分裂陣寬帶相關(guān)檢測在圓陣中應(yīng)用

蔣小勇，譚君紅，周勝增

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

分裂陣寬帶相關(guān)檢測在圓陣中應(yīng)用

蔣小勇，譚君紅，周勝增

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

寬帶能量檢測作為一種非相關(guān)檢測方法廣泛應(yīng)用于被動聲吶中，但是在復雜環(huán)境下其檢測性能迅速降低。為了實現(xiàn)分裂陣半波束在圓陣中的應(yīng)用，本文通過對圓陣的半波束相位差推導和仿真，將分裂陣半波束應(yīng)用于圓陣的寬帶信號檢測中，給出一種應(yīng)用于圓陣的分裂陣寬帶相關(guān)檢測方法。該方法能有效地改善目標方位分辨率，提高被動聲吶的寬帶檢測性能。仿真和試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗證了該方法的有效性，易于工程應(yīng)用。

被動聲吶；分裂陣半波束；寬帶能量檢測；寬帶相關(guān)檢測

0 引 言

分裂陣半波束處理作為經(jīng)典陣列處理技術(shù)，一般用于聲吶系統(tǒng)的測向[1]。它是利用共向分裂波束對的相位差來實現(xiàn)精確測向，其定向精度接近于克拉美羅下界，因此在實際聲吶系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。Stergios Stergiopoulos等[2]利用分裂陣互譜法提高拖曳線列陣的方位估計性能，并能獲得較全陣常規(guī)處理更好測向精度，特別是在端射方向。分裂陣半波束不僅可以用于聲吶測向，還可以用于聲吶的寬帶檢測。David A. Miles等[3]根據(jù)信號和噪聲在空間、頻域差異特性，采用概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)對被動寬帶分裂陣互相關(guān)處理的檢測性能進行統(tǒng)計分析。馬啟明等[4]利用拖線陣的分裂子陣波束輸出的相位差降低拖船干擾，提高弱目標信號檢測能力。Fumitaka Maeda等[5]根據(jù)水下慢速目標與噪聲、混響和靜止目標的相位差變化特性，將分裂陣半波束處理應(yīng)用于港口警戒聲吶中，實現(xiàn)對低速目標自動檢測跟蹤。此外，分裂陣半波束處理還可以應(yīng)用于聲吶的窄帶檢測。文獻[6]根據(jù)分裂陣半波束相位差設(shè)計相位濾波器，對多波束LOFAR譜圖中每個波束譜圖進行濾波，提高窄帶檢測中目標方位分辨力，實現(xiàn)水下目標快速自動檢測。

上述文獻都是分裂陣半波束在線陣中應(yīng)用。文獻[7]將分裂陣半波束應(yīng)用于主動聲吶圓陣處理中，消除主瓣之外的混響和雜波，有效抑制混響，降低了虛警。但是分裂陣半波束處理在圓陣被動寬帶檢測中報道不多。

圓陣作為一種典型的基陣形式，廣泛使用于聲吶系統(tǒng)中。由于圓陣的陣元均勻分布在一個圓周上，因此圓陣與線陣相比具有很大優(yōu)越性。圓陣不僅能夠同時提供方位角和俯仰信息，而且能夠提供全方位無模糊信息。正因為圓陣這些優(yōu)點，水面艦艇或潛艇的艦殼聲吶中廣泛使用圓形基陣聲吶。

本文研究分裂陣半波束處理在圓陣中應(yīng)用，首先分析了圓陣的半波束相位差，將分裂陣半波束應(yīng)用于圓陣的寬帶信號檢測中，給出了一種應(yīng)用圓陣的分裂陣寬帶相關(guān)檢測方法，可以有效地改善目標方位分辨率，提高被動聲吶的寬帶檢測性能。最后給出仿真和試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

1 圓陣半波束相位差

圖1給出一個半徑為r的圓陣半波束示意圖。假設(shè)基元數(shù)為N，均勻分布在圓周上，則相鄰2個基元的夾角為a=2π/N，取其中2M個基元形成一對半波束。

