超波束技术在岸基光纤阵中的应用

刘亮，傅安，潘谢帆，覃莉

(上海船舶电子设备研究所，上海 201108)

0 引 言

海上高价值平台面临的安全性问题突出，其危险源主要来自于水面/水下低速威胁小目标的袭扰。被动光纤阵列既可长时间布放于海底，又方便回收再利用，工程应用较传统阵列方便，可实现水下远程预警、保障平台安全。在阵列信号处理中，常规波束形成（CBF）面临着高旁瓣的问题，通常采用阵元幅度加权的方法来降旁瓣，但会导致主瓣变宽，而超波束（HBF）技术不仅可以降低旁瓣，还可以使主瓣变窄。

本文根据岸基光纤阵在实际处理中常规波束输出遇到的高旁瓣问题，采用超波束技术进行波束锐化——利用超波束输出对常规波束进行加权，在保证高分辨力的同时，又可保留了波束输出的相位信息。该方法较常规波束输出可提升“V”型岸基被动阵左右分辨的能力。

1 超波束技术

超波束技术是分裂波束处理方法中的一种，其波束输出既可以获得较窄的主瓣，又可以获较低的旁瓣[1-2]。

1.1 原理

超波束技术主要处理步骤[3-4]：

1）将接收阵等分成左、右2个子阵，分别进行常规波束形成得到和；

2）由左右波束输出结果得到“和”波束与“差”波束，分别记为：

图 1 子阵划分Fig. 1Sub-array partition

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：

1.2 仿真分析

仿真条件：32元直线阵，阵元间距为0.75 m。

1）常规波束与超波束输出对比

阵列接收正横方向、频率为750 Hz目标信号、SNR=0 dB，-10 dB，常规波束输出（CBF）、阵元幅度加权波束输出（WCBF）、超波束输出（HBF）结果分别如图2所示。

图 2 常规波束与超波束输出对比（n=1）Fig. 2Comparison of conventional beam and hyper beam output（n=1）

由图2可以看出，不同信噪比下（高斯白噪声背景），超波束输出较常规波束输出、阵元幅度加权波束输出有更窄的主瓣和更低的旁瓣，可以提高阵列的方位分辨能力。

2）不同超波束系数的超波束输出对比

阵列接收正横方向、频率为750 Hz目标信号、SNR=0 dB，不同超波束系数的超波束输出结果如图3所示。

图 3 不同超波束系数的超波束输出Fig. 3Hyper beam output with different hyper coefficient

由图3可以看出，在高斯白噪声背景下，随着超波束系数的减小，超波束输出的主瓣宽度和旁瓣高度都降低。进一步，可以通过调整超波束系数使空间覆盖波束保持恒定束宽。

3）多目标处理对比

等目标强度：目标1频率750 Hz、方位90°，目标2频率1 000 Hz、方位95°，SNR=0 dB；常规波束与超波束输出结果如图4（a）所示。

不等强度目标：目标1频率750 Hz、方位90°，目标2频率1 000 Hz、方位95°，SNR=0 dB；常规波束与超波束输出结果如图4（b）所示。

由图4可以看出，多目标处理中，超波束输出可以提升阵列的方位分辨能力、有效抑制强目标旁瓣泄露对弱目标的影响。当然，为了对空间形成不小于-3 dB的波束覆盖，基于超波束的方法预成波束数比常规的应该增加2倍以上，进而增加了信号处理整体的运算量。

4）宽带信号处理适应性

500～1 000 Hz宽带信号（SNR=0）常规波束、超波束处理能力对比如图5所示。

由图5可以看出，超波束处理对宽带信号具有适应性。

2 超波束技术应用

本文将超波束技术获得的窄波束、低旁瓣应用于岸基光纤阵中对常规波束输出进行锐化、抑制左右模糊[5-7]。

图 4 多目标输出对比（n=1）Fig. 4Comparison of different targets output（n=1）

图 5 宽带信号处理对比（n=1）Fig. 5Comparison of wide-band signal process（n=1）

2.1 波束锐化

波束锐化技术有很多，这里将超波束输出作为常规波束输出的权系数，以降低主瓣宽度和旁瓣高度。

由式（3）可以看出，超波束输出丢失了信号相位信息，无法进行频谱分析等后处理，利用超波束输出对常规波束形成结果进行加权（HCBF），既可保证高分辨力，又可保留了波束输出的相位信息。主要处理步骤如下：

