水下超波束形成技术性能仿真研究

    0 引 言

    如何提高对信号来向估计的精确性仍然是设计高性能声呐系统的关键性技术。传统的方法是增加基阵孔径，这就受到了系统硬件系统的限制，从工程领域考虑，为了节约时间和经济成本，需要找到一个在保持自导系统基阵等硬件条件不改动的情况下，提高其分辨性能的方法。

    超波束形成 ( hyper beam forming，HBF) 是阵列信号处理领域内能同时进行波束锐化和旁瓣抑制的新技术，通过算法的适用性改造，将换能器或者换能器基阵分成 2 组，形成分裂波束并进行超波束算法处理，可在不增加额外硬件的条件下，通过自导系统的软件升级达到减小束宽、抑制旁瓣和栅瓣的目的，从而提高对信号来向估计的精确性。

    该算法具有波束主瓣尖锐、抑制旁瓣和栅瓣、降低接收端噪声级等优点，本文将通过理论分析和性能仿真，对其在水声探测系统的应用性能进行系统研究和验证。

    1 超波束形成理论

    1. 1 超波束技术原理

    传统的均匀线列阵分裂波束系统如图 1 所示。

    图1 中 θ 为信号的入射角，由1 ～ N 的阵元输出求和后得到左波束输出 yL，由 N +1 ～2N 的阵元输出求和后得到右波束输出 yR。

    设图1 中阵列输入信号为X( t) ，分别通过左右波束形成的加权向量WL和WR运算，形成同轴向并具有不同声学中心的分裂波束，左右2 个子阵的波束输出为

    从式( 1) 可以得到左右 2 个分裂波束的和波束yS与差波束 yD分别为:

    不失一般性，以 10 阵元的等间隔线列阵为例，设预成波束主轴在 0°方向，左右各 5 个阵元形成的分裂波束的和波束与差波束的指向性如图 2 所示。可以看出，当目标方位偏离预成波束主轴方向时，差波束响应幅值增大，和波束响应幅值减小。

    根据差波束在信号入射方向的优良特性，结合和波束 ( 传统波束) 可构造超波束

yHyp= yS－ yD。 ( 3)

    常规波束与超波束指向性如图 3 所示。从式( 3) 和图 2 可得出，当预成波束方向和信号入射方向相同时，左右 2 个子阵的波束响应幅值相同; 当入射方向和预成方向偏离较大时，和波束响应幅值减小，差波束响应幅值增大，从而使得超波束的输出得到锐化。

   定义广义的超波束形成公式为

yHyp+ b yR)n－ yL－ yR[ ]n 1 / n。 ( 4)

    式中: n 为超指数; a 和 b 分别为形成和波束的左右2 个分裂波束的权重系数 ( 限定 a + b = 2) ，通过调整权重系数可以改变左右 2 个半波束的均衡性。