錢韜

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線陣分裂波束處理技術(shù)在水聲探測(cè)中的應(yīng)用

錢韜

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海201108)

聲吶波束形成處理通常輸出各個(gè)方位上的目標(biāo)能量信息，利用指向性極大值位置給出目標(biāo)的大致方位。為了得到更加精確的目標(biāo)方位估計(jì)，需要尋找對(duì)目標(biāo)方位微小變化作出靈敏反應(yīng)的物理量。分裂波束處理所輸出的各個(gè)方位二子陣的相位差信息，對(duì)方位變化十分靈敏，其測(cè)向精度接近于克拉美羅下界，不需增加太大運(yùn)算量即可顯著提高聲吶系統(tǒng)測(cè)向精度，在水聲中得到了廣泛研究和應(yīng)用。對(duì)線陣分裂波束處理在水聲探測(cè)中不同的應(yīng)用進(jìn)行了梳理和總結(jié)，重點(diǎn)闡述了基于分裂陣半波束處理的被動(dòng)聲吶寬帶相關(guān)檢測(cè)、主動(dòng)聲吶相位單元化處理、超波束形成和水下慢速目標(biāo)相位差空時(shí)方差自動(dòng)檢測(cè)跟蹤(Automatic Detection and Tracking, ADT)技術(shù)的原理、處理流程和結(jié)果。

水聲探測(cè)；分裂陣；分裂波束處理

0 引言

分裂陣半波束處理[1]技術(shù)作為經(jīng)典陣列處理技術(shù)，其定向精度接近于克拉美羅下界，不需增加太大運(yùn)算量即可顯著提高聲吶系統(tǒng)測(cè)向精度，因此在水聲中得到了廣泛研究和應(yīng)用。由其延伸出的各種處理技術(shù)在聲吶設(shè)備中均有成功應(yīng)用，包括：寬帶相關(guān)檢測(cè)用于被動(dòng)聲吶多目標(biāo)檢測(cè)[2-3]；相位單元化處理用于主動(dòng)聲吶混響抑制[4]；相位差空時(shí)方差自動(dòng)檢測(cè)跟蹤用于蛙人探測(cè)聲吶[5]；相位檢測(cè)法用于多波束條帶測(cè)深儀[6-7]；互相關(guān)/互譜法用于聲吶目標(biāo)精確測(cè)向[8]；視在方位序列分析用于水下目標(biāo)尺度識(shí)別[9-13]；超波束形成技術(shù)用于聲吶目標(biāo)檢測(cè)[14-20]等等。

以上典型的聲吶陣列處理技術(shù)均是分裂波束處理的具體應(yīng)用實(shí)例，其共同點(diǎn)是把接收陣列分為具有一定空間距離的不同子陣，對(duì)各子陣分別進(jìn)行波束形成處理，利用不同子陣波束輸出估計(jì)目標(biāo)信號(hào)到達(dá)不同子陣的相位差信息。不同應(yīng)用實(shí)例是根據(jù)各自應(yīng)用需求對(duì)相位差信息進(jìn)行后置處理，提取滿足聲吶使用需求的特征信息。本文對(duì)分裂陣半波束處理時(shí)參考基元選取進(jìn)行了討論，同時(shí)對(duì)不同聲吶基于相位差信息處理的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行梳理討論，重點(diǎn)給出被動(dòng)聲吶寬帶相關(guān)檢測(cè)、主動(dòng)聲吶相位單元化處理、超波束形成技術(shù)和水下慢速目標(biāo)相位差空時(shí)方差A(yù)DT(Automatic Detection and Tracking, ADT)的技術(shù)原理、處理流程和結(jié)果。目前對(duì)寬帶相關(guān)檢測(cè)[2-3]和相位單元化處理[4]進(jìn)行了較充分的研究和仿真，用實(shí)際海試數(shù)據(jù)處理取得了良好效果，已在實(shí)際聲吶中得到工程實(shí)用；對(duì)超波束形成技術(shù)[14-20]進(jìn)行了仿真研究工作；對(duì)水下慢速目標(biāo)相位差空時(shí)方差A(yù)DT技術(shù)[5]正在積極消化研究階段。

