（水声工程专业论文）航空声纳波束形成算法及dsp实现研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 abs tract wi t h t h e f as t d e v e l o p m e n t o f i n f o r m a t i o n s c i e n c e a n d d i g i t a l t e c h n o l o g y , s o n a r s y s t e m i s d i g i t i z e d a n d i n t e l l i g e n t i z e d g r a d u a l l y . a s b e a m f o r m i n g i s t h e i m p o r t a n t p a r t o f s o n a r s i g n a l p r o c e s s i n g , it s n e c e s s a ry t o d e s i g n d i g i t a l a n d h i g h p e r f o r m a n c e b e a m f o r m e r . i n t h i s t h e s i s , t h e b e a m f o r m i n g a l g o r i t h m o f a i r b o r n e d i p p i n g s o n a r s y s t e m is i n t r o d u c e d a n d t h e e m p h a s i s i s p l a c e d o n t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s y s t e m. t h e c o n t e n t c a n b e s u mma r i z e d a s f o l l o ws : f i r s t l y , t h e b a s i c t h e o r y o f s o n a r t e c h n o l o g y i s d e s c r ib e d , t h e n , s o m e o r d in a r y b e a m f o r m i n g a l g o r i t h m s a r e i n t r o d u c e d . s e c o n d l y , a b e a m f o r m i n g a l g o r i t h m o f h y d r o p h o n e a r r a y i s p r e s e n t e d , a n d a d a p t iv e m e t h o d i s a d o p t e d t o o p t i m i z e t h e b e a m p a tt e rn. a f i r f i lt e r h as b e e n u s e d t o i m p l e m e n t t h e b e a m f o r m in g a l g o r i t h m a n d t h e r e s u l t o f s i m u la t i o n i s g i v e n t h i r d l y , p e r f o r m a n c e , a c c o r d i n g t o t h e s i m u la t i o n r e s u l t s a n d t h e i n d e x o f s y s t e m t h e c i r c u i t i s d e s i g n e d , w h i c h i s b a s e d o n a d s p + c p l d + d r a m p a t t e rn. t h e p r a c t i c a b i l i t y o f h a r d w a r e i s a n a l y z e d , a n d t h e r e a l i z a t i o n o f d i ff e r e n t f u n c t i o n i s a l s o d i s c u s s e d at l ast , t h e i n c l u d in g s y s t e m p r o c e d u r e o f s y s t e m s o ft w a r e d e s i g n i s d e s c r i b e d i n d e t a i l s , w o r k f l o w , o p t i m i z a t i o n o f c a l c u l a t i n g e t c . f i n a l l y t h e d e b u g g i n g c o u r s e o f s o ft w