Page 86 - 应用声学2019年第4期

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阵元数据；然后再采用时域波束形成方法对 N 个阵
0 引言
元数据进行处理，得到各方位处波束。由于该方法
水下目标检测与估计是阵列信号处理的一个 在波束形成过程中充分利用了信号和噪声相关性
重要分支，但随着海洋环境的复杂多变，水下目标 差异以及时间和空间上的分组、时延、累加处理，形
检测正面临着 “干扰强度为目标的 1000 倍、干扰数 成了两次指数函数等列式求和运算，所得指向性函
目为目标的 1000 倍” 等问题 [1] ，致使真实目标信号 数发生了变化，降低了常规时域波束形成在非目标
往往被强干扰或强目标所掩盖，使得水下目标探测 方向上输出值，提高时域波束形成对不等强度下弱
非常困难。为了降低强干扰或强目标对弱目标检 目标检测性能。
测中的影响，研究学者分别从降低波束形成旁瓣级
1 TDBF方法
和干扰预处理两个方面进行了深入研究，以提高位
于强干扰或强目标旁瓣区内弱目标检测的检测概
对于2N − 1元等间隔线列阵声呐，有一个目标
率 [2−4] 。
从 θ 1 入射，则第 n 个阵元拾取的第 t 时刻数据 x n (t)
为了对波束形成旁瓣级实现控制，许多方法被
可表示为
提出，主要为Chebyshev滤波方法 [5] 、“凹槽噪声场” ( )
(n − 1) d cos θ 1
方法 [6] 、静态波束图数字综合方法 [7] 、反复迭代方 x n (t) = s t + c + v n (t), (1)
法 [8] 、多线性约束方法 [9] 、非线性优化方法 [10] 、凸 式 (1) 中，1 6 n 6 2N − 1，d 为阵元间距，c 为声速，
优化(Convex optimization)方法 [11] 、半无限二次规 s (t) 为目标信号，(n − 1) d cos θ 1 /c 为第 n 个阵元接
划(Semi-infinite quadratic programming)方法 [12] 、 收目标信号相对第 1 个阵元时延，v n (t) 为第 n 个阵
二阶锥 (Second-order cone) 约束方法 [13−14] 、中心 元拾取的加性高斯噪声。
矩方法 [15] 、虚拟干扰源构造能量聚焦矩阵方法 [16] 由时域波束形成处理过程可得，在搜索角度
及稀疏约束方法 [17] 。在以上方法中，Chebyshev 滤 θ ∈ [0 , 180 ]处，波束形成输出波束值为
◦
◦
波方法以其简单方便的特点常被应用于实际工程
P x (θ)
中，但存在旁瓣级设置和主瓣宽度控制折中选择
∫ T [ 2N−1 ( )
问题。 1 1 ∑ (n−1)d cos θ 1
= s t+ −τ n
针对常规时域波束形成 (Time domian beam- T t=0 (2N −1) n=1 c
forming, TDBF) 输出旁瓣级对弱目标检测影响问 ] 2
+ v n (t − τ n ) , (2)
题，本文根据波束形成归一化指向性函数在目标
波达方向上输出值为 1、在非目标方向上输出值 式 (2) 中，τ n = (n − 1)d cos θ/c 为第 n 阵元相对参
为小于 1 的特性，提出一种基于分组时延预处理 考阵元(本文选第 1 阵元为参考阵元)进行的时间延
的时域波束形成方法(Sub-group time delay beam- 迟，T 为一次处理数据样本长度。

forming, SGTDBF)。该方法首先将线列阵中2N −1 令线列阵各阵元拾取目标信号和噪声、噪声和
个阵元接收数据通过分组时延预处理转变为 N 个 噪声之间相关性为0，将式(2)按频域形式表示为

w h
1 ∑ [ 1 2N−1 jw ( (k−1)d cos θ 1 (k−1)d cos θ ) 1 2N−1 −jw ( (l−1)d cos θ 1 (l−1)d cos θ )]
∑
∑
∗
P x (θ)= S(w)e c − c S (w)e c − c
M (2N −1) (2N −1)
w=w l n=1 l=1
w h
1 ∑ [ 1 2N−1 ( (k−1)d cos θ ) 1 2N−1 ( (l−1)d cos θ ) ]
∑
∑
∗ −jw −
+ V n (w)e jw − c V l (w) e c
M (2N −1) (2N − 1)
w=w l n=1 l=1
K
K
w h
1 ∑ [ 1 2 1 ∑ ∑ 2 jw ((k−1)−(l−1))d(cos θ 1 −cos θ) ]
= S (w) + 2 S (w) e c
M (2N − 1) (2N − 1)
w=w l l=1 k̸=l=1
w h
1 ∑ 1 2
+ V (w)
0
M (2N − 1)
w=w l