隨機(jī)錯位組合陣列分級波束旁瓣控制方法

祝 鵬, 杜金香

隨機(jī)錯位組合陣列分級波束旁瓣控制方法

祝 鵬, 杜金香

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

為了降低水下大型聲吶陣列波束形成算法的工程實(shí)現(xiàn)難度, 可采用陣元級分區(qū)波束掃描模式的大型平面陣列, 無需改變每個掃描分區(qū)內(nèi)的陣元幅相權(quán), 僅通過子陣級數(shù)字波束形成即可完成陣列的波束掃描。但該模式會帶來高旁瓣問題。針對此, 文中提出一種基于規(guī)則子陣的隨機(jī)錯位組合陣列設(shè)計(jì)方法, 打破現(xiàn)有研究方法中錯位量為整數(shù)倍陣元間距的限制, 利用遺傳算法同時對子陣相鄰列錯位量與子陣級權(quán)系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化, 以主旁瓣比作為適應(yīng)度函數(shù), 使得綜合方向圖最高旁瓣最低, 從而降低了由于子陣級大陣元間距帶來的柵瓣效應(yīng)。仿真結(jié)果表明, 采用隨機(jī)錯位的子陣結(jié)構(gòu), 優(yōu)化后的陣型和權(quán)系數(shù)能夠有效避免大分區(qū)下帶來的高旁瓣, 在不同分區(qū)內(nèi)都能獲得較高的主旁瓣比, 對于旁瓣的控制效果優(yōu)于現(xiàn)有錯位組合陣列方法, 驗(yàn)證了隨機(jī)錯位組合陣列設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的有效性。

聲吶陣列; 隨機(jī)錯位; 旁瓣控制; 分區(qū)掃描; 組合陣列; 遺傳算法

0 引言

隨著海洋開發(fā)、海洋勘探及水下作戰(zhàn)等領(lǐng)域的不斷深入發(fā)展, 大型聲吶陣以及數(shù)字波束形成技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。大型陣列進(jìn)行陣元級集中波束形成在工程實(shí)現(xiàn)上由于數(shù)字接收通道多, 對于數(shù)據(jù)存儲和處理的實(shí)時性提出了更高的要求, 這就導(dǎo)致了硬件復(fù)雜度增加, 成本高昂。分級波束形成是解決這一問題的重要途徑之一。

分級波束形成將陣列按照一定的規(guī)則劃分為多個子陣, 每個子陣形成1個通道, 通過對子陣進(jìn)行數(shù)字加權(quán)形成期望波束。子陣劃分方式主要有規(guī)則不重疊子陣、規(guī)則重疊子陣和不規(guī)則不重疊子陣。不規(guī)則不重疊子陣能夠很好地降低子陣級帶來的柵瓣影響[2], 但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而規(guī)則子陣由于結(jié)構(gòu)簡單、算法較易實(shí)現(xiàn), 仍然是分級波束形成的重要研究對象[3-4]。

規(guī)則子陣劃分方法按照排布方式可分為鄰接子陣、重疊子陣與錯位子陣等[5]。鄰接子陣在掃描過程中周期出現(xiàn)的柵瓣會導(dǎo)致方向圖形成高旁瓣, Mailloux[6]基于規(guī)則子陣給出了簡單的近似公式和擬合曲線來評估柵瓣水平。重疊子陣通過子陣復(fù)用陣元減小子陣中心間距, 有利于柵瓣抑制[7-9], 但是陣元的復(fù)用導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜, 不易于工程實(shí)現(xiàn)。Wang等[10]結(jié)合重疊子陣技術(shù)提出子陣周期錯位排列的等效重疊陣列思想, 在均勻平面陣的基礎(chǔ)上調(diào)整位置關(guān)系, 使相鄰列沿列方向錯位1個陣元間距, 降低了俯仰方向的柵瓣效應(yīng), 不足之處在于陣列三維方向圖其他角度上的柵瓣無法避免。黃飛等[11]在等效重疊陣列的基礎(chǔ)上提出相鄰列錯位整數(shù)倍陣元間距的隨機(jī)錯位布陣方式, 對于子陣規(guī)模為4個子陣的仿真實(shí)例, 錯位量在0~3中隨機(jī)選擇(為陣元間距), 采用粒子群算法取波束指向的俯仰角絕對值最大的4個波束指向作為代表進(jìn)行優(yōu)化, 在掃描范圍內(nèi)取得了較低的旁瓣, 但有限的錯位組合和掃描范圍限制了性能的進(jìn)一步提升。除此之外, 其他的錯位方法也有相應(yīng)研究, 比如楊功清等[12]以規(guī)則矩形子陣幾何中心為優(yōu)化變量, 每個子陣在八邊形陣面不重疊地隨機(jī)分布, 通過在子陣間增加平移錯位量, 使得方向圖的高旁瓣得到有效降低。