a r e a n d h a r d w a r e i s p r e s e n t e d , a n d s o m e c o n c l u s i o n s a r e g i v e n k e y w o r d s : s o n a r s y s t e m b e a m f o r m i n g d s p ( d i g it a l s i g n a l p r o c e s s o r ) c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1问 题的引入 近年来， 随着科学技术的高速发展， 人类对覆盖地球总面积 7 0 % 的海洋的认 识逐渐深化， 海洋因其经济上的巨大潜力和战略上的重要地位逐渐被人们所认 同。美国加州海洋研究中心的罗伯逊博士说“ 海洋的开发对人类带来的利益要 比 那些耗资庞大的太空计划实惠得多” 。可见，在2 1 世纪，人们对海洋资源 的开发和利用将会越来越重视。 众所周知， 电磁波是空气中传播信息最重要的载体， 例如， 通信、 广播、 电视、 雷达等都是利用电磁波。 但是在水中， 它几乎没有用武之地。 这是因为海水是一 种导电介质， 向海洋空间辐射的电磁波会被海水介质本身所屏蔽， 它的绝大部分 能量很快地以涡流形式损耗掉了， 因而电磁波在海水中的传播受到严重限制。 至 于光波， 本质上属于更高频率的电磁波， 被海水吸收损失的能量更为严重， 因此， 它们在海水中都不能有效地传递信息。 实验证实， 在人们所熟知的各种辐射信号 中， 以声波在海水中的传播性能为最佳。正因为如此， 人们利用声波在水下可以 相对容易地传播及其在不同介质中传播的性质不同 研制出了多种水下测量仪 器、侦察工具和武器装备， 即各种 “ 声纳”设备。 声纳是“ s o n a r ” 一词的音译， 它的全称是“ s o u n d n a v i g a t i o n a n d r a n g i n g , 意思是声导航与测距。声纳是利用水下声波判断海洋中物体的存在、位置及类 型的方法和设备。近年来，人们把它的含义进行了推广，以至于只要是用水下 声波作为传播媒体，以达到某种目的的设备和方法都被称之为声纳。由于声纳 是利用水下声波对目 标进行探测和定位的设备，因而水面舰艇、潜艇、鱼雷、 水雷、水下暗礁、鱼群及其他能发出声波或产生回波的水下物体，均可作为声 纳的探测目 标。所以，声纳在军事上和国民经济中具有广泛的用途。 在军事应用方面，声纳设备从第一次世界大战开始就开始用于水下目 标的 探测，定位等，到目前为止，己有将近百年的历史。随着各技术领域方面的飞 速发展，声纳的各种技术和战术指标也得到了明显的提高，作用距离从以前的 几公里达到了现在的十几公里，有的甚至更高，测向和测距精度也有了长 足进 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1问 题的引入 近年来， 随着科学技术的高速发展， 人类对覆盖地球总面积 7 0 % 的海洋的认 识逐渐深化， 海洋因其经济上的巨大潜力和战略上的重要地位逐渐被人们所认 同。美国加州海洋研究中心的罗伯逊博士说“ 海洋的开发对人类带来的利益要 比 那些耗资庞大的太空计划实惠得多” 。可见，在2 1 世纪，人们对海洋资源 的开发和利用将会越来越重视。 众所周知， 电磁波是空气中传播信息最重要的载体， 例如， 通信、 广播、 电视、 雷达等都是利用电磁波。 但是在水中， 它几乎没有用武之地。 这是因为海水是一 种导电介质， 向海洋空间辐射的电磁波会被海水介质本身所屏蔽， 它的绝大部分 能量很快地以涡流形式损耗掉了， 因而电磁波在海水中的传播受到严重限制。 至 于光波， 本质上属于更高频率的电磁波， 被海水吸收损失的能量更为严重， 因此， 它们在海水中都不能有效地传递信息。 实验证实， 在人们所熟知的各种辐射信号 中， 以声波在海水中的传播性能为最佳。正因为如此， 人们利用声波在水下可以 相对容易地传播及其在不同介质中传播的性质不同 研制出了多种水下测量仪 器、侦察工具和武器装备， 即各种 “ 声纳”设备。 声纳是“ s o n a r ” 一词的音译， 它的全称是“ s o u n d n a v i g a t i o n a n d r a n g i n g , 意思是声导航与测距。声纳是利用水下声波判断海洋中物体的存在、位置及类 型的方法和设备。近年来，人们把它的含义进行了推广，以至于只要是用水下 声波作为传播媒体，以达到某种目的的设备和方法都被称之为声纳。由于声纳 是利用水下声波对目 标进行探测和定位的设备，因而水面舰艇、潜艇、鱼雷、 水雷、水下暗礁、鱼群及其他能发出声波或产生回波的水下物体，均可作为声 纳的探测目 标。所以，声纳在军事上和国民经济中具有广泛的用途。 在军事应用方面，声纳设备从第一次世界大战开始就开始用于水下目 标的 探测，定位等，到目前为止，己有将近百年的历史。