若在θ0方向預成波束，則左波束輸出為：

式中：

則式（3）中幅度和相位分別為：

同理，可以得到右波束輸出為：

式中B為右波束的幅度，其相位為：

則左右波束的相位差為：

式中k=M/N。

根據(jù)式（12）可知，圓陣半波束相位差信息除了與圓陣半徑、基元數(shù)和信號頻率有關(guān)外，還主要取決于信號實際入射方向與預成主波束方向間的角度差。當預成主波束方位與信號入射方向接近時，半波束相位差為接近于0°的小量。圖2給出圓陣半波束相位差與預成波束方位覆蓋范圍內(nèi)的方位關(guān)系曲線。

2 寬帶相關(guān)檢測

被動聲吶寬帶檢測通常是采用寬帶能量檢測或?qū)拵嚓P(guān)檢測方法來實現(xiàn)目標探測功能。寬帶能量檢測是在一個寬的頻帶上對波束能量進行積分，它是非相關(guān)噪聲場中單一目標的最優(yōu)檢測器，但是在復雜環(huán)境下，這種檢測方法的性能迅速降低。寬帶相關(guān)檢測與寬帶能量檢測相比其處理增益減小1.5 dB，這是寬帶相關(guān)檢測提高多目標方位分辨力所付出的代價[8]。

寬帶相關(guān)檢測是分裂陣半波束處理在被動聲吶寬帶信號檢測應(yīng)用，它是把接收陣列劃分為具有一定空間距離的不同子陣，對各子陣分別進行波束形成處理，利用不同子陣波束輸出估計目標信號到達不同子陣的相位差信息[10]。

由于圓陣的指向性與線陣的指向性不同，因此圓陣中參與處理的基元跟預成的方位有關(guān)。通常圓陣根據(jù)預成主波束方位選取1/3圓周上的基元進行波束形成處理。圓陣寬帶相關(guān)檢測首先根據(jù)預成波束將接收陣等分為2個子陣，對雙子陣分別進行波束形成得到左右波束輸出頻譜；然后將左右波束頻譜進行互譜，并對互譜進行平滑相干變換；最后對平滑相干處理后互譜做逆FFT運算得到一組時延值，選取預成波束角度附近的相關(guān)值作為波束輸出。圖3給出圓陣的寬帶相關(guān)檢測處理流程圖。

3 仿真和試驗數(shù)據(jù)處理

3.1 仿真計算

假設(shè)均勻圓陣由96個水聽器組成，半徑為2 m。設(shè)定2個目標信號，其入射方位分別為156°和160°，中心頻率為5 000 Hz，帶寬均為3 000 Hz，背景噪聲為海洋環(huán)境噪聲，信噪比均為–15 dB。以圓心為參考點，根據(jù)每個預成方位將參與處理的基元分成左右兩子陣，然后分別進行寬帶能量積分和相關(guān)處理。

圖4和圖5給出了寬帶能量檢測和寬帶相關(guān)檢測的仿真結(jié)果。從圖中可看出2個鄰近信號處在同一波束寬度內(nèi)，寬帶能量檢測不能分辨出從156°和160°入射的2個相鄰信號。由于兩子陣目標信號具有一定相關(guān)性和一定相位差，盡管其相位差起伏但可加以統(tǒng)計估計，而兩子陣的環(huán)境噪聲被認為不相關(guān)，其相位差統(tǒng)計均值小，對估計兩子陣目標信號相位差影響不大，因此寬帶相關(guān)檢測利用子陣半波束相位差來提高目標方位分辨力，使得2個鄰近信號得以區(qū)分，提高目標信號的檢測能力。

3.2 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)通過均勻圓陣獲取，并對接收的數(shù)據(jù)進行寬帶處理。圖6和圖7給出了寬帶能量檢測和寬帶相關(guān)檢測處理結(jié)果，其中目標1和目標2為合作目標，目標3為水面船只。從圖6中可以觀察到弱目標1（方位為230°）幾乎淹沒于背景噪聲中，而圖7中很清楚地發(fā)現(xiàn)該目標的峰值，提高了弱目標檢測能力。對于目標2（方位為293°）和目標3（方位為297°），兩者的方位相差4°。在圖6中2個相鄰目標軌跡幾乎重疊，很難有效區(qū)分。而在圖7中能清楚分辨出2個鄰近目標峰值，提高了目標方位分辨率。因此在相同處理頻帶范圍內(nèi)，寬帶相關(guān)檢測與寬帶能量檢測相比能獲得較高的方位分辨率，并能有效改善多目標交叉或鄰近時目標檢測能力。

