舷侧阵CBF和OBF的阵增益比较.pdf

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1、第30卷第3期2011年9月海洋技术0CEANTECHNOLOGYV01．30，No．3Sep，2011舷侧阵CBF和OBF的阵增益比较何云峰1，宋高顺1，焦君圣2(1．南京理工大学机械工程学院精密仪器系，江苏南京210094；2．杭州应用声学研究所，浙江杭州310012)摘要：以舷侧阵作为研究对象，首先介绍了常规波束形成器(CBF)和最佳波束形成器(OBF)的波束输出信号模型。然后推导了信号+噪声场合下的阵增益表达式，比较了在不同信号频率和不同信号源方向角下，CBF和OBF的阵增益，最后在增加了

2、有指向性的CW干扰后，分析了此场合下的阵增益，并比较了不同的信号频率下，干扰源方向角的变化对两类波束形成器阵增益的影响。关键词：常规波束形成；最佳渡束形成；阵增益；舷侧阵中图分类号：TB565文献标志码：A文章编号：1003—2029(2011)03—0064—04舷侧阵是在运动载体比较平直的旁侧安装的均匀线型被动声纳基阵，这样可以获得较大的孔径，降低声纳的工作频率，提高频带宽度。舷侧阵可以增加探测距离，又不影响主载体的机动性。由于固定舷侧阵的载体可能是舰艇、鱼雷等自带动力的高速运动体，使得舷侧阵

3、受到海洋环境噪声影响外。还要受到三类较强噪声源的影响：振动噪声、流噪声和螺旋桨噪声。为了提高舷侧阵的远程微弱信号的检测能力，除了在时域上进行一系列的预处理之外，还必须在空域进行处理。波束成形技术(Beamforming)就是从传感器阵列重构源信号。通过增加期望信源的贡献或抑制干扰源实现信号的分离。提高输出信号的信噪比，抑制有指向性的强干扰。波束形成器的种类较多。并且他们的宽容性和灵敏度也相差较大，为了选出比较适合舷侧阵的波束形成器，有必要首先对波束形成器阵增益特性进行比较．为此本文对常规波束形成器

4、(CBF)和基于最大输出SNR的最佳波束形成器(OBF)的阵增益进行了比较。最初的波束形成技术只是通过对传感器阵列在时域上的延时累加或者在频域上的移相相加获得空间增益从而获得目标方位信息。这就是所谓的常规波束形成技术(CBV)t-】：后来人们在常规波束形成技术的基础上提出了各种改进方法。其中一种改进原则就是使期望信号分量功率与噪声分量功率之比为最大，也就是基于最大输出SNR的最佳波束形成器(OBF)。1波束输出信号模型设舷侧阵有肘个阵元，阵元间距为d，位于一个各向同性空间均匀的噪声场中，信号源的方

5、向角为咖，频率为，o干收稿日期：2010-09—19基金项目：江苏省南京理工大学紫金之星基金资助项目(0907901-50)作者简介：何云峰(1974一)．男，重庆人，副教授，博士学位，主要研究水下探测与发射技术。扰源在西。方向角产生CW信号序列i(n)，干扰、有用信号、噪声互不相关。1．1常规波束形成各阵元接收到的离散信号序列为闭：x(n)=√^f口(矿Ⅻ(一)+√』l彳口(破)i(n)+_．．，(一)(1)式中：菇(n)=B-(，1)X2(凡)⋯轴(n)r为各阵元接收到的离散信号序列；s(1'

6、g)为信号源的信号序列；口(咖)为基阵响应向量；l￡I(n)=咖l(n)，埘2(，1)⋯埘M(n)】r为各个阵元上的噪声。对于波束指向角为口的波束，其波束输出为：炯)2蛋(研‰(炉懒m)(2)=√胁”(啊纵哪+√Mc打@M破)f(哟+cⅣ(回“哟式中：c(日)为波束形成器权值向量，对于均匀直线行舷侦0阵，有c(日)=口(日)。1．2最佳波束形成当波束指向角为口时。最佳波束形成器的权向量为[3．-Sl：c棚=褊-1㈣式中：R。为干扰加噪声信号的协方差矩阵。则波束输出为：y(甩)=c篡(Dx(胛)=√

7、Mc二(0口(妒)s(胛)+、厩品(D口(谚)f(甩)+c二(口)w，(订)(4)2信号+噪声场合下的空间阵增益首先以理想的海洋环境为研究对象，不考虑方向性干扰的影响，因此令上述信号模型中的干扰分量i(n)等于零，即可得到无干扰时的阵元输出信号和波束输出。2．1常规波束形成的阵增益由阵元输出模型．得各阵元接收信号信噪比为[61：第3期何云峰。等：舷侧阵CBF和OBF的阵增益比较SNR。t。。=；鲁(5)式中：s㈨，埘。㈨分别表示信号和噪声；口气。以分剐为信号和噪声的功率。波束形成器的输出信号由信号

8、分量和噪声分量组成。故只=E{I厩却川叫2)=埘即)n圳2(s)。=占{IcH(0)吣)

9、2)=一(目)巩印)(7)式中：屁。为阵兀输出噪声佰号的协万羞矩阵，在备同同性空间均匀的噪声场中，R。中各元素P的大小由信号频率，和阵元间距d决定。具体如下：l以．—sin[2n(i-—j)．d／2]i≠，岛．，={～2re(i-j)·d／2，一：(‘j=l,2，⋯埘)(8)【《’。因此波束输出信号的信噪比为：⋯．P肘酽k”(口p(御r％2薏21南葫矿凹)采用常规波束形成的鱼雷舷侧阵的阵增益为