随着各技术领域方面的飞 速发展，声纳的各种技术和战术指标也得到了明显的提高，作用距离从以前的 几公里达到了现在的十几公里，有的甚至更高，测向和测距精度也有了长 足进 西北工业大学硕士学 位论文 步。 声纳按工作原理分类可分为主动声纳和被动声纳。主动声纳发射某种形式 的声信号，利用信号在水下传播途中障碍物或目 标反射的回波来进行探测，由 于目 标信息包含在回波信号中，所以可以根据对回波信号的处理来判断目 标的 存在，并测量或估计目 标的距离、方位、速度等参数;被动声纳利用接收到的 目 标自身发出的噪声或信号来探测目标，由于它本身不发射声信号，所以隐蔽 性较好。按基阵结构和布设分可分为:航空吊放声纳、拖曳式声纳、合成孔径 声纳、全息声纳等等。 吊 放声纳起源于本世纪 4 0年代末的美国，第一型军用吊放声纳是美国的 a n / a s - 1 型吊放声纳， 经过了 这么多年的发展， 通过不断的采用新技术和元件， 吊放声纳性能不断完善。现在，各国海军都己装备了几十种型号的吊放声纳， 它已 经成为航空反潜的主要设备， 和其他声纳相比， 吊放声纳的有如下的特点: 1 . 机动灵活， 搜索速度快。吊 放声纳安装与反潜直升机上， 通常直升机的 航速可达1 5 0 k m ，比一般的水面舰艇和高速潜艇要快5 到 1 0 倍， 所以它可以在 一定的范围内 进行高速搜索，如果是多架直升机进行联合搜索，可在很大范围 内实现全面反潜探测。 2 工作环境低噪声。吊放声纳受载体噪声的影响远比舰载声纳低， 虽然它 的基阵尺寸较小，但还是可以获得较大作用距离。 3 . 探测深度可变， 可以充分利用良好的水文条件。吊放声纳可以利用它的 几百米的电缆，根据水下分机在下放过程中测得的温度随深度的变化曲 线，选 择其最佳的工作深度，从而使声纳的性能得以 充分发挥。 4 .精度高。目前，国内 外的吊 放声纳的己 经能都达到较高的精度。 5 .多种工作方式。吊放声纳具有回音 ( 主动) ，噪声 ( 被动)工作方式， 因而可完成对静止和运动目 标的探测、定位和测速;此外，吊放声纳也具有水 声通信工作方式，可用于通信联络和敌我识别，这对于有潜艇参加的协同训练 和作战更显重要。 6 . 体 积 小， 重 量轻， 操 作方 便。 吊 放声 纳的 重量 一 般在2 5 0 k g 左 右， 体 积 小，可装备多种型号的反潜直升机。而且容易操作，便于声纳员掌握。 吊放声纳发展到今天，己有几十个国家海军装备，其型号也多种多样，但 大体有两种形式:一是独立的，即探测、处理、显示都具各.如法国的 h s - 1 2 第一章 绪论 型;另一种是综合的，由水下分机探测的信号，送到综合处理和显示系统，如 法国的h s 3 1 2 s吊放声纳和浮标系统、美国的l a m p s -i i i 系统和英国的h i s o s - i 系统等。而且后一种是目 前和今后发展的重点和趋势。 随着近代信号处理技术的发展，波束形成技术己经成为声纳信号处理的一 个重要的组成部分。波束形成器可以看作是一个空间域的滤波器，它通过对基 阵单个阵元输出信号进行一系列的加权、延时和求和运算，使期望方向的信号 输出最大，而压制其他方向的干扰信号。因此波束形成的主要作用为: 1 .进行空域处理，获得抗环境噪声和混响干扰的空间增益，便于对信号的特 征提取。 2 .为了得到高精度的目 标分辨率，用以测定目标方位。 波束形成技术的进步和阵列信号处理的发展是紧密相关的，阵列信号处理 的历史最早可以追溯到 1 8 世纪后半叶，但有突破性进展也仅仅在上世纪6 0 年 代以后。c a p o n 于 1 9 6 9 年提出了最小方差无畸变响应 ( m v d r )波束形成器，即 c a p o n波束形成器。它根据信号过程的特点，利用有限的参数模型来拟合信号 过程。从而在信号数据不太短和信噪比不太低的情况下，与经典波束形成法相 比， 具有较高的分辨率和良 好的估计性能。 目 前， 常规波束形成法( c o n v e n t i o n a l b e a m f o r m i n g m e t h o d - c b f ) 以 其原 理简 单， 运 算 量小， 稳健性强， 易 于实时 实 现等优点，仍然广泛应用于声纳和雷达等探测系统中。随着信号处理和计算机 技术的发展，基于c b f的数字多波束系统使现代声纳具备了全方位监测能力和 很高的方位估计、分辨率，较好的解决了提高信噪比和加快空间搜索速度之间 的矛盾。对于多波束形成系统，主要有两个关键技术: 1 .主瓣宽度尽可能窄、旁瓣高度尽可能低。 2 .波束能够精确定向，但输入信号采样率不能太高。 传统的解决方法有:提高工作频率、增加阵元数、超指向性直线阵、过采 样、时域内插、频域波束形成等，但他们都有一定的局限性。首先，阵元数受 基阵尺寸、成本的限制，不能无限增加;频率高传播损失较严重，作用距离不 够远;超指向性直线阵能获得较窄的波束， 但旁瓣级较高;过采样运算量大， 对数据传输、 存储、 波束形成运算的硬件开销大;时域内插会引入振幅畸变; 频域波束形成采用数据块处理方法，不能得到连续的输出波形，不便于后续处 理 。 