水下超波束形成技术性能仿真研究

赵瑞晅，胡 桥，郝保安

(1.中国船舶重工集团公司第七〇五研究所，陕西西安 710075;2.水下信息与控制重点实验室，陕西 西安 710075）

水下超波束形成技术性能仿真研究

赵瑞晅1，2，胡 桥1，2，郝保安1，2

(1.中国船舶重工集团公司第七〇五研究所，陕西西安 710075;2.水下信息与控制重点实验室，陕西 西安 710075）

基于声呐分裂波束阵列信号处理的特点，对超波束形成(hyper beam forming，HBF）的二维(2D）和三维(3D）算法进行介绍，探讨其工作特性以及影响因子。将HBF技术应用在水下阵列信号处理中，通过仿真计算分析了其分辨能力和分辨特性。研究结果表明:HBF使得主瓣束宽得到锐化，同时旁瓣级也有很大的降低，与常规波束形成技术相比，其分辨能力有较大提高，是一种有广阔应用前景的水下阵列信号处理新方法。

分裂波束;超波束;目标分辨;仿真

0 引言

如何提高对信号来向估计的精确性仍然是设计高性能声呐系统的关键性技术。传统的方法是增加基阵孔径，这就受到了系统硬件系统的限制，从工程领域考虑，为了节约时间和经济成本，需要找到一个在保持自导系统基阵等硬件条件不改动的情况下，提高其分辨性能的方法。

超波束形成 (hyper beam forming，HBF）是阵列信号处理领域内能同时进行波束锐化和旁瓣抑制的新技术，通过算法的适用性改造，将换能器或者换能器基阵分成2组，形成分裂波束并进行超波束算法处理，可在不增加额外硬件的条件下，通过自导系统的软件升级达到减小束宽、抑制旁瓣和栅瓣的目的，从而提高对信号来向估计的精确性。

该算法具有波束主瓣尖锐、抑制旁瓣和栅瓣、降低接收端噪声级等优点，本文将通过理论分析和性能仿真，对其在水声探测系统的应用性能进行系统研究和验证。

1 超波束形成理论

1.1 超波束技术原理

传统的均匀线列阵分裂波束系统如图1所示。

图1 线列阵的分裂波束形成示意图Fig.1 Split beam of uniformity beam

图1中θ为信号的入射角，由1～N的阵元输出求和后得到左波束输出yL，由N+1～2N的阵元输出求和后得到右波束输出yR。

设图1中阵列输入信号为X(t），分别通过左右波束形成的加权向量WL和WR运算，形成同轴向并具有不同声学中心的分裂波束，左右2个子阵的波束输出为

从式(1）可以得到左右2个分裂波束的和波束yS与差波束yD分别为:

不失一般性，以10阵元的等间隔线列阵为例，设预成波束主轴在0°方向，左右各5个阵元形成的分裂波束的和波束与差波束的指向性如图2所示。可以看出，当目标方位偏离预成波束主轴方向时，差波束响应幅值增大，和波束响应幅值减小。

图2 和波束与差波束Fig.2 Sum beam and difference beam

根据差波束在信号入射方向的优良特性，结合和波束 (传统波束）可构造超波束

常规波束与超波束指向性如图3所示。从式(3）和图2可得出，当预成波束方向和信号入射方向相同时，左右2个子阵的波束响应幅值相同;当入射方向和预成方向偏离较大时，和波束响应幅值减小，差波束响应幅值增大，从而使得超波束的输出得到锐化。

图3 常规波束与超波束Fig.3 Conventional beam and hyper beam(n=0.5）

式中:n为超指数;a和b分别为形成和波束的左右2个分裂波束的权重系数 (限定a+b=2），通过调整权重系数可以改变左右2个半波束的均衡性。

1.2 二维和三维超波束形成技术的统一理论框架

上面讨论的都是基于线列阵的情况，实际上，鱼雷自导水声探测中应用较多的都是平面基阵。下面将超波束形成从线列阵扩展成基于平面阵的三维超波束形成。

通常可以将平面阵分为左、右和上、下4个部分。根据式(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分别为:

对于由2个垂直的10元线列阵构成的平面阵，常规波束形成和超波束形成的三维波束如图4和图5所示。

图4 常规波束输出3-D图Fig.4 The 3-D directional patterns of CBF

图5 超波束形成技术波束输出3-D图Fig.5 The 3-D directional patterns of HBF

从图4和图5可看出，相比三维常规波束的输出响应，三维超波束的主瓣宽度得到了极大的降低，同时旁瓣也得到了有效的抑制。因此，基于平面阵的水声探测系统中采用三维超波束形成方法，一方面可以提高系统的检测性能，另一方面可以提升目标方位的估计性能。

2 超波束性能分析

2.1 超指数、波束主轴与波束性能关系

选取10元线列阵进行研究，图6为其超波束的束宽特性与超指数n的关系图。图7和图8为不同超指数情况下超波束输出的3D图。

图6 超指数对波束宽度的影响Fig.6 The directional pattern for different values of a hyper-parameter

图7 超指数n=0.5波束输出3-D图Fig.7 The 3-D directional patterns of HBFwith fixed hyper-parameter(n=0.5）

图8 超指数n=0.3波束输出3－D图Fig.8 The 3－D directional patterns of HBF with fixed hyper-parameter(n=0.3）

不同超指数n对应的束宽和主/旁瓣比如表1所示。

表1 束宽、主/旁瓣比与超指数的关系Tab.1 The beam width and main/side lobe ratio for different values of a hyper-parameter