文中首先介紹了陣元級分區(qū)波束掃描技術(shù)及其高旁瓣形成原理, 提出一種平面陣列的錯位組合陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法, 突破現(xiàn)有研究方法中錯位量為整數(shù)倍陣元間距的限制, 最后利用遺傳算法對錯位量及子陣級權(quán)系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化, 優(yōu)化后的錯位組合陣型和權(quán)系數(shù)在一定范圍的掃描分區(qū)內(nèi)都能獲得較低的旁瓣級。

1 陣元級分區(qū)波束掃描高旁瓣形成原理

為了降低大型陣列波束形成算法工程實(shí)現(xiàn)難度, 陣元級采用大間距掃描, 即分區(qū)掃描, 子陣級使用高精度掃描。將陣元級的掃描區(qū)間劃分為若干分區(qū), 陣元級移相器在同一分區(qū)內(nèi)保持不變, 由子陣級移相器的不斷變化來完成掃描工作?；陉囋壏謪^(qū)波束掃描模式的子陣劃分結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 子陣劃分結(jié)構(gòu)圖

由上式可知, 規(guī)則子陣劃分的綜合波束方向圖為陣元級、子陣級方向圖的乘積, 當(dāng)兩級陣因分區(qū)波束掃描導(dǎo)致預(yù)形成波束指向角度不同時, 若子陣級的柵瓣位置處所對應(yīng)的陣元級輸出增益過高, 將會導(dǎo)致綜合波束方向圖出現(xiàn)高旁瓣。例如, 采用規(guī)則劃分為5子陣的25陣元均勻線列陣, 陣元間距半波長, 兩級均采用等加權(quán), 陣元級指向40°, 子陣級分別指向40°和30°, 仿真結(jié)果如圖2~3所示?？梢园l(fā)現(xiàn), 如果兩級波束指向相同時, 子陣級柵瓣出現(xiàn)的位置與陣元級的零點(diǎn)位置相同, 柵瓣將被抑制; 采用陣元級分區(qū)波束掃描模式導(dǎo)致兩級波束指向不同時, 柵瓣出現(xiàn)的位置對應(yīng)的陣元級方向圖輸出增益過高, 柵瓣未被抑制并產(chǎn)生高旁瓣。因此, 需要進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)旁瓣控制, 從而獲得較低的旁瓣級。

圖2 兩級指向角度相同時綜合方向圖

圖3 兩級指向角度不同時綜合方向圖

2 錯位組合陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)

對于大型子陣陣列結(jié)構(gòu), 影響綜合波束方向圖性能的主要因素包括子陣陣因子(陣元級方向圖)和子陣方向圖(子陣級方向圖)。常見的非規(guī)則子陣劃分通過影響子陣陣因子獲得低旁瓣的綜合方向圖。錯位組合子陣結(jié)構(gòu)則主要從控制子陣方向圖的角度來影響綜合方向圖性能, 一般采用規(guī)則的子陣結(jié)構(gòu)鋪滿整個陣面, 通過子陣間的幾何錯位來抑制大間距引起的柵瓣效應(yīng), 從而實(shí)現(xiàn)旁瓣控制。

2.1 隨機(jī)錯位組合結(jié)構(gòu)

圖4 隨機(jī)錯位組合子陣結(jié)構(gòu)

可以發(fā)現(xiàn), 隨機(jī)的子陣排布方式打亂了子陣方向圖規(guī)則的大子陣間距, 當(dāng)子陣方向圖的高副瓣與子陣陣因子的低增益點(diǎn)對齊時就可以獲得較好的旁瓣控制效果; 同時, 非整數(shù)倍陣元間距的錯位量減少了錯位組合的組合限制, 增加了子陣排布的自由性, 可以獲得更高的主旁瓣比。