1 分裂陣處理參考基元選取

線陣分裂波束處理可有效提高聲吶性能的原理，在于二子陣的相位差(時(shí)延差)對(duì)目標(biāo)方位角的微小變化響應(yīng)很靈敏，這里給出分裂子陣選取不同參考陣基元時(shí)二子陣相位差與目標(biāo)方位角的關(guān)系。參考基元選取主要有兩種方式，一是二子陣各陣元均以同一陣基元為參考點(diǎn)進(jìn)行相位補(bǔ)償，二是以各子陣聲中心為參考基元，兩種參考基元選取方法本質(zhì)上沒有不同，僅影響子陣間相位差信息的具體表達(dá)，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選取。這里以均勻線陣為例(分裂子陣劃分如圖1所示)，設(shè)陣元數(shù)為，陣元間距為，聲速為，入射聲波頻率為，入射聲波與線陣之間夾角為。

左右子陣分別以1號(hào)、(/2)+1號(hào)陣元為參考點(diǎn)時(shí)，左右波束輸出相位差為

(2)

根據(jù)公式(1)，除陣元間距、陣元數(shù)、信號(hào)頻率外，相位差信息主要取決于信號(hào)實(shí)際入射方向與預(yù)成主波束方向間的角度余弦的差值，當(dāng)預(yù)成主波束方位與信號(hào)入射方向接近時(shí)，相位差為接近于0°的小量。這種參考陣元選取方法常用于寬帶相關(guān)檢測(cè)[1]、超波束形成技術(shù)[14-20]、相位差空時(shí)方差A(yù)DT技術(shù)[5]、半波束相位單元化處理[4]、視在方位序列分析[9-13]、窄帶信號(hào)分裂陣高精度定位相位檢測(cè)法[6-7]等。

根據(jù)公式(2)，除陣元間距、數(shù)目、信號(hào)頻率外，相位差信息主要取決于信號(hào)實(shí)際入射方向，盡管公式(2)中相位差理論計(jì)算值與預(yù)成主波束無(wú)關(guān)，但是，兩者相差較大時(shí)會(huì)降低左右波束的輸出信噪比，進(jìn)而影響相位差估計(jì)精度。實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)在目標(biāo)方位附近選取預(yù)成波束進(jìn)行相位差估計(jì)。這種參考基元選取方法主要用于互相關(guān)測(cè)向。

2 分裂陣半波束處理的應(yīng)用研究

2.1 寬帶相關(guān)檢測(cè)技術(shù)

被動(dòng)聲吶寬帶檢測(cè)是利用能量積分或互相關(guān)技術(shù)檢測(cè)波束形成器輸出信號(hào)。能量檢測(cè)時(shí)陣增益為，其平方積分器增益是5lg?；ハ嚓P(guān)檢測(cè)時(shí)陣增益為，其半波束相關(guān)檢測(cè)增益為5lg(2)。因此互相關(guān)檢測(cè)器與能量檢測(cè)器相比總的處理增益減小1.5 dB，它提供典型的1/10波束分辨率的方位測(cè)量信息，這是為了提高多目標(biāo)方位分辨力所付出的一點(diǎn)代價(jià)[1]，雙目標(biāo)分辨力理論計(jì)算公式為[8]

