基于复合加权的矢量线列阵方位估计方法

张国强+沈广楠+李金平+史鑫+宫占江

摘 要：针对水下目标被动探测及精确定向的问题，提出基于复合加权的矢量线列阵方位估计方法。矢量线列阵接收到的声信号进行线性加权处理及非线性加权处理，两者波束输出函数之积作为矢量线阵波束函数。数值仿真结果表明，与比传统的线列阵加权处理相比，该方法检测性能得到提高，尤其在非垂直线列阵的孔径方向上波束改进3dB。该方法对矢量线列阵定位研究具有一定参考价值。

关键词：目标探测；矢量线阵列；复合加权；方位估计

中图分类号：TB56 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0011-02

引言

目前，声纳普遍采用水听器阵列来提高对目标的检测和定位能力[1]，为了形成更为尖锐的指向性，将尽力扩大阵列孔径，从而得到较高阵列增益实现对微弱目标检测，然而常规阵列是通过增加阵元数目来扩展阵列孔径[2]。波束形成是阵列在空间上抗噪声和混响场的一种处理过程，评判波束形成性能的一般指标是波束图的主瓣宽度，旁瓣级和指向性指数，对于均匀分布线阵，通过契比雪夫加权方法，可以获得低旁瓣波束，这是以展宽主瓣波束为代价的，波束图的设计变得非常困难。若仍采用常规的方法，将会导致主瓣形状畸变，旁瓣级升高，致使整个阵列的虚警概率急剧上升，而且基于波束输出的测向方法的精度将严重下降。如何保持低旁瓣的波束输出就显得很重要[3]。如何在保持阵列增益、低旁瓣的波束、束宽等指标的前提下，减少阵元数目，降低阵列孔径，提高目标定向精度，进而提高性能价格比是当前阵列及阵列信号处理研究的重点和难点[4]。

1 矢量线列阵信号接收模型

矢量线列阵信号接收模型如图1所示。线列阵沿着坐标系的X轴布放。目标S辐射的声波到达矢量线列阵的角度分别为θ和？覫。束控角度分别为θs和？覫s。

矢量线列阵复合加权方位估计方法相对于传统的矢量线列阵具有较高检测性能。波束输出Yf（θs，？覫s）幅度最大时，θs，？覫s为目标所在方位。

3 数值仿真分析

MATLAB数值仿真条件为：取目标声信号频率f=1000Hz，声速c=1500m/s，入射角度分别为θ=45°、θ=90°，背景噪声为限带高斯白噪声。满足远场条件，矢量线列阵接收到声信号为平面波，矢量线列阵的阵元数n=8，阵元间距d=c/（2f），进行矢量线列阵复合加权波束定向仿真计算。

仿真一：依据复合加权的矢量线列阵方位估计方法的原理，入射角度为θ=90°，分别在信噪比为SNR=0dB和SNR=10dB三种条件下，进行仿真计算得到矢量线列阵的波束如图2所示。

对比图2中的（a）和（b）可以看出，在入射角度θ=90°时，信噪比越大，主旁瓣比越大，且左、右舷分辨越清楚。

仿真二：依据复合加权的矢量线列阵方位估计方法的原理，入射角度为θ=45°，分别在信噪比为SNR=0dB和SNR=10dB三种条件下，进行仿真计算得到矢量线列阵的波束如图3所示。

对比图3的（a）和（b）可以看出，在入射角度θ=45°时，信噪比越大，主旁瓣比越大，且左、右舷分辨越清楚。在阵列方向上，即0°和180°波束上，波束改进3dB。

4 结束语

通过理论分析及MATLAB数值仿真表明，基于复合加权的矢量线列阵方位估计方法有效改善了矢量线列阵的指向性，提高了矢量线列阵的定向精度，尤其在非垂直线列阵的孔径方向上，矢量线列阵复合加权波束比传统的线列阵加权波束改进3dB。同时降低了可处理信噪比门限，提高了矢量线列阵探测能力。

参考文献：

[1]張揽月，杨德森.基于MUSIC算法的矢量水听器阵源方位估计[J].哈尔滨工程大学学报，2004，25（1）：30-33.

[2]王德俊.矢量声场与矢量信号处理理论研究[D].哈尔滨工程大学，2004.

[3]冯西安.水下目标高分辨方位估计技术研究[D].西北工业大学，2004.

[4]孙贵青，张春华，黄海宁，等.声矢量传感器线阵的左右舷分辨[J].哈尔滨工程大学学报，2010，31（7）：848-855.endprint