Page 136 - 《应用声学》2025年第3期
P. 136
670 2025 年 5 月
实际系统 [15−16] 。还有一类是采用虚元内插法来抑
0 引言
制栅瓣干扰，该方法对一定孔径稀疏阵插入多个虚
阵列信号处理被广泛应用于声呐领域的声场 拟阵元来降低阵列的稀疏性，提高阵列自由度，从
时空估计和目标检测跟踪等方面。波束形成是阵列 而抑制栅瓣产生。胡鹏 [17] 研究了时延求和虚元内
信号处理的一个重要方向，其可以形成阵列接收数 插法，该方法利用时延信息来重构虚元的接收数据。
据的方向性，提高信噪比，对目标检测定位 [1] 。波 张珂 [18] 将该方法与组合阵法、波束加权法对比分
束形成的测向性能受到阵元种类和阵列结构的影 析。孙超等 [19] 将虚元内插法应用于矢量阵列中。刘
响 [2] 。对于阵元种类，采用矢量阵元可以同时获取 寅桐等 [20] 将该方法应用于小平台来提高具有较少
声场中某点的声压和振速信息，在数赫兹低频下测 阵元的阵列的测向性能。卢建等 [21] 将该方法应用
定目标的方位和分辨左右舷目标，有较强的抗干扰 于嵌套阵栅瓣抑制。任笑莹等 [22] 将该方法用于均
能力 [3−4] 。对于阵列结构，主要由阵列的物理孔径 匀双圆环阵。Zhu 等 [23] 研究了该方法抑制稀疏阵
和阵元间距影响测向性能，若阵列物理孔径越大，则 栅瓣的性能。
波束图的主瓣越窄，测向方位分辨力越高；若阵元间 综上所述，本文决定采用传统方法 —时延求和
距大于入射信号的半波长，则波束图中会存在高度 虚元内插法来解决新问题 —矢量互质阵的测向干
与主瓣相近的栅瓣，栅瓣会干扰测向结果，导致伪目 扰。本文主要创新点如下：(1) 研究矢量互质阵在
标方位 [1] 。 水声领域的测向性能，矢量互质阵是由矢量阵元
对于给定的阵列物理孔径，使用尽可能少的阵 构成的互质阵，这种阵列结合了矢量阵和互质阵的
元且对其应用某种处理方法能够抑制栅瓣的阵列 优点，具有较好的方位分辨力，成本较低且能分辨
被称为稀疏阵 [5] 。2011年，Vaidyanathan等 [6] 提出 左右舷目标。(2) 提出一种新的互质阵波束形成方
名为互质阵的稀疏阵和相应的互质阵波束形成方 法，该方法将时延求和虚元内插法和 PP 法相结合，
法—乘积处理法 (Product processing, PP)，一个互 称这种方法为虚阵乘积法 (Virtual array product
质阵由两个阵元数目和阵元间距均为互质关系的 processing, VAPP)。时延求和虚元内插法利用实
稀疏均匀线阵构成，互质阵利用较少阵元即可获得 际阵元接收数据来抑制互质阵子阵产生的栅瓣，
和均匀密排阵相当的方位分辨力。互质阵波束形 没有丢失数据的时间信息，不影响后续的 PP 法处
成方法利用互质阵的两个稀疏子阵间的互质性抑 理，从而抑制矢量互质阵的高旁瓣干扰和方位模
制栅瓣，在文献 [6] 的基础上，许多国内外学者研究 糊问题，同时保持矢量互质阵的优点。文章结构如
了多种互质阵波束形成方法 [7−11] 。2021 年，叶铮 下：首先，介绍矢量互质阵和新方法的基本原理。
铮 [12] 指出这些方法在测向时会产生高旁瓣甚至栅 其次，仿真分析互质阵方位估计产生测向干扰的
瓣干扰，形成伪目标方位，导致方位模糊问题。因此， 原因。之后，通过仿真模拟和海试数据处理得到
需要研究改善这些问题的方法。 声压均匀阵的常规波束形成 (Conventional beam-
本文研究在互质阵波束形成的基础上进一步 forming, CBF)、矢量互质阵的 PP 法和 VAPP 法的
抑制栅瓣干扰，从而改善测向干扰问题。目前抑制栅 方位历程结果。然后，通过对比分析讨论新方法抑
瓣的方法主要分为以下几类：一类是通过设计新的 制测向干扰的可行性和实用性。最后，给出文章的
阵列结构来抑制栅瓣，例如嵌套阵和互质阵 [13−14] ， 结论。
这种方法的抑制性能取决于阵列结构。另一类是利
用波达方向估计的子空间类算法，例如多重信号分 1 基本原理
类(Multiple signal classification, MUSIC)算法、子
空间旋转不变(Estimation of signal parameters via 1.1 矢量互质阵数学模型
rotational invariance techniques, ESPRIT)算法等， 一个矢量互质阵由两个稀疏均匀矢量线阵构
这些算法克服了瑞利极限，扩展了阵列孔径，得到 成，这两个阵为互质阵的子阵。若子阵 1 有 M 个
较高的方位分辨力，但是这些方法运算量大，对误 阵元，子阵 2 有 N 个阵元，则两个子阵的阵元间
差敏感，稳定性差，低信噪比下难以应用，较少用于 距分别为 Nd 和 Md，其中 M 和 N 为互质整数，d