从表1可看出，随着超指数n的减小，超波束束宽和旁瓣都将逐步下降。通过选择合适的超指数n还能满足设定的束宽要求。得出以下结论:

1）相比三维常规波束的输出响应，三维超波束的主瓣宽度得到了极大的降低，同时旁瓣也得到了有效的抑制;

2）随着超指数n的减小，超波束束宽和旁瓣都将逐步下降。

表2为波束主轴偏离基阵法线方向不同角度时的超波束性能对比情况。

表2 不同波束主轴下的波束性能Tab.2 The relationship between beam angle and beam width

从表2可以看出，随着波束主轴偏离基阵法线方向的逐渐增大，超波束束宽会逐渐变大，但变化范围保持在3°以内，较为恒定。

2.2 超指数、阵元长度与HBF技术分辨性能的关系

下面研究超波束方法的分辨性能。

仿真1:基阵为32(即16λ的阵列长度）元线列阵，阵元间距d=0.5λ，模拟双目标入射角度为－5°和5°。其中常规波束形成采用抑制旁瓣效果较好的切比雪夫加权，设置主旁瓣比为－30 dB。同理，以下的所有CBF仿真均采用这种加权方式。

图9 CBF方法和HBF方法DOA估计功率谱Fig.9 The power spectrum of CBF and HBF

从图9能观察出，HBF处理后的波束明显比CBF束宽窄，而且旁瓣比CBF低30 dB(n=0.5）左右，同时随着超指数n的减小，HBF的波束变窄，旁瓣更低。n=0.3时的旁瓣比n=0.5时的旁瓣低30 dB左右。可以得出以下结论:

1）相比于常规波束形成，超波束HBF对目标的分辨性能大大提高，主瓣更加尖锐，旁瓣更低。

2）超指数n对HBF技术分辨性能影响很大，n越小，分辨波束越窄，旁瓣级越低。

仿真2:基本仿真条件同上，超指数n=0.5，将阵元数M=32与阵元数M=20的仿真结果进行比较。

图10 32阵元和20阵元分辨性能Fig.10 The resolution performance comparison of HBFwith 32-element and 20-element linear array

从图10可看出，32元阵的波束比20阵元的波束更尖锐，而旁瓣级变化不大，基阵孔径会影响HBF算法的分辨能力，其分辨能力随着孔径增大而增强。

3 基于超波束的空间分辨仿真研究

通过前面的理论分析得出，超波束与传统的波束形成方法相比，具有指向性强，旁瓣低，抗干扰性能好等优点。这一节主要通过Matlab仿真实验来讨论超波束分辨技术在水声信号处理中的应用及其性能。

仿真1:假设32元线阵，阵元间距为d，信号波长为λ，阵元间距d=0.5λ;信号中心频率f0=25 kHz，脉冲宽度T=50ms;声速c=1 500 m/s，模拟双目标入射角度分别为－5°和5°。

图11～图13分别为信噪比为10 dB，0 dB，－10 dB时的波束输出响应。图中，水平方向表示空间方位角，垂直方向表示归一化的功率谱估计。

图11 SNR=10 dB时，CBF和HBF比较Fig.11 The resolution performance comparison of CBF and HBF，with SNR=10 dB

图12 SNR=0 dB时，CBF和HBF比较Fig.12 The resolution performance comparison of CBF and HBF，with SNR=0 dB

从图11和图12可看出，在信噪比较好的情况下，CBF方法和HBF方法均能分辨出目标，但是HBF算法的波束宽度更窄，同时旁瓣级较常规方法降低20～30 dB，HBF的分辨性能更好。

图13 SNR=－10 dB时，CBF和HBF比较Fig.13 The resolution performance comparison of CBF and HBF，with SNR=－10 dB

由图13可看出，在低信噪比条件下，常规波束形成的空间分辨能力下降明显，已经不能有效地分辨出目标，而经过HBF技术处理过的仍然能够保持高分辨特性。

图14 32阵元HBF算法分辨性能Fig.14 The resolution performance comparison of HBF with 32－element linear array

仿真2:为了进一步说明HBF算法的能力，基本条件如上，选取信噪比SNR=0 dB，改变模拟双目标的入射角度，观察其分辨能力，如图14所示，在入射角度为－3°和3°时基本达到分辨极限。

4 结语

本文对一种新型的阵列信号处理技术——超波束形成 (HyperBeam）的二维 (2D）和三维 (3D）算法进行了探讨，将该算法应用在水下阵列信号处理中，通过理论分析和性能仿真，对超波束形成技术的波束性能及分辨性能进行系统的分析和研究。结论如下:

1）相较于二维和三维常规波束的输出响应，超波束的主瓣宽度得到了极大的降低，同时旁瓣也得到了有效的抑制，对目标的分辨性能有较大提高;

2）超指数n对HBF性能影响很大，随着超指数n的减小，超波束束宽和旁瓣都将逐步下降，n越小，波束越窄，旁瓣级越低;

3）随着波束主轴偏离基阵法线方向的逐渐增大，超波束束宽逐渐变大，但变化范围保持在3°以内，较为恒定;

4）无论是低信噪比还是高信噪比，HBF的分辨性能相比于常规CBF技术更好。

从上可知，相比于传统波束形成方法，超波束形成技术是一种有广阔应用前景的水下阵列信号处理新方法。

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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

陕西省科学技术研究发展计划资助项目(2010KJXX－09）;中国船舶重工集团公司第七〇五研究所总工程师基金资助项目(CX－1108）

赵瑞晅(1988－），男，硕士研究生，研究方向为声自导信号处理技术。