西北工业大学硕士学位论文 本文结合某型航空吊放声纳信号处理机项目，对体积阵波束形成的算法原 理，工程实现，做了系统的研究，并根据实际情况和设计指标的要求，采用了 自 适应的方法设计了特殊有限冲击响应 ( f i r ) 滤波器，经仿真表明此种方法能 实现任意的幅度和相位加权，另外，此种方法具有运算量小、结构简单、易于 实现等优点，在工程实现方面能较好的解决上述的一些问题。 在声纳系统的硬件设计方面， 随着计算机、大规模集成电路 ( l s i ) 和超大 规模集成电路 ( v l s i )以及微处理器技术的迅猛发展，数字信号处理技术被大 量应用于水声信号的实时处理。此类实时系统的数据流量较大再加上对实时性 的严格要求，一般采用模块化设计的并行处理系统，现行的通用数字信号处理 芯片 ( d s p ) 通过编程能方便和高效地实现f f t 、工 f f t , f i r 滤波等运算， 其他的 专用处理芯片 ( a s i c ) 只需通过简单的设置 便能完成此类运算。 所以， 微电子 技术的发展为研究新的波束形成算法提供了 基础， 特别是基于d s p 芯片的信号处 理系统，由于其特殊的内部结构，使其具有灵活度高，处理速度快，易于功能 扩展等特点。 1 . 2 本文的主要内 容 文章对常规波束形成算法作了详细的介绍、分析，并从模型建立、理论推 导、仿真验证出发，论证了某型声纳体积阵的波束形成算法的可行性及硬件系 统的可实现性; 然后介绍了基于d s p 芯片的硬件系统设计， 并给出了软件实现步 骤， 最后对波束形成部分的系统调试进行了讨论，整篇论文的结构大致如下: 第一章介绍了本文所研究问题的历史、现状及研究意义。 第二章简要介绍了声纳的工作原理和波束形成的基础知识，推导了声纳基 阵的阵列流形的表达式，介绍了常规波束形成算法，并给出了实测基阵阵列流 形的方法。 第三章介绍了 本系统波束形成算法的原理一时域延迟求和波束形成的算 法，讨论了权系数优化方案， 用自 适应滤波器实现了 幅度和相位加权。并重点 介绍了工程化的实现方案。 第四章介绍了吊放声纳信号处理系统，根据系统对波束形成部分的指标要 求，设计了基于d s p 的硬件处理系统。对硬件电路的实现进行了 分析和说明， 结合软硬件，讨论了系统的实时性。并对波束形成板与系统各部分的诵讯方it 西北工业大学硕士学位论文 本文结合某型航空吊放声纳信号处理机项目，对体积阵波束形成的算法原 理，工程实现，做了系统的研究，并根据实际情况和设计指标的要求，采用了 自 适应的方法设计了特殊有限冲击响应 ( f i r ) 滤波器，经仿真表明此种方法能 实现任意的幅度和相位加权，另外，此种方法具有运算量小、结构简单、易于 实现等优点，在工程实现方面能较好的解决上述的一些问题。 在声纳系统的硬件设计方面， 随着计算机、大规模集成电路 ( l s i ) 和超大 规模集成电路 ( v l s i )以及微处理器技术的迅猛发展，数字信号处理技术被大 量应用于水声信号的实时处理。此类实时系统的数据流量较大再加上对实时性 的严格要求，一般采用模块化设计的并行处理系统，现行的通用数字信号处理 芯片 ( d s p ) 通过编程能方便和高效地实现f f t 、工 f f t , f i r 滤波等运算， 其他的 专用处理芯片 ( a s i c ) 只需通过简单的设置 便能完成此类运算。 所以， 微电子 技术的发展为研究新的波束形成算法提供了 基础， 特别是基于d s p 芯片的信号处 理系统，由于其特殊的内部结构，使其具有灵活度高，处理速度快，易于功能 扩展等特点。 1 . 2 本文的主要内 容 文章对常规波束形成算法作了详细的介绍、分析，并从模型建立、理论推 导、仿真验证出发，论证了某型声纳体积阵的波束形成算法的可行性及硬件系 统的可实现性; 然后介绍了基于d s p 芯片的硬件系统设计， 并给出了软件实现步 骤， 最后对波束形成部分的系统调试进行了讨论，整篇论文的结构大致如下: 第一章介绍了本文所研究问题的历史、现状及研究意义。 第二章简要介绍了声纳的工作原理和波束形成的基础知识，推导了声纳基 阵的阵列流形的表达式，介绍了常规波束形成算法，并给出了实测基阵阵列流 形的方法。 第三章介绍了 本系统波束形成算法的原理一时域延迟求和波束形成的算 法，讨论了权系数优化方案， 用自 适应滤波器实现了 幅度和相位加权。并重点 介绍了工程化的实现方案。 第四章介绍了吊放声纳信号处理系统，根据系统对波束形成部分的指标要 求，设计了基于d s p 的硬件处理系统。对硬件电路的实现进行了 分析和说明， 结合软硬件，讨论了系统的实时性。并对波束形成板与系统各部分的诵讯方it 第一章 绪论 作了介绍。 第五章介绍了系统软件设计方案，着重讨论了波束形成算法在硬件系统中 的优化实现方案及对外部存储器的在线编程。 第六章介绍了软硬件的调试过程，对调试过程出现的问题进行了分析，提 出了解决方案。 第七章为全文总结。 第二章 系 统设计的理论基础 第二章 系统设计的理论基础 作为航空声纳的信号处理系统，声纳的工作原理是它的核心理论。在本章 中，将对声纳的工作原理作一定的介绍， 然后，本章将推导任意结构基阵输出 信号的数学模型，并以此为基础，介绍常用的波束形成理论。