張遠洋羅明愿

（1.海軍工程大學，武漢，430033；2.第七一五研究所，杭州，310023）

一種基于波束輸出方位變化特性的信號檢測方法

張遠洋1,2羅明愿2

（1.海軍工程大學，武漢，430033；2.第七一五研究所，杭州，310023）

對一種可實時實現的信號檢測方法進行了分析，該方法采用分裂波束進行實時精確測向，利用實時方位序列方差對波束輸出進行加權處理，仿真結果證明該方法有較好的檢測效果。

信號檢測；抗干擾；分裂波束；測向

由于海洋環(huán)境的多種隨機不均勻性，聲波經過海洋環(huán)境傳輸后，接收到的聲信號與聲源發(fā)出的聲信號有著明顯的區(qū)別。聲吶工作者的目標是從接收到的聲信號中檢測、估計聲源的距離、方位等信息。由于接收聲信號與聲源聲信號的明顯差異導致檢測、估計目標聲源信息的難度增加。如何從受到干擾的聲信號中檢測到聲信號、并估計出其方位和距離信息是研究的難點。

在海洋環(huán)境中，通常將目標看成點源，具有確定的方位；而環(huán)境噪聲和混響是散布在空間中的各個方向。更簡單的描述是，當空間中存在明確的點源目標時，實時測得目標方位應該是確定的，而當空間不存在目標時，測得的方位數據應具有較強的隨機性，本文利用這一區(qū)別來實現信號檢測[1]。

1 信號檢測原理

利用波束指向性極大值出現的位置可以確定目標的大致方位，但是方位精度是較低的。通常而言，波束都具有一定的寬度，當目標方位在一定的范圍內擺動，感官上很難區(qū)分波束輸出值的微小變化。所以要想較精確地確定目標方位，應該尋求一種對目標方位角的微小變化能作出靈敏反應的方法，而分裂波束形成正是這樣的一種方位角精測系統(tǒng)[2]。如圖1所示的7元圓弧陣，基元在圓周上均勻分布。

圖1 圓弧陣示意圖

利用分裂波束進行實時測向，圖1所示陣形分成左右半陣，均為4元陣，中間基元復用。

式中α為兩個基元間的圓心角，N為基元數。

假定信號入射方向為θ，左半陣波束主瓣角度為0θ，左陣波束輸出為

其中，s(t)=exp{j(2πft)}是入射信號的波形，ω0為其頻率。τi(θ0)為波束聚焦到θ0方位時，第i號基元應補償的時延。τi(θ)為某一基元的延遲。假設該基元的坐標位置為[x,y]，信號來向為θ，該基元相對參考位置的延遲為

其中c為聲速。對式（2）右端進行分解

圖1分解陣形的右半陣波束輸出為

對式（5）右端進行分解有

由式（4）和式（6）即可得到

左半陣和右半陣可以分別看成一個子陣，那么左半陣和右半陣分別有一個等效聲中心，此時可以將左半陣和右半陣當成一個二元陣來處理。d為基元中心間距，ω為信號角頻率，λ為信號波長。由二元陣定向原理可知，當信號來向為θ時，左基元接收到的信號相對于右基元接收到的信號，相位延遲為φ，其數學表達式見式（9）。當θ很小時，可以認為sin(θ)=θ，那么式（9）可以化簡為式（10）。

圖2 二元陣定向原理

式（7）中的相位即為左半子陣和右半子陣的相位差，利用計算機仿真即可測得信號來向與左半子陣和右半子陣接收信號相位差之間的對應關系，因此可以實時測得瞬時方位。

實際中由于干擾的存在，不可能接收到純凈的信號，所以點源瞬時方位會存在干擾的影響。通常的做法是對瞬時方位序列進行統(tǒng)計意義上的處理，盡可能減小干擾的影響。這里對瞬時方位序列進行求解短時平均值和方差，利用瞬時方位序列的方差對波束輸出進行加權處理，以達到信號檢測的目的。

計算瞬時方位短時平均值和方差

利用瞬時方位方差構造權函數，對波束輸出進行加權。

由式（1）～（9）的推導中可知，根據分離波束原理，對于每一對左波束和右波束的樣本點，均可以得到一個瞬時的方位值，可以選取5～6個波長的樣本點進行計算方位的短時平均值和方差。短時方位平均值和方位方差的實時計算公式如式（13）、（14）。

從式（13）可以看出瞬時方位短時平均值可以通過兩次乘法、一次加法和一次減法實現。從式（14）可以看出瞬時方位短時方位方差可以通過一次加法、兩次減法和四次乘法實現。

2 仿真分析

陣形為18元直線陣，半波長布陣，頻率為4 kHz，采樣頻率為30 kHz，信號來向為94.5°，輸出的時域信號調制到零頻。圖3～圖10為90°波束兩組信噪比條件下（?13 dB和?20 dB）的計算機仿真結果，信噪比為?20 dB的仿真結果如圖3～6所示，信噪比為?13 dB的仿真結果如圖7～11。

圖3 常規(guī)波束輸出

圖4 瞬時方位序列

圖5 瞬時方位方差倒數

圖6 經瞬時方位方差倒數加權的波束輸出

圖7 常規(guī)波束輸出

圖8 瞬時方位序列

圖3是信噪比為?20 dB時常規(guī)波束形成的輸出信號。圖7為信噪比為?13 dB時常規(guī)波束形成的輸出信號。圖4和圖8為相應的瞬時方位序列，可以看到采用分裂波束測得的瞬時方位序列被限定在一定的范圍之內，即波束形成已經對波束寬度外的干擾進行了抑制，這也是波束形成增強信號抑制干擾的體現。圖5和圖9為瞬時方位序列方差的倒數，有信號段的瞬時序列方差倒數明顯小于無信號段。圖6和圖10為經瞬時方位序列方差倒數加權處理結果。將圖3和圖6進行比較可以發(fā)現，信號檢測的概率大大增加。

圖9 瞬時方位方差倒數

圖10 經瞬時方位方差倒數加權的波束輸出

圖11 60°波束輸出

圖12 瞬時方位序列

圖13 瞬時方位方差倒數

圖14 經瞬時方位方差倒數加權的波束輸出

圖15 120°波束輸出

圖16 瞬時方位序列

圖17 瞬時方位方差倒數

圖18 經瞬時方位方差倒數加權的波束輸出

圖11～圖14為60°的波束輸出，信噪比為?20 dB，圖15～18為120°的波束輸出，信噪比為?20 dB。通過對比可以發(fā)現圖6與圖14和圖18有明顯的差異。

3 結論

文中對一種信號檢測方法進行分析，該方法利用檢測的實時方位序列的統(tǒng)計特征對時域數據進行加權，有效地抑制非信號段的干擾與噪聲，最大限度保留信號，從而實現信號的檢測，該方法適用于主動窄帶信號處理。同時也應看到信號段內的噪聲與干擾對方位輸出序列有顯著的作用，影響了真實信號輸出方位的估計。后續(xù)應進一步研究信號段的噪聲與干擾的抑制。

[1]梁國龍.回波信號瞬時參數序列分析及其應用研究[D].哈爾濱工程大學,1997.

[2]李啟虎.聲吶信號處理引論[M].北京: 海洋出版社,1985: 309.