基于平滑相干變換處理的分裂孔徑波束形成方法

范澤亞 徐雅南 陳伏虎

摘? 要：傳統聲吶系統通常將全陣波束形成結果直接送顯輸出，且全陣波束處理往往未有效利用信號的相關性，針對此特點，本文結合平滑相干變換（Smoothed Coherence Transform，SCOT）處理原理，提出一種基于SCOT預白化處理的分裂孔徑波束形成處理方法。該方法首先將陣列孔徑一分為二，其次對兩子孔徑波束輸出進行SCOT、互譜處理，最后獲得最終的波束輸出。與常規全陣波束處理方法相比，本文所提出的方法能有效抑制高噪聲頻率成分，同時提高目標的方位分辨能力。仿真結果表明，該方法能有效改善波束的輸出效果。

關鍵詞：SCOT;分裂孔徑;噪聲抑制;方位分辨

中圖分類號：TP391.7? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：2096-1472（2021）-01-29-03

Abstract： Traditional sonar systems tend to directly display and output to send the results of full-array beamforming. The full-array beam processing does not make effective use of signal correlation. In view of this feature， this paper proposes a split aperture beamforming processing method based on Smoothed Coherence Transform （SCOT） pre-whitening processing principles. This method first divides the array aperture into two， and then performs SCOT and cross-spectrum processing on the output of the two sub-aperture beams. Finally， it obtains the final beam output. Compared with the conventional full-array beam processing method， the method proposed in this paper can effectively suppress high-noise frequency components while improving the target's azimuth resolution ability. The simulation results show that this method can effectively improve the beam output effect.

Keywords： SCOT; split aperture; noise suppression; azimuth resolution

1? ?引言（Introduction）

在傳統聲吶系統中，通常將全陣波束形成結果經積分處理后直接送顯輸出，目標方位估計性能完全取決于所選擇的波束形成算法，常見的有常規波束形成[1]、最小方差無畸變波束形成[2]等。這種處理方式雖然過程簡單，在近似平穩噪聲條件下性能優異，但其不太適用于背景雜波豐富的情況。Cater等人[3]最早提出了SCOT處理框架，由于該處理過程本質上是一種預白化加互相關處理方法，因而對噪聲具有明顯的抑制作用，其在精確時延估計[4]當中有著廣泛的應用。隨著分裂波束處理技術的發展[5，6]，將SCOT預白化處理原理與分裂波束處理技術相結合有著較為實際的應用意義。

綜上所述，在全陣波束處理基礎之上，為了進一步提高陣列對噪聲的抑制作用和對目標的方位分辨效果，本文提出一種基于SCOT預白化處理的分裂孔徑波束形成處理框架，與全陣波束形成相比，該方法能獲得更高的信號處理增益，同時實現簡單，適于工程應用。

2? ?SCOT原理（SCOT theory）

考慮兩寬帶平穩離散接收信號：

其中，表示兩接收信號之間的時延;為源信號，和為加性噪聲，且三者互不相關。

基于、和之間互不相關的假設，對兩接收信號和進行相關分析，計算二者之間的互相關函數：

顯然，當時，取得最大值，即獲得對應的時延估計值。

通常情況下，互相關函數由互功率譜經傅立葉逆變換求得：

其中，為兩接收信號的互功率譜，表示傅立葉逆變換。

在實際應用中，為了提高時延估計精度，引入廣義互相關時延估計方法[7，8]，圖1給出該方法對應頻域濾波處理模型：將信號和分別經過濾波器和濾波，獲得輸出和，然后對和的互功率譜求傅立葉逆變換，并經峰值檢測獲得最終的時延估值。其中，、、、、、和分別表示原始信號、噪聲1、噪聲2、信號1、信號2、信號1濾波輸出和信號2濾波輸出所對應的頻譜。