被動(dòng)聲吶寬帶相關(guān)檢測(cè)主要處理流程包括：

(1) 將接收陣等分為兩個(gè)子陣，對(duì)雙子陣分別進(jìn)行波束形成得到左右波束輸出頻譜；

(2) 將左右波束頻譜進(jìn)行互譜運(yùn)算；

(3) 對(duì)互譜進(jìn)行平滑相干變換，權(quán)值為

(4) 對(duì)平滑相干處理后互譜做IFFT運(yùn)算得到一組時(shí)延值，選取預(yù)成波束角度附近的相關(guān)值作為波束輸出。

寬帶相關(guān)檢測(cè)實(shí)際處理性能會(huì)受到背景噪聲、波束輸出信噪比等因素影響，當(dāng)二子陣波束海洋環(huán)境噪聲具有明顯的相關(guān)性、輸出信噪比較低時(shí)，互譜法估計(jì)二子陣時(shí)延誤差較大，檢測(cè)性能下降明顯。圖2(a)、2(b)分別給出海試試驗(yàn)中多目標(biāo)數(shù)據(jù)的寬帶能量和寬帶相關(guān)檢測(cè)結(jié)果，其中數(shù)據(jù)為48元均勻線陣在海上錄取獲得。對(duì)比可以給出在相同處理頻帶范圍內(nèi)，寬帶相關(guān)檢測(cè)目標(biāo)方位分辨力更高，可有效改善多目標(biāo)交叉或鄰近時(shí)的目標(biāo)檢測(cè)能力。

2.2 半波束相位單元化處理

主動(dòng)聲吶半波束相位單元化處理是將半波束與匹配濾波處理結(jié)合應(yīng)用。該方法除了能獲得較高的測(cè)向精度外，還可根據(jù)子陣間的相位差關(guān)系將匹配濾波輸出進(jìn)行精細(xì)化處理，對(duì)主波束范圍以外的輸出直接刪除，對(duì)主波束范圍內(nèi)的輸出分成若干相位單元，將背景干擾能量按空間方位進(jìn)一步分割，而作為目標(biāo)輸出信號(hào)只能落入某一個(gè)特定單元，從而有效提高了信噪(混)比。主動(dòng)聲吶半波束相位單元化處理主要流程：

(1) 對(duì)左右子陣波束輸出分別進(jìn)行匹配濾波，對(duì)兩路輸出相加形成全波束，同時(shí)輸出兩路間的相位差；

(2) 根據(jù)實(shí)際波束寬度和相位估計(jì)精度確定所劃分的相位單元；

(3) 利用相位差估計(jì)值將每一個(gè)距離元信號(hào)都放在某一個(gè)相應(yīng)的相位單元中，對(duì)超過(guò)相位差范圍的距離元信號(hào)置零。

(4) 將各相位單元輸出按距離-細(xì)方位的B式顯示方式形成主動(dòng)聲吶檢測(cè)圖像。

圖3(a)、3(b)分別給出海試試驗(yàn)中主動(dòng)聲吶目標(biāo)回波數(shù)據(jù)在相位單元化處理前后的方位-距離圖，其中數(shù)據(jù)為64元均勻線陣在海上錄取獲得。對(duì)比可以看出相位單元化處理在回波方位精度、背景干擾抑制方面明顯優(yōu)于常規(guī)處理。

2.3 超波束形成技術(shù)

超波束技術(shù)(Hyper BeamForming, HBF)[14-20]作為一種新的高分辨波束形成方法，在陣列尺寸一定的條件下，能夠同時(shí)降低主波束寬度和旁瓣大小，從而提高目標(biāo)檢測(cè)能力和定位精度。HBF是基于兩個(gè)對(duì)稱子陣的波束形成結(jié)果得到，主要處理流程包括：

(1) 將接收線陣等分成的左、右兩個(gè)子陣，分別進(jìn)行波束形成得到和；

(2) 由左右波束輸出結(jié)果得到“和”波束與“差”波束，記為和：

(6)

(3) 將“和”波束與“差”波束相減或者相比來(lái)抵消旁瓣得到超波束輸出為

式中，為超波束指數(shù)。隨著的改變，超波束的波束寬度可以變窄或增寬，可以證明，當(dāng)=2時(shí)，超波束指向性圖與常規(guī)波束形成相同。

圖4(a)、4(b)分別給出仿真實(shí)驗(yàn)中等強(qiáng)度和不等強(qiáng)度的雙目標(biāo)CBF和HBF方位譜，其數(shù)據(jù)由10 元均勻線陣仿真得到。對(duì)比可以看出，HBF能夠正確地將等強(qiáng)度雙目標(biāo)分辨開來(lái)，同時(shí)有效抑制強(qiáng)目標(biāo)旁瓣泄漏對(duì)弱目標(biāo)的影響。

