Page 126 - 《应用声学）》2023年第5期

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的问题，因为信号发射引起的干扰均处于第一帧海 文中，对边缘波束采用了改进的 LCMV 算法 [10] 对
底回波信号到达基阵之前。在平坦的海底地形下， 边缘波束进行波束形成，在保证主瓣宽度与切比雪
忽略信号脉宽，设无干扰区域时长 T ni = 2H/c，其 夫窗的常规波束形成宽度一致的同时，保持较低的
可以容纳的信号帧数 N frame 可近似为式 (2)，在最 副瓣以及在 0 附近的宽零陷，从而抑制了隧道效应
◦
大波束控制角为 60 ，波束主瓣宽度为 3 的情况下 对边缘波束的影响。
◦
◦
为 N frame = 5.5，向下取整为 5，即一组多帧信号等
间隔发射 5 帧，等所有帧全部完成接收后再发下一
ᬫ᥋஍ऄ
组多帧信号。在海底平坦的情况下，每一组多帧信 ஸၥࣰ੸
号从发射到完成接收所需时间为单帧模式的 1.5倍，
所以Burst模式的帧率提升为单帧模式的3.3倍。根 400
300
据式 (2) 适当地减小开扇角和波束形成的主瓣宽度 ॆʷӑηՂࣨए 200 50
可以提高Burst模式的帧率提升率。 100
cos (α − θ/2) 0 0
T ni 0
N frame = ≈ . (2) 50 ᝈए/(°)
T θ · tan (α + θ/2) 100
150 -50
ᡰሏ/m 200
图 5 隧道效应示意图
Fig. 5 Schematic diagram of tunnel effect
ԧ࠱ ௄ࣰ੸
ࣰ੸ ӝ۫ ܳ൓Ԧ࠱ 1.2.1 常规LCMV原理
ࣰ੸ 考虑一 M 元均匀线阵，假设 N 个相互独立的
400
ॆʷӑηՂࣨए 300 50 窄带信号入射到线阵上，其中 N < M，入射角方向
200
分别为θ 1 , θ 2 , · · · , θ N ，对阵列接收数据进行采样，则
100
0 0 第k 次快拍得到的数据向量为
0 ᝈए/(°)
50 x(k) = As(k) + n(k), k = 1, 2, · · · , K, (3)
100
150 -50
ᡰሏ/m 200 T
式 (3) 中，x(k) = [x 1 (k), x 2 (k), · · · , x M (k)] 为 M
T
图 4 无干扰区域示意图 个 阵 元 输 出， s(k) = [s 1 (k), s 2 (k), · · · , s N (k)]
为 第 i 个 入 射 窄 带 信 号 的 复 振 幅， n(k) =
Fig. 4 Schematic diagram of non-interference area
T
[n 1 (k), n 2 (k), · · · , n M (k)] 为观察噪声向量，n i (k)
需要注意到，回波信号中存在明显的隧道效应， 为零均值、方差为 σ 的白噪声，且与信号源不相关。
2
如图3(a) 中所示，在Burst模式中，相邻帧的隧道效 A = [a (θ 1 ) , a (θ 2 ) , · · · , a (θ N )]，其中a (θ i )为入射
应干扰与边缘波束信号重叠，将影响该部分波束的 角为θ i 信号的导向矢量，其表达式为
[
测深质量，所以下面研究了抑制隧穿效应的方法。 a (θ i ) = 1, e −jφ i , · · · , e −j(M−1)φ i ] T ,
1.2 隧道效应的抑制 φ i = 2πd sin θ i /λ, (4)

由于多波束测深声呐垂直入射的海底回波信 式 (4) 中，λ 为载波波长，d 为阵元间距。在已知期
号能量很强，采用旁瓣级较高的常规波束形成器，垂 待信号或干扰的来波方 s i (k) 向的条件下，最小
直方向的能量容易泄漏进入其他波束的主瓣方向， 方差准则通过最小化阵列输出的噪声方差来取得
形成旁瓣干扰，使平坦海底地形测量成两边上翘的 对 x(k) 较高的增益，经加权后的波束形成输出为
虚假弧形地形，即所谓的 “隧道效应”，如图 5 所示。 y(k) = ω x(k)，其中 ω 为阵元加权系数，输出功率
H
通过对常规波束形成加窗可以降低副瓣，但会使主 可以表示为
瓣宽度增大，隧道效应也无法得到较好的抑制。在 [ 2 ] [ ( H ) ( H ) H ]
P out = E |y(t)| = E ω x(k) ω x(k)
Burst 模式中，隧道效应干扰直接与信号的边缘波
H
束在时间角度域重叠，对测深质量的影响更大。本 = ω R x ω, (5)