基于立體陣列的波束形成性能研究

張永海 周湘竹

【摘要】由于淺海聲信道的復雜性，無論是使用單只水聽器還是普通陣列往往不能得到精確的測量結果，本文針對均勻圓柱陣、均勻球陣兩種立體陣列的波束形成算法性能進行仿真，并對這兩種陣列的性能特點進行了分析和研究

【關鍵字】波束形成 立體陣列

一、引言

波束形成算法是水聲信號處理中提高信噪比的一種重要手段。在由多個水聽器構成的陣列中，對于其中每個水聽器接收到的信號都可能是多條聲線的疊加，若能對各個水聽器接收到的聲信號進行人為的相位補償，就能夠使整個陣列輸出接近于目標聲源的信號，以增強期望信號并對干擾信號進行衰減。

二、波束形成技術

日前，波束形成技術具有很多性能各異的算法，如延遲求和算法、相移算法、MVDR算法、MUSIC算法以及LMS算法等自適應算法，同時水聽器陣列也具有不同的幾何形狀，如一維陣列中的均勻線陣、二維平面陣列巾的矩形陣，十字陣，均勻圓陣等、以及三維陣列中的均勻圓柱陣，雙扭陣，均勻球陣等，不同的波束形成算法和水聽器陣列也各具特點和優勢，并可實現不同的功能。

2.1 立體陣列的構建

在立體陣列中，均勻網柱陣和均勻球陣都具有良好的對稱性和旋轉特性，因此本文選擇這兩種立體陣列進行波束形成性能的仿真和分析。同時，在對不同的立體陣列的波束形成性能進行研究時，應該盡量使得兩種立體陣的陣列大小和平均陣元最小間距達到一致，使得這兩種陣列針對同一頻率的信號進行波束形成時的性能具有可比性。因此設計兩種立體陣列的陣元總數均為N=80，平均陣元最小間距均在0.5m左右，并呵利用MATLAB中的相應函數來實現兩種立體陣列的構建。

2.2 波束形成算法的選擇

相移波束形成對陣列中各個水聽器接收到的信號加入相移來實現波束方向的控制，其將各個陣元之問的聲程差換算為相位差并補償到各個陣元以實現期望信號的增強。MVDR算法使得期望信號無失真地通過波束形成器，同時利用一部分自由度在干擾方向上形成零陷，使得輸出信號的方差達到最小，它具有較高的分辨率，能夠實現在增強日標信號的同時強烈地抑制其他干擾信號的貢獻。

三、仿真實驗

在MATLAB仿真環境下，利用建立的遠場聲源分析模型針對不同方向匕的入射信號進行波束形成仿真，并對均勻圓柱陣和均勻球陣的性能進行分析和研究。

設置目標信號為人射角度為[0 60]的單頻信號，將入射信號的頻率變化范圍設置為[100Hz 50kHz]中以5kHz為間隔的多個頻點，并引入-一個與日標信號頻率相同的干擾信號，入射方向為[0 70]。

通過在上述頻率點時對兩種立體陣列下的波束形成性能進行分析，可以發現，對于相同的強干擾下的單頻入射信號，球陣的波束圖分布最均勻，性能也最穩定，各個性能指標均能兼顧，旁瓣抑制能力最強，頻率適用范圍最廣，但主瓣寬度在三種陣列中最大且旁瓣級也是相對較高的；圓柱陣主瓣寬度較低，旁瓣級較高，但是隨著頻率提高，最早出現柵瓣，且指向性也變差，在高頻情況下基本喪失指向性，且柵瓣明顯，頻率適用范圍較低。

對于兩種波束形成方法，MVDR算法能夠很好地抑制干擾方向上的信號；在主瓣寬度，旁瓣級，陣增益等性能參數上，當高頻范圍內，MVDR算法的性能已經很接近于相移算法。

可以進一步看出立體陣MVDR波束形成的優勢，它能夠在維持其他性能參數幾乎不變和增強月標方向上信號的同時，能夠對非目標方向上的信號進行強衰減，這在噪聲測量中的優勢也是很明顯的。

四、結束語

本文對均勻圓柱陣、均勻球陣在相移算法、MVDR算法下的波束形成進行了分析和研究，在MATLAB環境下建立仿真模型，并得到不同立體陣列和波束形成算法的特點和優勢。