基于立体阵列的波束形成性能研究

张永海 周湘竹

【摘要】由于浅海声信道的复杂性，无论是使用单只水听器还是普通阵列往往不能得到精确的测量结果，本文针对均匀圆柱阵、均匀球阵两种立体阵列的波束形成算法性能进行仿真，并对这两种阵列的性能特点进行了分析和研究

【关键字】波束形成 立体阵列

一、引言

波束形成算法是水声信号处理中提高信噪比的一种重要手段。在由多个水听器构成的阵列中，对于其中每个水听器接收到的信号都可能是多条声线的叠加，若能对各个水听器接收到的声信号进行人为的相位补偿，就能够使整个阵列输出接近于目标声源的信号，以增强期望信号并对干扰信号进行衰减。

二、波束形成技术

日前，波束形成技术具有很多性能各异的算法，如延迟求和算法、相移算法、MVDR算法、MUSIC算法以及LMS算法等自适应算法，同时水听器阵列也具有不同的几何形状，如一维阵列中的均匀线阵、二维平面阵列巾的矩形阵，十字阵，均匀圆阵等、以及三维阵列中的均匀圆柱阵，双扭阵，均匀球阵等，不同的波束形成算法和水听器阵列也各具特点和优势，并可实现不同的功能。

2.1 立体阵列的构建

在立体阵列中，均匀网柱阵和均匀球阵都具有良好的对称性和旋转特性，因此本文选择这两种立体阵列进行波束形成性能的仿真和分析。同时，在对不同的立体阵列的波束形成性能进行研究时，应该尽量使得两种立体阵的阵列大小和平均阵元最小间距达到一致，使得这两种阵列针对同一频率的信号进行波束形成时的性能具有可比性。因此设计两种立体阵列的阵元总数均为N=80，平均阵元最小间距均在0.5m左右，并呵利用MATLAB中的相应函数来实现两种立体阵列的构建。

2.2 波束形成算法的选择

相移波束形成对阵列中各个水听器接收到的信号加入相移来实现波束方向的控制，其将各个阵元之问的声程差换算为相位差并补偿到各个阵元以实现期望信号的增强。MVDR算法使得期望信号无失真地通过波束形成器，同时利用一部分自由度在干扰方向上形成零陷，使得输出信号的方差达到最小，它具有较高的分辨率，能够实现在增强日标信号的同时强烈地抑制其他干扰信号的贡献。

三、仿真实验

在MATLAB仿真环境下，利用建立的远场声源分析模型针对不同方向匕的入射信号进行波束形成仿真，并对均匀圆柱阵和均匀球阵的性能进行分析和研究。

设置目标信号为人射角度为[0 60]的单频信号，将入射信号的频率变化范围设置为[100Hz 50kHz]中以5kHz为间隔的多个频点，并引入-一个与日标信号频率相同的干扰信号，入射方向为[0 70]。

通过在上述频率点时对两种立体阵列下的波束形成性能进行分析，可以发现，对于相同的强干扰下的单频入射信号，球阵的波束图分布最均匀，性能也最稳定，各个性能指标均能兼顾，旁瓣抑制能力最强，频率适用范围最广，但主瓣宽度在三种阵列中最大且旁瓣级也是相对较高的；圆柱阵主瓣宽度较低，旁瓣级较高，但是随着频率提高，最早出现栅瓣，且指向性也变差，在高频情况下基本丧失指向性，且栅瓣明显，频率适用范围较低。

对于两种波束形成方法，MVDR算法能够很好地抑制干扰方向上的信号；在主瓣宽度，旁瓣级，阵增益等性能参数上，当高频范围内，MVDR算法的性能已经很接近于相移算法。

可以进一步看出立体阵MVDR波束形成的优势，它能够在维持其他性能参数几乎不变和增强月标方向上信号的同时，能够对非目标方向上的信号进行强衰减，这在噪声测量中的优势也是很明显的。

四、结束语

本文对均匀圆柱阵、均匀球阵在相移算法、MVDR算法下的波束形成进行了分析和研究，在MATLAB环境下建立仿真模型，并得到不同立体阵列和波束形成算法的特点和优势。