張釗輝，彭 圓，莊 瑞，李明達(dá)

(水下測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116013)

0 引 言

波束形成技術(shù)是一種先進(jìn)的前沿技術(shù)，由于其具有靈活的波束控制、高的信號(hào)增益、極強(qiáng)的抗干擾能力及高的空間分辨能力等優(yōu)點(diǎn)［1－2］，被廣泛應(yīng)用于聲吶平臺(tái)的目標(biāo)識(shí)別與定位。波束形成技術(shù)的主要思想是把接收傳感器布置在空間的不同位置上，組成傳感器陣列。在主動(dòng)聲吶中，空間陣列通過對(duì)回波信號(hào)的接收和處理，來提取測量目標(biāo)信號(hào)的主要特征，同時(shí)抑制噪聲和干擾。與一般信號(hào)處理方式的不同之處在于，由于陣列是布置在空間的不同位置，主要利用信號(hào)的時(shí)空域特性來獲得增益并提取信號(hào)的時(shí)空域信息。

本文基于水中目標(biāo)的回波特性，運(yùn)用波束形成技術(shù)，分別對(duì)仿真、實(shí)測得到的各陣元信號(hào)進(jìn)行波束形成，對(duì)波束域信號(hào)進(jìn)行空間譜估計(jì)，獲得目標(biāo)在不同照射角度下的亮點(diǎn)分布情況。以獲取目標(biāo)的亮點(diǎn)分布、方位尺度等特征。

1 波束形成基本原理

由于陣元布放位置的不同，各陣元接收的信號(hào)存在時(shí)延，所以各個(gè)基元的輸出存在差異。常規(guī)波數(shù)形成的基本思想是:通過延時(shí)、移相等方法對(duì)這些差異進(jìn)行補(bǔ)償，再將各基元的信號(hào)求和之后輸出。本文以陣元均勻分布的直線陣為例，介紹波束形成的數(shù)學(xué)模型［3－6］。均勻直線陣是陣列處理中一種非常典型的陣列模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 均勻直線陣模型Fig.1 The model of uniform linear array

假定直線陣由M 個(gè)陣元構(gòu)成，陣元間距為d，聲波信號(hào)入射方向角為θ，以坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn)。設(shè)第i 個(gè)陣元的接收信號(hào)為:

式中:θ 為信號(hào)入射角;τi為第i 路信號(hào)的延時(shí)。當(dāng)θ=0° 時(shí)，即信號(hào)以垂直方向入射到各個(gè)陣元，只需將各陣元接收到的信號(hào)相加，便可得到輸出s(t);當(dāng)θ 不等于0°時(shí)，那么第i 路信號(hào)經(jīng)延時(shí)τi(θ)之后就變成si［t+τ(θ)－τi(θ)］，系統(tǒng)輸出［1，5］可表示為:

對(duì)D(θ)歸一化，即可得到陣列的指向性函數(shù)。

設(shè)參考陣元處接收到的信號(hào)為Acos(ωt)，一般情況下，取d=λ /2，則第i 個(gè)陣元接收信號(hào)的相位差為:

所以可得各陣元的輸出［2］為

由于各個(gè)陣元接收信號(hào)得相位差不同，因此輸出得到的幅度不同。根據(jù)上面分析，得到陣列的輸出為:

當(dāng)θ=0°，Δφ=0 時(shí)，輸出取極大值主瓣方向。

綜上所述，常規(guī)波束形成的原理可以描述為:多個(gè)陣元組成的陣列中，對(duì)每個(gè)陣元接收的信號(hào)進(jìn)行時(shí)延或相移的補(bǔ)償，得到所期望方向的入射信號(hào)相加。常規(guī)波束形成框圖如圖2所示。

圖2 常規(guī)波束形成方框圖Fig.2 Conventional beamforming block diagram

圖3 為1 組仿真數(shù)據(jù)，分別為10 元均勻直線陣中單水聽器輸出和經(jīng)過波束形成處理之后的信號(hào)輸出。從圖中可以看到，輸出信號(hào)在做完波束形成后，旁瓣得到很好的抑制。

圖3 波束形成處理前后信號(hào)對(duì)比圖Fig.3 Beam forming signal before and after treatment comparison chart

2 空間譜特征提取

在時(shí)域信號(hào)中，時(shí)域信號(hào)頻譜表示的是信號(hào)在不同頻率上的能量分布情況，而在時(shí)空域信號(hào)中，信號(hào)的空間譜表示的是信號(hào)在空間不同方向上的能量分布。由于空間譜估計(jì)技術(shù)具有超高的分辨力［5］，所以其常被稱為超分辨普估計(jì)。在處理時(shí)空域信號(hào)時(shí)，經(jīng)常通過計(jì)算信號(hào)的空間譜獲得信號(hào)的波達(dá)方向。文獻(xiàn)［4］中，對(duì)時(shí)域信號(hào)和空域信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)比較，如表1所示。通過比較，可以詳細(xì)了解空域信號(hào)的特點(diǎn)。

