线阵分裂波束处理技术在水声探测中的应用

钱韬



线阵分裂波束处理技术在水声探测中的应用

钱韬

(上海船舶电子设备研究所，上海201108)

声呐波束形成处理通常输出各个方位上的目标能量信息，利用指向性极大值位置给出目标的大致方位。为了得到更加精确的目标方位估计，需要寻找对目标方位微小变化作出灵敏反应的物理量。分裂波束处理所输出的各个方位二子阵的相位差信息，对方位变化十分灵敏，其测向精度接近于克拉美罗下界，不需增加太大运算量即可显著提高声呐系统测向精度，在水声中得到了广泛研究和应用。对线阵分裂波束处理在水声探测中不同的应用进行了梳理和总结，重点阐述了基于分裂阵半波束处理的被动声呐宽带相关检测、主动声呐相位单元化处理、超波束形成和水下慢速目标相位差空时方差自动检测跟踪(Automatic Detection and Tracking, ADT)技术的原理、处理流程和结果。

水声探测；分裂阵；分裂波束处理

0 引言

分裂阵半波束处理[1]技术作为经典阵列处理技术，其定向精度接近于克拉美罗下界，不需增加太大运算量即可显著提高声呐系统测向精度，因此在水声中得到了广泛研究和应用。由其延伸出的各种处理技术在声呐设备中均有成功应用，包括：宽带相关检测用于被动声呐多目标检测[2-3]；相位单元化处理用于主动声呐混响抑制[4]；相位差空时方差自动检测跟踪用于蛙人探测声呐[5]；相位检测法用于多波束条带测深仪[6-7]；互相关/互谱法用于声呐目标精确测向[8]；视在方位序列分析用于水下目标尺度识别[9-13]；超波束形成技术用于声呐目标检测[14-20]等等。

以上典型的声呐阵列处理技术均是分裂波束处理的具体应用实例，其共同点是把接收阵列分为具有一定空间距离的不同子阵，对各子阵分别进行波束形成处理，利用不同子阵波束输出估计目标信号到达不同子阵的相位差信息。不同应用实例是根据各自应用需求对相位差信息进行后置处理，提取满足声呐使用需求的特征信息。本文对分裂阵半波束处理时参考基元选取进行了讨论，同时对不同声呐基于相位差信息处理的技术特点进行梳理讨论，重点给出被动声呐宽带相关检测、主动声呐相位单元化处理、超波束形成技术和水下慢速目标相位差空时方差ADT(Automatic Detection and Tracking, ADT)的技术原理、处理流程和结果。目前对宽带相关检测[2-3]和相位单元化处理[4]进行了较充分的研究和仿真，用实际海试数据处理取得了良好效果，已在实际声呐中得到工程实用；对超波束形成技术[14-20]进行了仿真研究工作；对水下慢速目标相位差空时方差ADT技术[5]正在积极消化研究阶段。

1 分裂阵处理参考基元选取

线阵分裂波束处理可有效提高声呐性能的原理，在于二子阵的相位差(时延差)对目标方位角的微小变化响应很灵敏，这里给出分裂子阵选取不同参考阵基元时二子阵相位差与目标方位角的关系。参考基元选取主要有两种方式，一是二子阵各阵元均以同一阵基元为参考点进行相位补偿，二是以各子阵声中心为参考基元，两种参考基元选取方法本质上没有不同，仅影响子阵间相位差信息的具体表达，可根据具体应用需求进行选取。这里以均匀线阵为例(分裂子阵划分如图1所示)，设阵元数为，阵元间距为，声速为，入射声波频率为，入射声波与线阵之间夹角为。

左右子阵分别以1号、(/2)+1号阵元为参考点时，左右波束输出相位差为

(2)

根据公式(1)，除阵元间距、阵元数、信号频率外，相位差信息主要取决于信号实际入射方向与预成主波束方向间的角度余弦的差值，当预成主波束方位与信号入射方向接近时，相位差为接近于0°的小量。这种参考阵元选取方法常用于宽带相关检测[1]、超波束形成技术[14-20]、相位差空时方差ADT技术[5]、半波束相位单元化处理[4]、视在方位序列分析[9-13]、窄带信号分裂阵高精度定位相位检测法[6-7]等。

根据公式(2)，除阵元间距、数目、信号频率外，相位差信息主要取决于信号实际入射方向，尽管公式(2)中相位差理论计算值与预成主波束无关，但是，两者相差较大时会降低左右波束的输出信噪比，进而影响相位差估计精度。实际应用中通常会在目标方位附近选取预成波束进行相位差估计。这种参考基元选取方法主要用于互相关测向。

2 分裂阵半波束处理的应用研究

2.1 宽带相关检测技术

被动声呐宽带检测是利用能量积分或互相关技术检测波束形成器输出信号。能量检测时阵增益为，其平方积分器增益是5lg。互相关检测时阵增益为，其半波束相关检测增益为5lg(2)。因此互相关检测器与能量检测器相比总的处理增益减小1.5 dB，它提供典型的1/10波束分辨率的方位测量信息，这是为了提高多目标方位分辨力所付出的一点代价[1]，双目标分辨力理论计算公式为[8]

