超波束技術(shù)在岸基光纖陣中的應(yīng)用

劉亮，傅安，潘謝帆，覃莉

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

0 引 言

海上高價(jià)值平臺(tái)面臨的安全性問(wèn)題突出，其危險(xiǎn)源主要來(lái)自于水面/水下低速威脅小目標(biāo)的襲擾。被動(dòng)光纖陣列既可長(zhǎng)時(shí)間布放于海底，又方便回收再利用，工程應(yīng)用較傳統(tǒng)陣列方便，可實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)程預(yù)警、保障平臺(tái)安全。在陣列信號(hào)處理中，常規(guī)波束形成（CBF）面臨著高旁瓣的問(wèn)題，通常采用陣元幅度加權(quán)的方法來(lái)降旁瓣，但會(huì)導(dǎo)致主瓣變寬，而超波束（HBF）技術(shù)不僅可以降低旁瓣，還可以使主瓣變窄。

本文根據(jù)岸基光纖陣在實(shí)際處理中常規(guī)波束輸出遇到的高旁瓣問(wèn)題，采用超波束技術(shù)進(jìn)行波束銳化——利用超波束輸出對(duì)常規(guī)波束進(jìn)行加權(quán)，在保證高分辨力的同時(shí)，又可保留了波束輸出的相位信息。該方法較常規(guī)波束輸出可提升“V”型岸基被動(dòng)陣左右分辨的能力。

1 超波束技術(shù)

超波束技術(shù)是分裂波束處理方法中的一種，其波束輸出既可以獲得較窄的主瓣，又可以獲較低的旁瓣[1-2]。

1.1 原理

超波束技術(shù)主要處理步驟[3-4]：

1）將接收陣等分成左、右2個(gè)子陣，分別進(jìn)行常規(guī)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，分別記為：

圖 1 子陣劃分Fig. 1Sub-array partition

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：

1.2 仿真分析

仿真條件：32元直線(xiàn)陣，陣元間距為0.75 m。

1）常規(guī)波束與超波束輸出對(duì)比

陣列接收正橫方向、頻率為750 Hz目標(biāo)信號(hào)、SNR=0 dB，-10 dB，常規(guī)波束輸出（CBF）、陣元幅度加權(quán)波束輸出（WCBF）、超波束輸出（HBF）結(jié)果分別如圖2所示。

圖 2 常規(guī)波束與超波束輸出對(duì)比（n=1）Fig. 2Comparison of conventional beam and hyper beam output（n=1）

由圖2可以看出，不同信噪比下（高斯白噪聲背景），超波束輸出較常規(guī)波束輸出、陣元幅度加權(quán)波束輸出有更窄的主瓣和更低的旁瓣，可以提高陣列的方位分辨能力。

2）不同超波束系數(shù)的超波束輸出對(duì)比

陣列接收正橫方向、頻率為750 Hz目標(biāo)信號(hào)、SNR=0 dB，不同超波束系數(shù)的超波束輸出結(jié)果如圖3所示。

圖 3 不同超波束系數(shù)的超波束輸出Fig. 3Hyper beam output with different hyper coefficient

由圖3可以看出，在高斯白噪聲背景下，隨著超波束系數(shù)的減小，超波束輸出的主瓣寬度和旁瓣高度都降低。進(jìn)一步，可以通過(guò)調(diào)整超波束系數(shù)使空間覆蓋波束保持恒定束寬。

3）多目標(biāo)處理對(duì)比

等目標(biāo)強(qiáng)度：目標(biāo)1頻率750 Hz、方位90°，目標(biāo)2頻率1 000 Hz、方位95°，SNR=0 dB；常規(guī)波束與超波束輸出結(jié)果如圖4（a）所示。

不等強(qiáng)度目標(biāo)：目標(biāo)1頻率750 Hz、方位90°，目標(biāo)2頻率1 000 Hz、方位95°，SNR=0 dB；常規(guī)波束與超波束輸出結(jié)果如圖4（b）所示。

