一種提高奇偶交錯(cuò)體積陣處理速度的分解方法*

黃　迪　樓萬翔

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所　杭州　310012)

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一種提高奇偶交錯(cuò)體積陣處理速度的分解方法*

黃迪樓萬翔

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所杭州310012)

針對奇偶交錯(cuò)體積陣無法使用整齊布陣的快速處理方法造成計(jì)算量成倍增加的問題，文章詳細(xì)分析了奇偶交錯(cuò)體積陣的處理過程，提出將奇偶交錯(cuò)體積陣按奇數(shù)號(hào)陣元和偶數(shù)號(hào)陣元進(jìn)行分解，重新組合形成兩個(gè)新的體積陣，然后分別對兩個(gè)體積陣使用整齊布陣的快速處理方法，最后對兩陣處理結(jié)果進(jìn)行加權(quán)組合得最終結(jié)果，從而大大提高了奇偶交錯(cuò)體積陣的處理速度。通過仿真數(shù)據(jù)處理證明該方法的結(jié)果與直接計(jì)算的結(jié)果完全重合，但是處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接計(jì)算的速度。

奇偶交錯(cuò)體積陣; 奇數(shù)號(hào)陣元; 偶數(shù)號(hào)陣元

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1　引言

體積陣可以在三維空間對信號(hào)進(jìn)行空間采樣，是當(dāng)前聲納中最常用的陣型之一。體積陣在布陣時(shí)將奇數(shù)層陣元和偶數(shù)層陣元在水平方向上交錯(cuò)水平陣元間距的一半，或者奇數(shù)列陣元和偶數(shù)列陣元在垂直方向上交錯(cuò)垂直陣元間距的一半 (如圖1所示)，可以使得水平維等效陣元間距是整齊布陣(即每列奇偶陣元在同一垂線上，每行陣元在同一平面上，如圖2下面兩圖所示)的一半，可以在不增加陣元數(shù)的基礎(chǔ)上，提高基陣的頻帶處理上限，降低了布陣的經(jīng)濟(jì)成本，是當(dāng)前體積陣的一種常用布陣形式[3～4]。

現(xiàn)在針對整齊布陣的體積陣通常存在快速處理方法[1～2]，可以成倍的提高基陣的處理速度，降低基陣信號(hào)處理的經(jīng)濟(jì)成本，但是對于奇偶交錯(cuò)的體積陣由于奇數(shù)層和偶數(shù)層(或者奇數(shù)列和偶數(shù)列)交錯(cuò)，不適用這些快速處理方法。現(xiàn)有針對奇偶交錯(cuò)體積陣的處理方法都是對每個(gè)陣元的數(shù)據(jù)根據(jù)陣元坐標(biāo)和預(yù)成角度逐個(gè)進(jìn)行相位補(bǔ)償，這樣產(chǎn)生的計(jì)算量成倍的增加，增加了基陣信號(hào)處理的經(jīng)濟(jì)成本。在基陣陣元數(shù)眾多的情況下，一定程度上會(huì)抵消奇偶布陣陣元數(shù)減少帶來的成本優(yōu)勢，為此提出一種針對交錯(cuò)陣的快速處理方法顯得非常必要。

本文詳細(xì)分析了奇偶交錯(cuò)體積陣的波束形成的處理過程，發(fā)現(xiàn)將處理結(jié)果可以分解成奇數(shù)號(hào)陣元處理結(jié)果和偶數(shù)號(hào)陣元處理結(jié)果加權(quán)求和的形式，特別是權(quán)系數(shù)與陣元位置無關(guān)，進(jìn)而可以將奇偶交錯(cuò)體積陣等效分解為奇數(shù)號(hào)陣元和偶數(shù)號(hào)陣元組合成的新的體積陣，新的體積陣是整齊布陣的形式可以采用整齊布陣的快速處理方法，從而大大提高了奇偶交錯(cuò)體積陣的處理速度。

2　算法原理

2.1算法思想

本方法針對奇偶交錯(cuò)的體積陣，將每一列奇數(shù)號(hào)陣元和偶數(shù)號(hào)陣元分開，形成兩個(gè)垂直陣元均在一條直線上(如圖2，圖3)，垂直陣元間距是原來兩倍的新的體積陣，然后采用整齊布陣體積陣的快速處理方法分別對兩個(gè)新陣進(jìn)行處理，根據(jù)兩新陣的相對位置將兩陣處理結(jié)果進(jìn)行加權(quán)求和，最后得到交錯(cuò)陣的處理結(jié)果。

(a)

(b)

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)圖3　交錯(cuò)圓柱陣(a)變?yōu)槠鏀?shù)圓柱陣(b)和偶數(shù)圓柱陣(c)分解圖

此方法將交錯(cuò)體積陣分解為奇數(shù)陣和偶數(shù)陣，避免了將交錯(cuò)陣看作整齊陣處理引入的偏差，形成的奇數(shù)陣和偶數(shù)陣可使用整齊陣的快速處理方法，和根據(jù)陣元坐標(biāo)逐個(gè)進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ啾龋蟠筇岣吡颂幚硭俣取?/p>

2.2算法原理

下面以奇偶交錯(cuò)的平面陣為例介紹一下實(shí)現(xiàn)原理，(其它體積陣?yán)鐖A柱陣原理相同)：

設(shè)平面陣(如圖2(a)圖)共MH層，每層陣元數(shù)為ML，陣元間距為d，奇數(shù)號(hào)陣元和偶數(shù)號(hào)陣元上下交錯(cuò)。以平面陣底層陣元為xy平面，陣元坐標(biāo)可以表示為