2.4 水下慢速目標(biāo)的相位差空時(shí)方差A(yù)DT技術(shù)

日本Tokyo大學(xué)Fumitaka MAEDA等人與丹麥RESON公司合作研發(fā)用于港口警戒聲吶的信息處理技術(shù)[5]，利用水下慢速目標(biāo)與噪聲、混響、靜止目標(biāo)、尾流氣泡的相位差空時(shí)方差特征差異完成目標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)和跟蹤。相位差空時(shí)方差A(yù)DT技術(shù)主要處理流程包括：

(1) 利用左右子陣波束輸出得到單周期相位差隨時(shí)間(距離)的變化曲線；

(2) 對(duì)單周期相位差曲線進(jìn)行連續(xù)保存；

(3) 利用連續(xù)多周期相位差曲線估計(jì)空時(shí)方差；

(4) 利用空時(shí)方差門限對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

圖5(a)、5(b)分別為文獻(xiàn)[5]給出的蛙人目標(biāo)數(shù)據(jù)的相位差空時(shí)方差A(yù)DT和常規(guī)能量輸出結(jié)果。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)能量檢測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的各種雜波抑制處理效果有限，基于相位差空時(shí)方差處理可以極大改善近程警戒聲吶的顯示效果。圖5(b) 中-30°~0°范圍內(nèi)的強(qiáng)目標(biāo)與運(yùn)動(dòng)蛙人相比，相位差空時(shí)方差小，采用相位差空時(shí)方差A(yù)DT技術(shù)后各種雜波得到有效抑制。

3 結(jié)論

本文對(duì)分裂波束處理技術(shù)在水聲探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了綜合介紹。重點(diǎn)闡述了基于線陣分裂波束處理的被動(dòng)聲吶寬帶相關(guān)檢測(cè)、主動(dòng)聲吶相位單元化處理、超波束形成和水下慢速目標(biāo)相位差空時(shí)方差A(yù)DT技術(shù)的原理、處理流程和結(jié)果，指出線陣分裂波束處理可有效提升聲吶性能。

[1] Waite A D. 王德石譯. 實(shí)用聲吶工程[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004: 169.

Waite A D. Sonar for practising engineers[M]. Beijing: Publishing House of Electonics Industry, 2004: 129-169.

[2] MA Qiming, ZHOU Lisheng, DU Shuanping. Research of the weak signal detection algorithm for tow sonar based on the phase difference of the sub-array beam output[C]// UDT 2009 Europe.

[3] David A Miles, David Kirk, Timothy Clarke. A statistical analysis of the detection performance of a broadband splitbeam passive sonar[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2006, 31(4): 986-996.

[4] 朱偉,沈文苗. 基于相位單元化處理的混響抑制方法[J]. 聲學(xué)與電子工程, 2010(4): 21-24.

ZHU Wei, SHEN Wenmiao. A reverberation suppression method based on phase binning process[J]. Acoustics and Electronics Engineering, 2010(4): 21-24.

[5] MAEDA Fumitaka, KURAMOTO Kazuoki. Development of underwater low-speed moving target detection using spatiotemporal variance of phase difference for port surveillance sonar[J]. J. Marine Acoust. Soc. Jpn, 2010, 37(1): 34-45.

[6] Xavier Lurton. Swath bathymetry using phase difference: theoretical analysis of acoustical measurement precision[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2000, 25(3): 351-363.

[7] 聶良春, 朱琦, 李海森. 幅度-相位聯(lián)合檢測(cè)法在多波束測(cè)深系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2005, 24(2): 85-88.

NIE Liangchun, ZHU Qi, LI Haisen. Research on application of amplitude-phase detection method in multi-beam bathymetry system[J]. Technical Acoustics, 2005, 24(2): 85-88.