由圖4可以看出，多目標(biāo)處理中，超波束輸出可以提升陣列的方位分辨能力、有效抑制強(qiáng)目標(biāo)旁瓣泄露對(duì)弱目標(biāo)的影響。當(dāng)然，為了對(duì)空間形成不小于-3 dB的波束覆蓋，基于超波束的方法預(yù)成波束數(shù)比常規(guī)的應(yīng)該增加2倍以上，進(jìn)而增加了信號(hào)處理整體的運(yùn)算量。

4）寬帶信號(hào)處理適應(yīng)性

500～1 000 Hz寬帶信號(hào)（SNR=0）常規(guī)波束、超波束處理能力對(duì)比如圖5所示。

由圖5可以看出，超波束處理對(duì)寬帶信號(hào)具有適應(yīng)性。

2 超波束技術(shù)應(yīng)用

本文將超波束技術(shù)獲得的窄波束、低旁瓣應(yīng)用于岸基光纖陣中對(duì)常規(guī)波束輸出進(jìn)行銳化、抑制左右模糊[5-7]。

圖 4 多目標(biāo)輸出對(duì)比（n=1）Fig. 4Comparison of different targets output（n=1）

圖 5 寬帶信號(hào)處理對(duì)比（n=1）Fig. 5Comparison of wide-band signal process（n=1）

2.1 波束銳化

波束銳化技術(shù)有很多，這里將超波束輸出作為常規(guī)波束輸出的權(quán)系數(shù)，以降低主瓣寬度和旁瓣高度。

由式（3）可以看出，超波束輸出丟失了信號(hào)相位信息，無(wú)法進(jìn)行頻譜分析等后處理，利用超波束輸出對(duì)常規(guī)波束形成結(jié)果進(jìn)行加權(quán)（HCBF），既可保證高分辨力，又可保留了波束輸出的相位信息。主要處理步驟如下：

步驟1 對(duì)陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊分段FFT處理；

1）常規(guī)波束、超波束與超波束加權(quán)輸出對(duì)比

目標(biāo)頻率750 Hz、方位90°，SNR=0 dB。單目標(biāo)處理的超波束加權(quán)輸出結(jié)果（HCBF）如圖6所示。

圖 6 單目標(biāo)超波束加權(quán)輸出對(duì)比（n=1）Fig. 6Comparison of hyper beam weighted output with simple target（n=1）

目標(biāo)1頻率750 Hz、方位90°，目標(biāo)2頻率1 000 Hz、方位95°，SNR=0 dB。多目標(biāo)處理的超波束加權(quán)輸出結(jié)果（HCBF）如圖7所示。

圖 7 多目標(biāo)超波束加權(quán)輸出對(duì)比（n=1）Fig. 7Comparison of hyper beam weighted output with multi-target（n=1）

由圖6和圖7可以看出，基于超波束加權(quán)的方法可以保留超波束的高分辨能力、旁瓣級(jí)更低，多目標(biāo)處理時(shí)、對(duì)目標(biāo)旁瓣泄露的抑制能力介于常規(guī)波束與超波束的之間，這種泄露是常規(guī)波束形成引入的，而且，基于超波束加權(quán)的方法可以保留相位信息。

2）寬帶信號(hào)處理的適應(yīng)性

500～1 000 Hz寬帶信號(hào)（SNR=0）常規(guī)波束、超波束、超波束加權(quán)處理能力對(duì)比如圖8所示。

圖 8 超波束加權(quán)寬帶信號(hào)處理（n=1）Fig. 8Hyper beam weighed of wide-band signal process（n=1）

