，310023）

一種基于波束輸出方位變化特性的信號(hào)檢測(cè)方法

張遠(yuǎn)洋1,2羅明愿2

（1.海軍工程大學(xué)，武漢，430033；2.第七一五研究所，杭州，310023）

對(duì)一種可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)檢測(cè)方法進(jìn)行了分析，該方法采用分裂波束進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)向，利用實(shí)時(shí)方位序列方差對(duì)波束輸出進(jìn)行加權(quán)處理，仿真結(jié)果證明該方法有較好的檢測(cè)效果。

信號(hào)檢測(cè)；抗干擾；分裂波束；測(cè)向

由于海洋環(huán)境的多種隨機(jī)不均勻性，聲波經(jīng)過海洋環(huán)境傳輸后，接收到的聲信號(hào)與聲源發(fā)出的聲信號(hào)有著明顯的區(qū)別。聲吶工作者的目標(biāo)是從接收到的聲信號(hào)中檢測(cè)、估計(jì)聲源的距離、方位等信息。由于接收聲信號(hào)與聲源聲信號(hào)的明顯差異導(dǎo)致檢測(cè)、估計(jì)目標(biāo)聲源信息的難度增加。如何從受到干擾的聲信號(hào)中檢測(cè)到聲信號(hào)、并估計(jì)出其方位和距離信息是研究的難點(diǎn)。

在海洋環(huán)境中，通常將目標(biāo)看成點(diǎn)源，具有確定的方位；而環(huán)境噪聲和混響是散布在空間中的各個(gè)方向。更簡(jiǎn)單的描述是，當(dāng)空間中存在明確的點(diǎn)源目標(biāo)時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)得目標(biāo)方位應(yīng)該是確定的，而當(dāng)空間不存在目標(biāo)時(shí)，測(cè)得的方位數(shù)據(jù)應(yīng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，本文利用這一區(qū)別來實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)[1]。

1 信號(hào)檢測(cè)原理

利用波束指向性極大值出現(xiàn)的位置可以確定目標(biāo)的大致方位，但是方位精度是較低的。通常而言，波束都具有一定的寬度，當(dāng)目標(biāo)方位在一定的范圍內(nèi)擺動(dòng)，感官上很難區(qū)分波束輸出值的微小變化。所以要想較精確地確定目標(biāo)方位，應(yīng)該尋求一種對(duì)目標(biāo)方位角的微小變化能作出靈敏反應(yīng)的方法，而分裂波束形成正是這樣的一種方位角精測(cè)系統(tǒng)[2]。如圖1所示的7元圓弧陣，基元在圓周上均勻分布。

圖1 圓弧陣示意圖

利用分裂波束進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)向，圖1所示陣形分成左右半陣，均為4元陣，中間基元復(fù)用。

式中α為兩個(gè)基元間的圓心角，N為基元數(shù)。

假定信號(hào)入射方向?yàn)棣?，左半陣波束主瓣角度?θ，左陣波束輸出為

其中，s(t)=exp{j(2πft)}是入射信號(hào)的波形，ω0為其頻率。τi(θ0)為波束聚焦到θ0方位時(shí)，第i號(hào)基元應(yīng)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)延。τi(θ)為某一基元的延遲。假設(shè)該基元的坐標(biāo)位置為[x,y]，信號(hào)來向?yàn)棣?，該基元相?duì)參考位置的延遲為

其中c為聲速。對(duì)式（2）右端進(jìn)行分解

圖1分解陣形的右半陣波束輸出為

對(duì)式（5）右端進(jìn)行分解有

由式（4）和式（6）即可得到

左半陣和右半陣可以分別看成一個(gè)子陣，那么左半陣和右半陣分別有一個(gè)等效聲中心，此時(shí)可以將左半陣和右半陣當(dāng)成一個(gè)二元陣來處理。d為基元中心間距，ω為信號(hào)角頻率，λ為信號(hào)波長(zhǎng)。由二元陣定向原理可知，當(dāng)信號(hào)來向?yàn)棣葧r(shí)，左基元接收到的信號(hào)相對(duì)于右基元接收到的信號(hào)，相位延遲為φ，其數(shù)學(xué)表達(dá)式見式（9）。當(dāng)θ很小時(shí)，可以認(rèn)為sin(θ)=θ，那么式（9）可以化簡(jiǎn)為式（10）。

圖2 二元陣定向原理

式（7）中的相位即為左半子陣和右半子陣的相位差，利用計(jì)算機(jī)仿真即可測(cè)得信號(hào)來向與左半子陣和右半子陣接收信號(hào)相位差之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以實(shí)時(shí)測(cè)得瞬時(shí)方位。