步骤1 对阵元数据进行重叠分段FFT处理；

1）常规波束、超波束与超波束加权输出对比

目标频率750 Hz、方位90°，SNR=0 dB。单目标处理的超波束加权输出结果（HCBF）如图6所示。

图 6 单目标超波束加权输出对比（n=1）Fig. 6Comparison of hyper beam weighted output with simple target（n=1）

目标1频率750 Hz、方位90°，目标2频率1 000 Hz、方位95°，SNR=0 dB。多目标处理的超波束加权输出结果（HCBF）如图7所示。

图 7 多目标超波束加权输出对比（n=1）Fig. 7Comparison of hyper beam weighted output with multi-target（n=1）

由图6和图7可以看出，基于超波束加权的方法可以保留超波束的高分辨能力、旁瓣级更低，多目标处理时、对目标旁瓣泄露的抑制能力介于常规波束与超波束的之间，这种泄露是常规波束形成引入的，而且，基于超波束加权的方法可以保留相位信息。

2）宽带信号处理的适应性

500～1 000 Hz宽带信号（SNR=0）常规波束、超波束、超波束加权处理能力对比如图8所示。

图 8 超波束加权宽带信号处理（n=1）Fig. 8Hyper beam weighed of wide-band signal process（n=1）

由图8可以看出，超波束加权处理对宽带信号同样具有适应性。

2.2 “V”型阵左右分辨

被动阵列在实际应用中面临着左右分辨模糊的问题，通常采用双平行线阵、三/四元组阵列等方法来解决，本文设计的“V”型阵列，如图9所示。可以解决左右模糊的问题，而且基于超波束加权的方法可以提高左右分辨的能力。这种对模糊方位的抑制能力来源于超波束旁瓣抵消能力。

图 9 V型阵列Fig. 9V arrays

2段阵列形成120°夹角，对频率为750 Hz、方位为30°的目标（SNR=0）的左右分辨能力如图10所示。

由图10可以看出，“V”型阵常规波束处理对左右分辨的抑制能力约6 dB，而超波束处理会通过旁瓣抵消抑制模糊方位输出、超波束加权处理会基本保留这种能力，基于超波束、超波束加权处理对左右分辨的抑制能力大大提升。

3 实验数据处理分析

对岸基光纤阵实际接收的信号进行处理，进一步检验基于超波束加权方法的波束锐化能力及左右分辨对模糊方位的抑制能力。

图 10 V型阵左右分辨能力对比（n=1）Fig. 10Comparison of left-right distinguishing ability of V arrays（n=1）

3.1 波束锐化

实际低信噪比（约-10 dB）情况下，对频率为500～1 000 Hz、方位为125°的宽带噪声源，基于超波束加权的波束输出锐化效果如图11所示。

图 11 实际数据波束锐化效果（n=1）Fig. 11Beam narrowing result of practical data process（n=1）

由图11可以看出，低信噪比下，基于超波束加权的波束输出仍可获得较好的波束锐化能力。

3.2 “V”型阵左右分辨

水底布放的“V”型阵列的夹角约120°，对频率500～1 000 Hz、方位为122°的宽带噪声源的处理结如图12所示。

由图12可以看出，基于超波束、超波束加权的“V”型阵列的输出较常规波束输出结果对左右模糊方位的抑制能力更好。

由于水底不平整、阵布放背向山体，多途影响明显，而且阵元位置存在偏差，导致主波束输出“分裂”、旁瓣偏高及对模糊方位抑制能力减弱，可进行阵形修正以改善处理结果，初步阵形修正后的处理结果如图13所示。

由图13可以看出，经初步阵形修正后，主波束输出“分裂”和旁瓣偏高现象得到改善，对左右模糊抑制能力得到提升。但阵形参数仍然不够准确，对模糊方位的抑制能力有进一步提升的空间。

图 12 实际数据V型阵列输出（n=1）Fig. 12Output of V arrays with practical data process（n=1）

图 13 阵形修正后的V型阵的输出（n=1）Fig. 13Output of V arrays with array’s shape correction（n=1）

4 结 语

基于超波束加权的波束输出，不仅可以保证波束高分辨能力，又能保留波束输出的相位信息；在“V”型阵列处理中，该方法较常规波束输出可提升阵列的左右分辨能力。由于被动光纤阵列在实际岸基布放时存在阵形偏差，而高分辨方法需要知道阵元的相对精确位置，应先进行阵形修正再波束输出，以更好地保证该方法的波束锐化能力及对模糊方位的抑制能力。