SCOT定義為互相關函數的加權傅立葉逆變換：

可以看出，當噪聲分量或較大時，會引起信號自譜分量或較大，進而使得較小，即達到了抑制高噪聲頻率分量的目的。

3? ? SCOT處理分裂孔徑波束形成方法（Split apterture beamforming method based on SCOT）

為了利用SCOT處理對噪聲良好的抑制特性，獲得更優的波束輸出結果，提出基于SCOT預白化處理的分裂孔徑波束形成框架，如圖2所示。首先，將陣列孔徑一分為二，兩子孔徑在處理帶寬各頻率點上獨立同步做各向波束形成，形成寬帶方位譜;其次，將兩子孔徑對應的寬帶方位譜進行SCOT處理、互譜處理，獲得寬帶方位輸出系數;最后，利用SCOT處理所得到的寬帶方位輸出系數點乘全陣波束形成所得的寬帶方位譜，形成最終的寬帶方位波束輸出結果。

最后，將寬帶方位波束輸出各頻點、各快拍結果累加，即可得到各掃描角度對應的最終波束輸出結果。

4? ?仿真結果（Test result）

取24元均勻線列陣，陣元間距0.6m。構造方向入射的隨機白噪聲信號，設置信噪比0dB，采樣頻率12kHz，聲速1500m/s，處理帶寬設定為500—2 000Hz，掃描角度設定為，采用72快拍的頻域數據進行仿真處理。

圖3對應前后半陣首先采用CBF算法處理，然后在不同方位頻率上進行SCOT、互譜處理后輸出的寬帶方位系數，可以看出越接近目標真實方位，前后半陣的輸出相關性越強。圖4為CBF算法與基于SCOT處理的CBF算法對應的波束輸出結果，可以看出基于SCOT處理的CBF算法波束旁瓣更低，主瓣更窄。圖5對應前后半陣首先采用MVDR算法處理，然后在不同方位頻率上進行SCOT、互譜處理后輸出的寬帶方位系數。圖6為MVDR算法與基于SCOT處理的MVDR算法對應的波束輸出結果，可以看出基于SCOT處理的MVDR算法較全陣MVDR算法波束旁瓣更低，主瓣更窄。

5? ?結論（Conclusion）

本文在SCOT處理具有良好的噪聲抑制特性基礎之上，提出了基于SCOT預白化處理的波束形成處理方法。該方法能顯著抑制噪聲影響，同時獲得更窄的主瓣寬度，提高了信號處理增益，其原理簡單，實現方便，具有較好的工程實用性。

參考文獻（References）

[1] Krim H， Viberg M. Two decades of array signal processing research： the parametric approach[J]. IEEE Signal Processing Magazine， 1996， 13（4）：67-94.

[2] Capon J. High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analysis[J]. Proceedings of the IEEE， 1969， 57（8）：1408-1418.

[3] Carter G C， Nuttall A H， Cable P G. The smoothed coherence transform[J]. Proceedings of the IEEE， 1973， 61（10）：1497-1498.

[4] Wang H， Li J， Sun Z， et al. Accurate delay extraction for indoor pulse sound source location[C]. 12th International Conference on Signal Processing （ICSP）.IEEE， 2014：298-301.

[5] 錢韜.線陣分裂波束處理技術在水聲探測中的應用[J].聲學技術，2015，34（06）：551-555.

[6] 匡彪，王琨，袁春姍，等.平面陣分裂波束DOA估計技術研究[J].聲學與電子工程，2018（04）：28-31.

[7] 邱天爽，汪璉.廣義相關時間延遲估計的自適應實現[J].海洋技術學報，1994，13（04）：20-31.

[8] 景思源，馮西安，張亞輝.廣義互相關時延估計聲定位算法研究[J].聲學技術，2014（05）：464-468.

作者簡介：

范澤亞（1990-），男，碩士，助理工程師.研究領域：聲吶信號處理.

徐雅南（1989-），男，碩士，工程師.研究領域：聲吶信號處理.

陳伏虎（1968-），男，碩士，研究員.研究領域：聲吶總體設計及信號處理.