表1 時(shí)域信號(hào)與空域信號(hào)比較Tab.1 Compare with time-domain signal and airspace signal

在主動(dòng)聲吶中，一般認(rèn)為目標(biāo)回波是由布放在不同方位的空間目標(biāo)反射點(diǎn)形成的，由于反射點(diǎn)的強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于背景的反射強(qiáng)度，在測量中，可以通過多波束觀察波數(shù)覆蓋范圍之內(nèi)的亮點(diǎn)分布情況來判定目標(biāo)的方位和尺度等信息。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

基于以上介紹的理論知識(shí)，分別進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)測數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行相應(yīng)分析和論證。

3.1 仿真分析

應(yīng)用Matlab 軟件，仿真陣列接收信號(hào)，采用26元水平陣，陣元間距5 mm。對(duì)回波信號(hào)作波束形成，得到照射角度分別為0°，45°，90°(正橫位置)，180°標(biāo)各部位亮點(diǎn)在方位－距離平面上的分布。在圖3 中，陣元接收信號(hào)是根據(jù)板塊元計(jì)算方法得到的某潛艇模型回波信號(hào)，仿真計(jì)算中設(shè)計(jì)的信號(hào)形式為160 kHz，脈沖寬度為0.03 μm 的CW 脈沖信號(hào)。利用窄帶波束形成方法，可以得到目標(biāo)模型在不同入射角度時(shí)的二維亮點(diǎn)圖像。

由于仿真數(shù)據(jù)是在沒有干擾的理想狀態(tài)下進(jìn)行的，所以可以清晰地看到目標(biāo)的亮點(diǎn)分布。由于在0°和180°方向目標(biāo)回波強(qiáng)度最大，所以亮點(diǎn)明顯。而在照射角為90°(正衡方向)時(shí)，由于波束照射面積限制，目標(biāo)回波強(qiáng)度較小。

3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

由于水中環(huán)境比較復(fù)雜，干擾較多，所以給水中目標(biāo)的識(shí)別帶來很大困難［6］。采用相同的陣型和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到照射角度分別為0°，45°，90°(正橫位置)，180°的回波信號(hào)的亮點(diǎn)分布。圖4 為實(shí)測數(shù)據(jù)的目標(biāo)亮點(diǎn)分布圖。如圖所示，雖然存在許多干擾，背景比較復(fù)雜，但仍然能獲得被測目標(biāo)亮點(diǎn)分布特性。

圖4 不同照射角下目標(biāo)回波亮點(diǎn)分布圖(仿真)Fig.4 The highlights distribution of target echo under different angle(simulation)

圖5 不同照射角下目標(biāo)回波亮點(diǎn)分布圖(實(shí)測)Fig.5 The highlights distribution of target echo under different angle(measured)

與仿真數(shù)據(jù)相似，照射角為0°時(shí)，信號(hào)縱向照射范圍最大，目標(biāo)亮分布最明顯;照射角度為90°即正衡位置時(shí)，縱向照射角度最小，模型目標(biāo)的亮點(diǎn)分和干擾混雜在一起，區(qū)分效果較差。

4 結(jié) 語

本文主要對(duì)水中目標(biāo)的亮點(diǎn)分布特性進(jìn)行研究，并分別進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)目標(biāo)不同旋角，以及姿態(tài)的變換，獲得目標(biāo)亮點(diǎn)分布圖，并進(jìn)一步獲得目標(biāo)的亮點(diǎn)分布以及方位姿態(tài)等特征，取得較好的效果。

［1］盧迎春，桑恩芳．基于主動(dòng)聲吶的水下目標(biāo)特征提取綜述［J］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，18(6):43－54．

LU Ying-chun，SANG En-fang．Feature extraction techniques of under water objects base on active sonar-An overview［J］．Journal of Harbin Engineering University，1997，18(6):43－54．

［2］楊蕾．時(shí)延、相移波束形成技術(shù)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2004．

YANG Lei．Research of time-delay and phase-shift beamforming technology［D］．Harbin:Harbin Engineering University，2004．

［3］田坦，劉國枝，孫大軍．聲吶技術(shù)［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000．

［4］王永良，陳輝，彭應(yīng)寧，等．空間譜估計(jì)理論與算法［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1984．

［5］CURTIS T E，WARD R J．Digital beamforming for sonar radar and signal processing［Z］．1980．

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