4 結(jié) 語

本文分析圓陣的半波束相位差，將分裂陣半波束應(yīng)用于圓陣的寬帶信號檢測中，給出了一種應(yīng)用圓陣分裂陣寬帶相關(guān)檢測方法。仿真和試驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，寬帶相關(guān)檢測可以改善目標方位分辨率，提高被動聲吶的寬帶檢測性能。本文所提出應(yīng)用圓陣中寬帶檢測方法性能穩(wěn)定、計算量小，適合在被動聲吶信號處理中進行工程應(yīng)用。

[ 1 ]李啟虎. 聲吶信號處理引論(2版)[M]. 北京: 海洋出版社, 2000.

[ 2 ]STERGIOS S, ANTHONY T A. An experimental evaluation of split-beam processing as a broadband bearing estimator for line array sonar systems[J]. J.Acoust.Soc.Am, 1997, 102(6): 3556–3563.

[ 3 ]DAVID M, DAVID K, TIMOTHY C. A statistical analysis of the detection performance of a broadband splitbeam passive sonar[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2006, 31(4): 986–996.

[ 4 ]MA Qiming, ZHOU Lisheng, DU Shuanping. Research of the weak signal detection algorithm for tow sonar based on the phase difference of the sub-array beam output[C]// UDT 2009 Europe.

[ 5 ]FUMITAKA M, KAZUOKI K. Development of underwater low-speed moving target detection using spatiotemporal variance of phase difference for port surveillance sonar[J]. J.Acoust.Soc.Jpn, 2010, 37(1): 34–45.

[ 6 ]周勝增, 蔣小勇, 杜選民. 水下目標自動檢測中的相位濾波技術(shù)研究[C]//2012年水下復雜戰(zhàn)場環(huán)境目標識別與對抗及仿真技術(shù)學術(shù)論文集. 2012: 43–46. ZHOU Sheng-zeng, JIANG Xiao-yong, DU Xuan-min. Research on the phase-filtering technique in underwater target automatic detection[C]//2012 Underwater Complex Batterfield Environment Target Recognition, Countermeasure and Simulation Research Papers, 2012: 43–46.

[ 7 ]朱偉, 沈文苗. 基于相位單元化處理的混響抑制方法[J]. 聲學與電子工程, 2010, (4): 21–24. ZHU Wei, SHEN Wen-miao. A reverberation suppression method to based on phase cell process [J].Acoustics and Electronics Engineering, 2010, (4): 21–24.

[ 8 ]WAITE A D, 王德石(譯). 實用聲吶工程(第三版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2004.

[ 9 ]ZARNICH B E. A fresh look at broadband passive sonar processing[J]. Adaptive Sensor Array Processing Workshop, 1999: 99–104.

[10]ALAN G, KEONWOOL K. Parallel algorithms for splitaperture conventional beamforming[J]. Journal of Computational Acoustics, 1999, 7(4): 225–244.

An application of split-array broadband correlation detection in circular array

JIANG Xiao-yong, TAN Jun-hong, ZHOU Sheng-zeng
(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

Broadband energy detection, which is considered as a non-correlation detection method, has been widely used in passive sonar. But the detection performance has degraded dramatically in complex environment. In order to apply split-array half beam to circular array, a novel technique of broadband correlation detection applied in circular array is presented. The phase difference of half beam has been derived and simulated in circular array. This technique can effectively improve target bearing resolution, and broadband detection performance of passive sonar is also improved. The processing results from trial data and simulation have showed the validity of the method, and the method is easily applied in practical engineering.

passive sonar；split-array half beam；broadband energy detection；broadband correlation detection

TN911.5

A

1672 – 7649(2017)08 – 0160 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.034

2016 – 11 – 08；

2016 – 12 – 22

蔣小勇(1981 – )，男，工程師，研究方向為水聲信號處理。