最后，介绍了实 测阵列流形的方法。 2 . 1 声纳的工作原理 声纳按照它的工作方式的不同，可分为两类:主动方式和被动方式。现分 别对其进行介绍: 2 . 1 . 1主动方式 由声纳自身发射某种形式的声信号，利用信号在水下传播途中障碍物或目 标反射的回波来进行检测的叫做主动式声纳仁 ， ， 它不仅能探测到运动的、 有噪声 的目 标，还能探测到静止不动的无噪声目 标。由于现在潜艇消声减振技术的发 展， 潜艇的辐射噪声不断降低， 和被动式声纳相比， 主动声纳可以不受其影响， 所以是反潜的主要工具。 主动声纳系统主要由换能器基阵 ( 一般为收发兼用) 、发射机 ( 由波形发生 器和发射波束形成器组成) 、定时中心、接收机、显示器、控制器等几个部分组 成 ( 如图2 - 1 ) 。其中接收机部分就包括了前置预处理器或信号调节器、信号处 _ 止 且二 / /f 二 一一 夕 订 火 又 控制同 步设备 图2 - 1 土动声呐原理 理器等模块。主动声纳由定时中心控制产生电信号 ( 通常由振荡器和调制器组 第二章 系 统设计的理论基础 第二章 系统设计的理论基础 作为航空声纳的信号处理系统，声纳的工作原理是它的核心理论。在本章 中，将对声纳的工作原理作一定的介绍， 然后，本章将推导任意结构基阵输出 信号的数学模型，并以此为基础，介绍常用的波束形成理论。最后，介绍了实 测阵列流形的方法。 2 . 1 声纳的工作原理 声纳按照它的工作方式的不同，可分为两类:主动方式和被动方式。现分 别对其进行介绍: 2 . 1 . 1主动方式 由声纳自身发射某种形式的声信号，利用信号在水下传播途中障碍物或目 标反射的回波来进行检测的叫做主动式声纳仁 ， ， 它不仅能探测到运动的、 有噪声 的目 标，还能探测到静止不动的无噪声目 标。由于现在潜艇消声减振技术的发 展， 潜艇的辐射噪声不断降低， 和被动式声纳相比， 主动声纳可以不受其影响， 所以是反潜的主要工具。 主动声纳系统主要由换能器基阵 ( 一般为收发兼用) 、发射机 ( 由波形发生 器和发射波束形成器组成) 、定时中心、接收机、显示器、控制器等几个部分组 成 ( 如图2 - 1 ) 。其中接收机部分就包括了前置预处理器或信号调节器、信号处 _ 止 且二 / /f 二 一一 夕 订 火 又 控制同 步设备 图2 - 1 土动声呐原理 理器等模块。主动声纳由定时中心控制产生电信号 ( 通常由振荡器和调制器组 西北工业大学硕士学位论丈 成的波形发生器产生) ， 然后按照发射波束形成器的需要进行时间延迈， 延时的 信号经过一组收发转换开矢分别加到各发射换能器上，将电信号转换成声信号 向水中发射。换能器基阵用来把声能 “ 聚焦”到预定方向上，即形成所需方向 上的波束。发出的信号经过水下传播，如遇到目 标 女 口 潜艇或礁石)反射，则 产生回波。换能器暴阵接收回波声信号和噪声，又将它转换为电信号，按收机 再将多个阵元的电信号变成适合操作者 ( 或设备本身)判断的形式，并在显示 器上显示出来 因为主动声纳主动发射探测信号，它的主要外部干扰是混响，这是由发射 信号从各种散射体 海底、海面及海水中不均匀水团)上的散射产生的。混响 严重妨碍信号的接收，使声纳作用距离减小。水体混响在频谱 卜 与发射信号几 乎相同，更增加了抑制其千扰的难度。在探测沉底目标特别是沉底小目 标时， 海底混响则变成了主要干扰，又因为接收信号承受着双程传播损失，再加上还 有本身噪声的干扰，所以主动声纳作用 . 三种工作频率; . 四 种脉宽; . 主动方式每个频率1 6 个波束， 共4 8 个， f m , c w 两种共9 6 个。 被动方式每 个频率4 个，共1 2 个; . 波束定向:b ; =i = 1 , 2 , - - - 1 6 ， 波束的排序示意图如下图: 十 汀一， y今 今 6 门.卫 4x5 .今 3一6 *一 、，12 9 1，r 图3 - 1波束指向示意图 西北工业大学硕士学位论文 3 . 2体积阵波束形成原理 声纳信号处理机部分主要完成的任务是先由波束形成部分完成 1 6路多波 束计算，然后由信号处理部分完成测向、测距处理。并且系统还设计了音频处 理部分， 便于声纳员的监听。 在主动方式模式，虽然系统可以工作在3 个频率， 但一 次只在一个频率上工作，所以主动方式时，系统工作于窄带方式。为了便 于有连续的波形输出，波束形成方法采用了时域延迟求和波束形成算法。让基 阵的所有阵元都参与 运算，整个基阵的输出为所有阵元上的信号延迟、加权、 求和的结果。由2 . 3 节的推导，对于本系统，我们可知波束形成器的输出为: y ( n ) = w h f ( n ) = w h a ( 关 , 6 ) s ( n ) + n ( n ) ( 3 . 2 . 1 ) wh 为系统的复数加权系数向量，它包括对每个阵元输出的信号所补偿的相位 延迟和所加的幅度增益，对于窄带信号来说相移就相当于时延。 由于对于各阵元相位的补偿只能使波束的主瓣指向我们期望的方向，但对 旁瓣的控制却要取决于对输出信号幅度的加权系数的设计，在关于波束形成的 研究方面，对旁瓣级的优化一直是个十分重要的问题。