實(shí)際中由于干擾的存在，不可能接收到純凈的信號(hào)，所以點(diǎn)源瞬時(shí)方位會(huì)存在干擾的影響。通常的做法是對(duì)瞬時(shí)方位序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義上的處理，盡可能減小干擾的影響。這里對(duì)瞬時(shí)方位序列進(jìn)行求解短時(shí)平均值和方差，利用瞬時(shí)方位序列的方差對(duì)波束輸出進(jìn)行加權(quán)處理，以達(dá)到信號(hào)檢測(cè)的目的。

計(jì)算瞬時(shí)方位短時(shí)平均值和方差

利用瞬時(shí)方位方差構(gòu)造權(quán)函數(shù)，對(duì)波束輸出進(jìn)行加權(quán)。

由式（1）～（9）的推導(dǎo)中可知，根據(jù)分離波束原理，對(duì)于每一對(duì)左波束和右波束的樣本點(diǎn)，均可以得到一個(gè)瞬時(shí)的方位值，可以選取5～6個(gè)波長(zhǎng)的樣本點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算方位的短時(shí)平均值和方差。短時(shí)方位平均值和方位方差的實(shí)時(shí)計(jì)算公式如式（13）、（14）。

從式（13）可以看出瞬時(shí)方位短時(shí)平均值可以通過兩次乘法、一次加法和一次減法實(shí)現(xiàn)。從式（14）可以看出瞬時(shí)方位短時(shí)方位方差可以通過一次加法、兩次減法和四次乘法實(shí)現(xiàn)。

2 仿真分析

陣形為18元直線陣，半波長(zhǎng)布陣，頻率為4 kHz，采樣頻率為30 kHz，信號(hào)來向?yàn)?4.5°，輸出的時(shí)域信號(hào)調(diào)制到零頻。圖3～圖10為90°波束兩組信噪比條件下（?13 dB和?20 dB）的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，信噪比為?20 dB的仿真結(jié)果如圖3～6所示，信噪比為?13 dB的仿真結(jié)果如圖7～11。

圖3 常規(guī)波束輸出

圖4 瞬時(shí)方位序列

圖5 瞬時(shí)方位方差倒數(shù)

圖6 經(jīng)瞬時(shí)方位方差倒數(shù)加權(quán)的波束輸出

圖7 常規(guī)波束輸出

圖8 瞬時(shí)方位序列

圖3是信噪比為?20 dB時(shí)常規(guī)波束形成的輸出信號(hào)。圖7為信噪比為?13 dB時(shí)常規(guī)波束形成的輸出信號(hào)。圖4和圖8為相應(yīng)的瞬時(shí)方位序列，可以看到采用分裂波束測(cè)得的瞬時(shí)方位序列被限定在一定的范圍之內(nèi)，即波束形成已經(jīng)對(duì)波束寬度外的干擾進(jìn)行了抑制，這也是波束形成增強(qiáng)信號(hào)抑制干擾的體現(xiàn)。圖5和圖9為瞬時(shí)方位序列方差的倒數(shù)，有信號(hào)段的瞬時(shí)序列方差倒數(shù)明顯小于無信號(hào)段。圖6和圖10為經(jīng)瞬時(shí)方位序列方差倒數(shù)加權(quán)處理結(jié)果。將圖3和圖6進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，信號(hào)檢測(cè)的概率大大增加。

圖9 瞬時(shí)方位方差倒數(shù)

圖10 經(jīng)瞬時(shí)方位方差倒數(shù)加權(quán)的波束輸出

圖11 60°波束輸出

圖12 瞬時(shí)方位序列

圖13 瞬時(shí)方位方差倒數(shù)

圖14 經(jīng)瞬時(shí)方位方差倒數(shù)加權(quán)的波束輸出

圖15 120°波束輸出

圖16 瞬時(shí)方位序列

圖17 瞬時(shí)方位方差倒數(shù)

圖18 經(jīng)瞬時(shí)方位方差倒數(shù)加權(quán)的波束輸出

圖11～圖14為60°的波束輸出，信噪比為?20 dB，圖15～18為120°的波束輸出，信噪比為?20 dB。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)圖6與圖14和圖18有明顯的差異。

3 結(jié)論

文中對(duì)一種信號(hào)檢測(cè)方法進(jìn)行分析，該方法利用檢測(cè)的實(shí)時(shí)方位序列的統(tǒng)計(jì)特征對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，有效地抑制非信號(hào)段的干擾與噪聲，最大限度保留信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)，該方法適用于主動(dòng)窄帶信號(hào)處理。同時(shí)也應(yīng)看到信號(hào)段內(nèi)的噪聲與干擾對(duì)方位輸出序列有顯著的作用，影響了真實(shí)信號(hào)輸出方位的估計(jì)。后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究信號(hào)段的噪聲與干擾的抑制。

[1]梁國(guó)龍.回波信號(hào)瞬時(shí)參數(shù)序列分析及其應(yīng)用研究[D].哈爾濱工程大學(xué),1997.

[2]李啟虎.聲吶信號(hào)處理引論[M].北京: 海洋出版社,1985: 309.