[8] Stergios Stergiopoulos, Anthony T. Ashley. An experimental evaluation of split-beam processing as a broadband bearing estimator for line array sonar systems[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1997, 102(6), 3556-3563.

[9] 陳春玉. 尺度目標(biāo)識(shí)別中的若干技術(shù)問(wèn)題[J]. 魚雷技術(shù), 2003, 11(3): 9-13.

CHEN Chunyu. Some technical problems in target scale recognition[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(3), 9-13.

[10] 趙智勇, 才振華. 線陣聲誘餌對(duì)抗具有尺度識(shí)別能力魚雷的分析與仿真[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2011, 30(6): 493-495.

ZHAO ZhiyongCAI Zhenhua. Simulation and analysis of acoustic linear array decoy for counterworking the torpedo with target scale recognition capability[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(6): 493-495.

[11] 石勇, 石敏, 蔣興舟, 等. 基于方位走向識(shí)別目標(biāo)尺度的仿真與特性分析[J]. 魚雷技術(shù), 2003, 11(1): 27-30.

SHI Yong, SHI Min, JIANG Xingzhou, et al. Simulation and characteristic analysis of target scale recognition based on bearing trend[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(1), 27-30.

[12] 石敏, 陳立綱, 蔣興舟, 等. 具有亮點(diǎn)和方位延展特征的線列陣聲誘餌研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 17(1): 58-62.

SHI Min, CHEN Ligang, JIANG Xingzhou, et al. On linear array acoustic bait with light spot and azimuth-range extension feature[J]. Journal of Naval Universityof Engineering, 2005, 17(1): 58-62.

[13] 馬國(guó)強(qiáng), 徐德民, 王新曉. 基于目標(biāo)方位走向的水下目標(biāo)尺度識(shí)別技術(shù)研究仿真[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2004, 26(3): 39-42.

MA Guoqiang, XU Demin, WANG Xinxiao.Research and simulation of underwater target scale recognition based on bearing trend[J]. Ship Science and Technology, 2004, 26(3): 39-42.

[14] Hriko Schlieter．Passive sonar detection improvement by Hyperbeam technique[C]// Proceedings UDT Europe, 2006.

[15] Heiko Schlieter, Holger Eigenbrod. Method for the formation of radiated beams in direction finder systems[P]. USA: 6021096, 2000.

[16] Toshihiro Sezai. Method for processing an antenna pattern[P]. USA: 5248984, 1993.

[17] Toshihiro Sezai．Method of performing beam compression process on antenna pattern of radar[P]. USA: 5485162, 1996.

[18] Heiko Schlieter. Method for three-dimensional beam forming in direction finding systems[P]. USA: 6178140, 2001.

[19] Sezal Toshihiro. Processing method for antenna patterns[P]. Europe: EP0540249, 1993.

[20] Toshihiro Sezai. Processing method for antenna pattern[P]. USA: US5268697, 1993.

Application of split-beam processing of line array in underwater acoustic detection

QIAN Tao

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108,China)

The outputs of sonar beamformer represent the target power information in all directions and the peak position of directivity is used as the target’s approximate azimuth. It is necessary to find an appropriate parameter, which is sensitive to the tiny change of azimuth, to obtain accurate target’s azimuth.The phase difference in every azimuth given bytwo sub array can be used to estimate the azimuth close to Cramer-Rao low boundary, and the accuracy of direction finding of sonar system can be obviously improved without much operation. So far the half beam processing technique of split-array has been widely researched and applied. The different applications of this technique in underwater acoustics equipment, such as the wideband cross-correlation detection in passive sonar, phase binning processing in active sonar，HBF and ADT with variance of phase difference,are mainly discussed and summarized in this paper with principles,processing flows and results.

acoustic detection;split-array; split-beam processing.

TB556

A

1000-3630(2015)-06-0551-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.016

2015-01-07;

2015-03-11

錢韜(1982－), 男, 江蘇宜興人, 工程師, 研究方向?yàn)樗暟l(fā)射技術(shù)與水聲信號(hào)處理。

錢韜, E-mail: qiantao726@aliyun.com