2.2 優(yōu)化問題求解

遺傳算法(genetic algorithm, GA)模擬自然界的淘汰和遺傳法則, 通過群組對比搜索, 達(dá)到對參數(shù)空間的快速有效搜索, 非常適用于處理傳統(tǒng)搜索算法難以解決的復(fù)雜和非線性優(yōu)化問題?；诖? 將上文中的陣元級分區(qū)波束掃描模式應(yīng)用于平面陣優(yōu)化, 并使用GA來解決上述的聯(lián)合優(yōu)化問題。

式中:為陣列列數(shù);為每一列線型子陣個數(shù)。變量的保留位數(shù)由隨機(jī)量精度確定。

3 仿真結(jié)果與分析

圖5 整數(shù)倍陣元間距子陣結(jié)構(gòu)綜合方向圖

圖6 隨機(jī)錯位子陣結(jié)構(gòu)綜合方向圖

表1 子陣級主軸指向不同角度下最高旁瓣

將該優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于其他分區(qū), 表2列出了不同分區(qū)極限掃描角度下的最高旁瓣。

表2 不同分區(qū)極限掃描角度下最高旁瓣

由表1可以看出, 在子陣級指向分區(qū)極限角度下優(yōu)化的子陣錯位結(jié)構(gòu)和子陣級權(quán)系數(shù)對于當(dāng)前分區(qū)內(nèi)其他指向角度仍然具有較低的旁瓣級。

4 結(jié)束語

規(guī)則子陣劃分方法雖然容易引起高旁瓣問題, 但其構(gòu)造方法簡單, 在工程實(shí)現(xiàn)上仍具有較多優(yōu)勢。文中以平面陣為例, 陣列工作采用陣元級分區(qū)波束掃描模式, 對相鄰列子陣隨機(jī)錯位量及子陣級權(quán)系數(shù)聯(lián)合優(yōu)化, 突破了現(xiàn)有文獻(xiàn)中錯位量為陣元間距整數(shù)倍的限制, 得到了更低的最高旁瓣; 以掃描分區(qū)內(nèi)某一極限角度計(jì)算獲得的優(yōu)化結(jié)果適用于當(dāng)前分區(qū)以及一定范圍的其他分區(qū)內(nèi)的所有掃描角度, 降低了大型陣列算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

由于水下應(yīng)用環(huán)境存在一定程度的誤差, 同時文中使用的聯(lián)合優(yōu)化遺傳算法收斂速度較慢, 后續(xù)將對優(yōu)化結(jié)果的陣元位置誤差穩(wěn)健性進(jìn)行進(jìn)一步的研究, 并力求降低算法的時間復(fù)雜度。

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Side Lobe Control Method in Subarray Beamforming Based on Randomly Staggered Combination Array

ZHU Peng, DU Jin-xiang

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

In order to reduce the difficulty of engineering implementation of the underwater large-scale sonar array beamforming algorithm, a large planar array with element-level partitioned beam scanning mode can be adopted, without changingthe weight of amplitude and phase of the array element in each scanning partition, and only the subarray-level digital beamforming is adopted, then the beam scanning of the array can be completed. However, this mode will bring high side lobe problems. To solve this problem, a new method of randomly staggered combination array based on regular subarray division is proposed, which breaks the limit of the existing research method that the offset is an integer multiple of the element spacing, and uses genetic algorithm to simultaneously optimize the offseof adjacent columns of the subarray and the subarray-level weight coefficients. The main side lobe ratio is used as the fitness function. Hence, the highest side lobe of the integrated pattern is the lowest and the grating lobe effect caused by the large element spacing at the subarray level is reduced. The simulation results show that the use of random staggered subarray structure, the optimized formation and weight coefficients can effectively avoid the high side lobe in large partitions and obtain a higher main side lobe ratio in different partitions. The control effect of the side lobes is better than that of the existing staggered combination array method, which verifies the effectiveness of the proposed method.

sonar array; randomly staggered subarray; side lobe control; regional division scanning; combination array; genetic algorithm

TJ630.34; TN820 .1

A

2096-3920(2021)02-0183-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.008

祝鵬, 杜金香. 隨機(jī)錯位組合陣列分級波束旁瓣控制方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(2): 183-188.

2020-08-05;

2020-12-03.

祝 鵬(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)殛嚵行盘柼幚?

(責(zé)任編輯: 楊力軍)