被动声呐宽带相关检测主要处理流程包括：

(1) 将接收阵等分为两个子阵，对双子阵分别进行波束形成得到左右波束输出频谱；

(2) 将左右波束频谱进行互谱运算；

(3) 对互谱进行平滑相干变换，权值为

(4) 对平滑相干处理后互谱做IFFT运算得到一组时延值，选取预成波束角度附近的相关值作为波束输出。

宽带相关检测实际处理性能会受到背景噪声、波束输出信噪比等因素影响，当二子阵波束海洋环境噪声具有明显的相关性、输出信噪比较低时，互谱法估计二子阵时延误差较大，检测性能下降明显。图2(a)、2(b)分别给出海试试验中多目标数据的宽带能量和宽带相关检测结果，其中数据为48元均匀线阵在海上录取获得。对比可以给出在相同处理频带范围内，宽带相关检测目标方位分辨力更高，可有效改善多目标交叉或邻近时的目标检测能力。

2.2 半波束相位单元化处理

主动声呐半波束相位单元化处理是将半波束与匹配滤波处理结合应用。该方法除了能获得较高的测向精度外，还可根据子阵间的相位差关系将匹配滤波输出进行精细化处理，对主波束范围以外的输出直接删除，对主波束范围内的输出分成若干相位单元，将背景干扰能量按空间方位进一步分割，而作为目标输出信号只能落入某一个特定单元，从而有效提高了信噪(混)比。主动声呐半波束相位单元化处理主要流程：

(1) 对左右子阵波束输出分别进行匹配滤波，对两路输出相加形成全波束，同时输出两路间的相位差；

(2) 根据实际波束宽度和相位估计精度确定所划分的相位单元；

(3) 利用相位差估计值将每一个距离元信号都放在某一个相应的相位单元中，对超过相位差范围的距离元信号置零。

(4) 将各相位单元输出按距离-细方位的B式显示方式形成主动声呐检测图像。

图3(a)、3(b)分别给出海试试验中主动声呐目标回波数据在相位单元化处理前后的方位-距离图，其中数据为64元均匀线阵在海上录取获得。对比可以看出相位单元化处理在回波方位精度、背景干扰抑制方面明显优于常规处理。

2.3 超波束形成技术

超波束技术(Hyper BeamForming, HBF)[14-20]作为一种新的高分辨波束形成方法，在阵列尺寸一定的条件下，能够同时降低主波束宽度和旁瓣大小，从而提高目标检测能力和定位精度。HBF是基于两个对称子阵的波束形成结果得到，主要处理流程包括：

(1) 将接收线阵等分成的左、右两个子阵，分别进行波束形成得到和；

(2) 由左右波束输出结果得到“和”波束与“差”波束，记为和：

(6)

(3) 将“和”波束与“差”波束相减或者相比来抵消旁瓣得到超波束输出为

式中，为超波束指数。随着的改变，超波束的波束宽度可以变窄或增宽，可以证明，当=2时，超波束指向性图与常规波束形成相同。

图4(a)、4(b)分别给出仿真实验中等强度和不等强度的双目标CBF和HBF方位谱，其数据由10 元均匀线阵仿真得到。对比可以看出，HBF能够正确地将等强度双目标分辨开来，同时有效抑制强目标旁瓣泄漏对弱目标的影响。

2.4 水下慢速目标的相位差空时方差ADT技术

日本Tokyo大学Fumitaka MAEDA等人与丹麦RESON公司合作研发用于港口警戒声呐的信息处理技术[5]，利用水下慢速目标与噪声、混响、静止目标、尾流气泡的相位差空时方差特征差异完成目标的自动检测和跟踪。相位差空时方差ADT技术主要处理流程包括：

(1) 利用左右子阵波束输出得到单周期相位差随时间(距离)的变化曲线；

(2) 对单周期相位差曲线进行连续保存；

(3) 利用连续多周期相位差曲线估计空时方差；

(4) 利用空时方差门限对目标进行检测。

图5(a)、5(b)分别为文献[5]给出的蛙人目标数据的相位差空时方差ADT和常规能量输出结果。对比可以发现，在常规能量检测的基础上进行的各种杂波抑制处理效果有限，基于相位差空时方差处理可以极大改善近程警戒声呐的显示效果。图5(b) 中-30°~0°范围内的强目标与运动蛙人相比，相位差空时方差小，采用相位差空时方差ADT技术后各种杂波得到有效抑制。

3 结论

本文对分裂波束处理技术在水声探测中的应用进行了综合介绍。重点阐述了基于线阵分裂波束处理的被动声呐宽带相关检测、主动声呐相位单元化处理、超波束形成和水下慢速目标相位差空时方差ADT技术的原理、处理流程和结果，指出线阵分裂波束处理可有效提升声呐性能。

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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

钱韬(1982－), 男, 江苏宜兴人, 工程师, 研究方向为水声发射技术与水声信号处理。

钱韬, E-mail: qiantao726@aliyun.com