对于线列阵，在现有的 加权中比较简便的方法就是均匀加权和d c ( d o l p h - c h e b y s h e v 多项式)加权。 均匀加权波束形成是指对基阵各个阵元的输出信号进行相同的幅度加权， 而只施加不同的时间延迟，对于均匀线列阵，只采用均匀加权就能得到较好的 主瓣宽度和旁瓣级;而 d c加权能产生平坦的旁瓣级，此外，d c加权的还能在 指定旁瓣级的情况下获得最窄主瓣， 而且在指定主瓣宽度下能获得最低旁瓣级。 但所有这些方法的一个重要特征是它们只能适用于均匀线列阵，对于其他 的阵形是不适用的。目前对于其他阵形的旁瓣控制主要有两类方法。一类是最 优处理方法，另一类是自 适应处理方法。 3 . 2 . 1最小方差无畸变响应 ( m v d r )波束形成 m v d r ( m i n i m u m v a r i a n c e d i s t o r t i o n r e s p o n s e )方法即是最小方差无失 真响应法。 这种波束形成方法最早是由c a p o n 于 1 9 6 9 年提出的。 现将它的原理 介 绍 如 下 : 基阵在波束指向方向上的输出功率含有该方向上激励的贡献，同时也含有 西北工业大学硕士学位论文 3 . 2体积阵波束形成原理 声纳信号处理机部分主要完成的任务是先由波束形成部分完成 1 6路多波 束计算，然后由信号处理部分完成测向、测距处理。并且系统还设计了音频处 理部分， 便于声纳员的监听。 在主动方式模式，虽然系统可以工作在3 个频率， 但一 次只在一个频率上工作，所以主动方式时，系统工作于窄带方式。为了便 于有连续的波形输出，波束形成方法采用了时域延迟求和波束形成算法。让基 阵的所有阵元都参与 运算，整个基阵的输出为所有阵元上的信号延迟、加权、 求和的结果。由2 . 3 节的推导，对于本系统，我们可知波束形成器的输出为: y ( n ) = w h f ( n ) = w h a ( 关 , 6 ) s ( n ) + n ( n ) ( 3 . 2 . 1 ) wh 为系统的复数加权系数向量，它包括对每个阵元输出的信号所补偿的相位 延迟和所加的幅度增益，对于窄带信号来说相移就相当于时延。 由于对于各阵元相位的补偿只能使波束的主瓣指向我们期望的方向，但对 旁瓣的控制却要取决于对输出信号幅度的加权系数的设计，在关于波束形成的 研究方面，对旁瓣级的优化一直是个十分重要的问题。对于线列阵，在现有的 加权中比较简便的方法就是均匀加权和d c ( d o l p h - c h e b y s h e v 多项式)加权。 均匀加权波束形成是指对基阵各个阵元的输出信号进行相同的幅度加权， 而只施加不同的时间延迟，对于均匀线列阵，只采用均匀加权就能得到较好的 主瓣宽度和旁瓣级;而 d c加权能产生平坦的旁瓣级，此外，d c加权的还能在 指定旁瓣级的情况下获得最窄主瓣， 而且在指定主瓣宽度下能获得最低旁瓣级。 但所有这些方法的一个重要特征是它们只能适用于均匀线列阵，对于其他 的阵形是不适用的。目前对于其他阵形的旁瓣控制主要有两类方法。一类是最 优处理方法，另一类是自 适应处理方法。 3 . 2 . 1最小方差无畸变响应 ( m v d r )波束形成 m v d r ( m i n i m u m v a r i a n c e d i s t o r t i o n r e s p o n s e )方法即是最小方差无失 真响应法。 这种波束形成方法最早是由c a p o n 于 1 9 6 9 年提出的。 现将它的原理 介 绍 如 下 : 基阵在波束指向方向上的输出功率含有该方向上激励的贡献，同时也含有 第三章 体积阵波束形成算法 其他方向上激励的贡献。 一个约束的最优化问题， 束的输出功率达到最小。 mi n : p ( b ) 为了减小基阵对非期望方向上激励的响应，可以构造 即，在波束指向方向上波束输出不变的情况下，使波 可表述为: =w r w 一w a (b , ) 一一 ， ( 3 . 2 . 2 ) 了11 其中w“ 为权系数，a ( b , ) 表示在波束指向 方向氏上的基阵响 应向 量，p ( b ) 为 波束输出功率，r为基阵输出的协方差矩阵。 求解上述问题等效于约束基阵的加权向量，使波束指向方向上形成一个单 位幅度的输出， 同时使基阵的均方输出 达到最小。 用拉格朗日 法来求解 ( 3 .2 .2 ) 可得到最佳权系数: w p 一 r - a ( b .r ) i a h ( 0 , ) r - a ( b * ) ( 3 . 2 . 3 ) 我们把用这种方法得到权系数应用于本系统的基阵计算，得到如下波束图。 哪耐片抖二 es一杯嘟二 一一lesl卜一 巧即器 口p三。pn工ld弓 1fl，eses州esesll门引 、下、沁门日 111!一1 1.1上，rrel 刃书叨 1，卜卜1 111。闷lee .j|!一井 “门!1曰 卜一一 一- 5 自l mso ?注日r员角。 一六。?。.一1501 石阳书即乃司书初 山p召二唱dy ， 图3 - 2均匀加权方法 1 号波束图3 - 3 m v d r方法1 号波束 0 1. 