-R,(mh-1)h}

(1)

其中mh為層數(shù)(從1開始)，ml為水平第ml個(gè)陣元(從1開始)，R為平面陣距原點(diǎn)的距離，h為層高，%為取余運(yùn)算。

設(shè)信號(hào)的入射方位角為θ，俯仰角為φ，則入射的方位矢量為

(2)

陣元對應(yīng)的時(shí)延

(3)

這里mh和ml均從0開始。

將交錯(cuò)平面陣分解為奇數(shù)陣和偶數(shù)陣(如圖2)。

體積陣處理都是從波束形成開始的，在某個(gè)頻點(diǎn)對各陣元補(bǔ)相位求和得：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

從上面的表達(dá)式可以看出Ψ與陣元位置無關(guān)，Φo,Φi為奇數(shù)號(hào)陣元和偶數(shù)號(hào)陣元組成的新的體積陣的結(jié)果，所以使用平面陣整齊布陣時(shí)的快速算法進(jìn)行計(jì)算。

3　算法流程

1) 根據(jù)坐標(biāo)系確定陣元坐標(biāo)

2) 將每一列奇數(shù)陣元和偶數(shù)陣元分開得到奇數(shù)陣和偶數(shù)陣

3) 使用整齊陣快速算法分別計(jì)算奇數(shù)陣和偶數(shù)陣的結(jié)果

4) 計(jì)算兩陣的加權(quán)系數(shù)，這里平面陣為

圓柱陣為

其中MR為水平維陣元數(shù)，mr為水平維陣元編號(hào)，mθ為水平維預(yù)成波束角度。

5)將奇數(shù)陣和偶數(shù)陣結(jié)果加權(quán)求和得交錯(cuò)陣結(jié)果

有的交錯(cuò)體積陣描述時(shí)采用水平維奇偶陣元上下交錯(cuò)垂直陣元間距的一半，這和垂直陣元間距是原陣一半，垂直陣元數(shù)是原陣兩倍，水平陣元間距是原陣兩倍，水平陣元數(shù)是原陣一般的垂直維交錯(cuò)陣描述的是同一陣型，也可以使用本文的分解方法。

4　算法仿真

設(shè)平面陣長7.2m，高2.2m，共8層，每層有64個(gè)陣元均勻分布，每層奇數(shù)陣元和偶數(shù)陣元上下交錯(cuò)。接收的信號(hào)為2000Hz的單頻信號(hào)，采樣頻率為12kHz，處理的頻帶寬度為200Hz，信噪比為-20dB。分別比較目標(biāo)俯仰角為0°，方位角分別為30°、60°、120°、150°快速算法和常規(guī)算法的水平維的結(jié)果,目標(biāo)方位角為90度，俯仰角分別為-20°、-10°、10°、20°快速算法和常規(guī)算法的垂直維的結(jié)果。從兩圖可以看出快速算法與常規(guī)算法的結(jié)果完全重合。

圖4　交錯(cuò)平面陣分解后使用快速方法與對直接計(jì)算的水平維波束形成結(jié)果比較

圖5　交錯(cuò)平面陣分解后使用快速方法與直接計(jì)算的垂直維波束形成結(jié)果比較

表1為不同方位入射時(shí)交錯(cuò)平面陣分解后使用快速算法和直接計(jì)算的運(yùn)行時(shí)間，從表中可以看出分解后使用快速算法運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分解前直接計(jì)算的速度。

表1　垂直陣元數(shù)為16，水平陣元數(shù)為32，目標(biāo)俯仰為0°的分解后使用快速算法和直接計(jì)算運(yùn)行時(shí)間

5　結(jié)語

本文針對奇偶交錯(cuò)體積陣無法使用整齊布陣的快速處理算法造成計(jì)算量成倍增加的問題，分析了奇偶交錯(cuò)體積陣的計(jì)算過程，提出將奇數(shù)號(hào)陣元和偶數(shù)號(hào)陣元進(jìn)行分解，重新組合形成兩個(gè)新的體積陣，然后分別對兩個(gè)體積陣使用整齊布陣的快速處理方法，最后對兩陣處理結(jié)果進(jìn)行組合，從而大大提高了奇偶交錯(cuò)體積陣的處理速度。通過仿真數(shù)據(jù)處理證明本方法的結(jié)果與直接計(jì)算的結(jié)果完全重疊，但是處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接計(jì)算的速度。

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A Decomposition Method To Improve Processing Speed of Odd-even Staggered Volume Array

HUANG DiLOU Wanxiang

(Hangzhou Applied Acoustics Research Institute, Hangzhou310023)

After analyzing the processing of the odd-even staggered volume array in detail, this paper proposes a method to solve the problem that the fast methods of the tidy volume arrays can not be used to deal with the odd-even staggered volume arrays so that the calculation increases greatly. This method decomposes the odd-even staggered volume array to two new arrays, one is composed of the odd elements of the old array, another is composed of the even elements, then the fast methods of the tidy volume arrays are used to calculate the beam-forming of the two new arrays, finally the two results are composed together. This method improves the processing speed greatly. Through dealing with the simulation experimental data, it is proved that the result of this method is the same with the result of common method, but the speed is greatly faster.

odd-even staggered volume array, odd elements, even elements

2016年4月3日,

2016年5月20日

黃迪,男,碩士,工程師,研究方向：聲吶總體設(shè)計(jì)及信號(hào)處理。樓萬翔,男,碩士,助理工程師,研究方向：聲吶總體設(shè)計(jì)及信號(hào)處理。

TN929

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.035