由圖8可以看出，超波束加權(quán)處理對(duì)寬帶信號(hào)同樣具有適應(yīng)性。

2.2 “V”型陣左右分辨

被動(dòng)陣列在實(shí)際應(yīng)用中面臨著左右分辨模糊的問(wèn)題，通常采用雙平行線(xiàn)陣、三/四元組陣列等方法來(lái)解決，本文設(shè)計(jì)的“V”型陣列，如圖9所示?？梢越鉀Q左右模糊的問(wèn)題，而且基于超波束加權(quán)的方法可以提高左右分辨的能力。這種對(duì)模糊方位的抑制能力來(lái)源于超波束旁瓣抵消能力。

圖 9 V型陣列Fig. 9V arrays

2段陣列形成120°夾角，對(duì)頻率為750 Hz、方位為30°的目標(biāo)（SNR=0）的左右分辨能力如圖10所示。

由圖10可以看出，“V”型陣常規(guī)波束處理對(duì)左右分辨的抑制能力約6 dB，而超波束處理會(huì)通過(guò)旁瓣抵消抑制模糊方位輸出、超波束加權(quán)處理會(huì)基本保留這種能力，基于超波束、超波束加權(quán)處理對(duì)左右分辨的抑制能力大大提升。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

對(duì)岸基光纖陣實(shí)際接收的信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)一步檢驗(yàn)基于超波束加權(quán)方法的波束銳化能力及左右分辨對(duì)模糊方位的抑制能力。

圖 10 V型陣左右分辨能力對(duì)比（n=1）Fig. 10Comparison of left-right distinguishing ability of V arrays（n=1）

3.1 波束銳化

實(shí)際低信噪比（約-10 dB）情況下，對(duì)頻率為500～1 000 Hz、方位為125°的寬帶噪聲源，基于超波束加權(quán)的波束輸出銳化效果如圖11所示。

圖 11 實(shí)際數(shù)據(jù)波束銳化效果（n=1）Fig. 11Beam narrowing result of practical data process（n=1）

由圖11可以看出，低信噪比下，基于超波束加權(quán)的波束輸出仍可獲得較好的波束銳化能力。

3.2 “V”型陣左右分辨

水底布放的“V”型陣列的夾角約120°，對(duì)頻率500～1 000 Hz、方位為122°的寬帶噪聲源的處理結(jié)如圖12所示。

由圖12可以看出，基于超波束、超波束加權(quán)的“V”型陣列的輸出較常規(guī)波束輸出結(jié)果對(duì)左右模糊方位的抑制能力更好。

由于水底不平整、陣布放背向山體，多途影響明顯，而且陣元位置存在偏差，導(dǎo)致主波束輸出“分裂”、旁瓣偏高及對(duì)模糊方位抑制能力減弱，可進(jìn)行陣形修正以改善處理結(jié)果，初步陣形修正后的處理結(jié)果如圖13所示。

由圖13可以看出，經(jīng)初步陣形修正后，主波束輸出“分裂”和旁瓣偏高現(xiàn)象得到改善，對(duì)左右模糊抑制能力得到提升。但陣形參數(shù)仍然不夠準(zhǔn)確，對(duì)模糊方位的抑制能力有進(jìn)一步提升的空間。

圖 12 實(shí)際數(shù)據(jù)V型陣列輸出（n=1）Fig. 12Output of V arrays with practical data process（n=1）

圖 13 陣形修正后的V型陣的輸出（n=1）Fig. 13Output of V arrays with array’s shape correction（n=1）

4 結(jié) 語(yǔ)

基于超波束加權(quán)的波束輸出，不僅可以保證波束高分辨能力，又能保留波束輸出的相位信息；在“V”型陣列處理中，該方法較常規(guī)波束輸出可提升陣列的左右分辨能力。由于被動(dòng)光纖陣列在實(shí)際岸基布放時(shí)存在陣形偏差，而高分辨方法需要知道陣元的相對(duì)精確位置，應(yīng)先進(jìn)行陣形修正再波束輸出，以更好地保證該方法的波束銳化能力及對(duì)模糊方位的抑制能力。