一1引川川曰日 一八川川与川曰 1、卜，1ji 1，价曰训朴曰门口 1十1川1一 :j.;日尸朴川积1: r。解喇一。 j.工j帕训 .-.llrlj 八洲洲一小旧曰 巧刁 口pul.兮11几咤 一一一目川飞1司仁一j 叹几已，八门卜门日川 1一11卜一11卜 、|1|1 l口 0石旧巧司石 口节u一.弓11一oey 劝 一 m 加岛 s o 山月 加 曰。护 !和 j田 。叮口 一护 图 3 - 4均匀加权方法 2号波束 图3 - 5 m v d r 方法2 号波束 西北工业大学硕士学位论文 可以看出对于本次研究采用的基阵系统，采用均匀加权方法合成的波束形 状很不理想。 旁瓣较高。 主瓣形状出现畸形， 宽度较大。 而采用m v d r 方法形成 的波束有规则的形状，最高旁瓣级己经在一 i o d b以下，波束的指向性也有了很 大的改善。可见对于非均匀线列阵的情况，m v d r 方法有较好的性能。 虽然采用m v d r 方法获得波束图性能有了很大的提高， 但离系统的要求还有 一定的差距，要想达到系统指标，还要对权系数作进一步的优化在下面一小 节我们将讨论用一种自 适应方法来进行波束优化设计。 3 . 2 . 2 优化权设计 根据自 适应原理，自 适应阵可以在千扰信号方向上形成凹槽，使得阵在干 扰方向上响应很小， 从而达到抑制干扰的目 的。 基于此， o l e n 和c o m p t o r 、 提出 了一种数值化的波束合成算法 14 ，该算法为了降 低旁瓣级在旁瓣区域引入了大 量的干扰信号，通过对干扰信号功率谱进行迭代调节，来获取期望的旁瓣特性 或最佳的波束图。 下面我们将介绍其设计过程 川 。 假设在基阵波束的旁瓣区域存在m 个干扰信号，则基阵输出的稳态干扰协 方差矩阵为 。 = a x i + 艺 m a ( o , ) a ( e , ) ( 3 . 2 . 4 ) 其中 第 m 咨 。 表 示 第。 个 干扰 信号的 强 度， b m 表 示第m 个干 扰信 号的 方向 ， a ( b m ) 是 个干扰信号的基阵响应向量，。 x6是加性白噪声。则优化权系数为 w n , = a一 ， a ( b , ) ( 3 . 2 . 5 ) 式中，k是常数因子，8 ,. 是波束指向 角。 由此权系数可得到在当前干扰信号条件下的波束函数。将此波束函数与我 们的设计目 标作比较。 在任一方向上， 如果旁瓣级高于或者低于期望的旁瓣级， 那么就相应地增加或者减小此方向上干扰信号功率，并月重新计算权系数。此 过程重复迭代直到得到满意的波束图。最后得到权系数就可用作实际基阵的权 值。 设 第k 次迭代后干扰信号 强度为氛( k ) ， 主 瓣所在区 域为腾( k ) , 0 , ( k ) ， 则 西北工业大学硕士学位论文 可以看出对于本次研究采用的基阵系统，采用均匀加权方法合成的波束形 状很不理想。 旁瓣较高。 主瓣形状出现畸形， 宽度较大。 而采用m v d r 方法形成 的波束有规则的形状，最高旁瓣级己经在一 i o d b以下，波束的指向性也有了很 大的改善。可见对于非均匀线列阵的情况，m v d r 方法有较好的性能。 虽然采用m v d r 方法获得波束图性能有了很大的提高， 但离系统的要求还有 一定的差距，要想达到系统指标，还要对权系数作进一步的优化在下面一小 节我们将讨论用一种自 适应方法来进行波束优化设计。 3 . 2 . 2 优化权设计 根据自 适应原理，自 适应阵可以在千扰信号方向上形成凹槽，使得阵在干 扰方向上响应很小， 从而达到抑制干扰的目 的。 基于此， o l e n 和c o m p t o r 、 提出 了一种数值化的波束合成算法 14 ，该算法为了降 低旁瓣级在旁瓣区域引入了大 量的干扰信号，通过对干扰信号功率谱进行迭代调节，来获取期望的旁瓣特性 或最佳的波束图。 下面我们将介绍其设计过程 川 。 假设在基阵波束的旁瓣区域存在m 个干扰信号，则基阵输出的稳态干扰协 方差矩阵为 。 = a x i + 艺 m a ( o , ) a ( e , ) ( 3 . 2 . 4 ) 其中 第 m 咨 。 表 示 第。 个 干扰 信号的 强 度， b m 表 示第m 个干 扰信 号的 方向 ， a ( b m ) 是 个干扰信号的基阵响应向量，。 x6是加性白噪声。则优化权系数为 w n , = a一 ， a ( b , ) ( 3 . 2 . 5 ) 式中，k是常数因子，8 ,. 是波束指向 角。 由此权系数可得到在当前干扰信号条件下的波束函数。将此波束函数与我 们的设计目 标作比较。 在任一方向上， 如果旁瓣级高于或者低于期望的旁瓣级， 那么就相应地增加或者减小此方向上干扰信号功率，并月重新计算权系数。此 过程重复迭代直到得到满意的波束图。最后得到权系数就可用作实际基阵的权 值。 设 第k 次迭代后干扰信号 强度为氛( k ) ， 主 瓣所在区 域为腾( k ) , 0 , ( k ) ， 则 第三章 体积阵波束形成算法 第k + 1 次迭代后干扰信号强度为 之2 临临 0 m a x o , 凡( k ) 0 , c- 0 , ( k ) , 0 , ( k ) j o t h e r wi s e 其中 m ( k ) 二 氛( k ) + k p ( b , , k ) 一 d ( 9 k ) 其中， k是一标量，即迭代增益，它的大小影响迭代收敛的速度和算法在收敛 后的 精 度，p ( 8 k ) 是当 前在8 ,. 方向 上的 波束响 应，d ( b , , k ) 是当 前在8 , 方向 上 的期望波束响应，它可由下式求得 d ( b , , k ) = p ( k ) / 1 0 11)(e , )/2o 1 ( 3 . 2 . 8 ) 其中，p ( k ) 是当前波束最大值，d ( b , ) 是在8 , 方向上的期望波束响应分贝数。 o l e n 和c o m p t o m 的这种方法是一种数字方法， 它并不产生加权向 量的 解析 解。 但比解析方法的使用范围更加宽广，可以 适用于任意阵型结构的阵，并且 还可以 得到不同旁瓣区域不同的旁瓣级。但该算法的收敛性很大程度上取决于 循环增益k , k 值的选取只能 采用试凑法。 另外该算法的精度也无法保证。 文献 lg t 对这种数字方法进行了改进， 使算法的收敛性和精度得到了 提高。 采用上述介绍的波束优化方法，我们可根据系统的指标要求设计优化权系 数， 经实验证实， 这种方法是非常有效的。图3 - 6 , 3 - 7 是我们根据实测的阵列 向量设计的 优化权系数所画的波束图，以 指向 角 1 1 . 2 5 0 ( 1号 波束) 为例， 从 图中可知:旁瓣级己 被大幅度的压制， 最高旁瓣己 达到一 2 6 . 2 d b ，主瓣宽度为 2 3 ，图3 - 8 为3 6 全景波束图，图3 - 9 为极坐标下的1 6 个波束图。 比日 m卿i e m n - 王 幻 m z i阳. pi t 翻 ( k 3 u i曰z ) a 一 下一一- 一 一， 一一一一一a 一一- 一1一一，履 厂- -一 一1阴目归曰川 .子1一妇耐出翎1 口r口一卜胡娜 l一丽哪州哪 栖仙洲，.仙 日耐甲日。 -ro ihllll rf i iii i y1r iyll l 一.一1盯私国怜 旧田刃刃 山pul召，岛石咤 一 0护 司 田 团 图 3 - 6优化波束图 1 号图3 - 7优化波束图2 号 西北工业大学硕士学位论文 b e a t w n . , n = 溯o 扔1 6 b e e mp a t t e r n 图3 - 8全景波束图 图3 - 9全景波束图 3 . 3加权方法的讨论 3 . 3 . 1 设计理论 要使波束形成系统得到满意的波束输出，一个重要的问题就是在工程上怎 样实现精确的幅度和相位加权。而对于窄带过程，可以 把相移转化为时延。所 以问题又转化为怎样实现高精度的时间延迟。如本文第2 章所述，实际应用中 通常可以采用数字延迟线实现时延，但这种方法却受到a d采样率的限制而不 能实现任意的时延。 文献 ，引 提出了一种数字时延新方法，可以 提供连续可变时延。该方法是一 种新的时延参数估计方法，它把时延效应近似于通过一个有限冲击的f i r数字 滤波器。因此，时延估计变为对f i r滤波器的参数估计。调整滤波器的单位脉 冲响应，即可连续改变信号时延。那么我们可不可以 采用f i r滤波器实现加权 方法呢?经研究证明: 此方法是可行的。 其基本思路为: 采用自 适应建模技术， 让自 适应f i r滤波器逼近我们需要的相移网络。 如图3 - 1 1 所示， 伪滤波器在物 理上是不存在的， 它只是提出设计要求， 即我们所希望的网络输入、 输出关系。 在图3 - 1 0 中，假设一个正弦输入信号: x ( n ) = s i n ( 2 确)( 3 . 3 . 1 ) 同 时加在伪滤波器 和n 适应滤波器匕 ， f = 关 / 、f， 五 为设 计频率，f 为 采样频 率。若我们的设计要求为幅度响应a ,相移为b ，则伪滤波器的输出为 z 1 西北工业大学硕士学位论文 b e a t w n . , n = 溯o 扔1 6 b e e mp a t t e r n 图3 - 8全景波束图 图3 - 9全景波束图 3 . 3加权方法的讨论 3 . 3 . 1 设计理论 要使波束形成系统得到满意的波束输出，一个重要的问题就是在工程上怎 样实现精确的幅度和相位加权。而对于窄带过程，可以 把相移转化为时延。所 以问题又转化为怎样实现高精度的时间延迟。如本文第2 章所述，实际应用中 通常可以采用数字延迟线实现时延，但这种方法却受到a d采样率的限制而不 能实现任意的时延。 文献 ，引 提出了一种数字时延新方法，可以 提供连续可变时延。该方法是一 种新的时延参数估计方法，它把时延效应近似于通过一个有限冲击的f i r数字 滤波器。因此，时延估计变为对f i r滤波器的参数估计。调整滤波器的单位脉 冲响应，即可连续改变信号时延。那么我们可不可以 采用f i r滤波器实现加权 方法呢?经研究证明: 此方法是可行的。 其基本思路为: 采用自 适应建模技术， 让自 适应f i r滤波器逼近我们需要的相移网络。 如图3 - 1 1