對于實際水聲信號來說，常用的方位估計方法是常規(guī)波束形成（conventional beamforming，CBF）。但是相比自由空間平面波的理想情況，由于水聲波導(dǎo)所具備的多途和頻散特性，CBF在實際水聲信號方位估計中存在性能下降問題，如波束偏移、展寬、分裂、輸出失真和增益下降等。解決以上問題對提高水下目標方位估計的準確性、目標分辨率、探測增益等具有重要意義。
與波束形成性能聯(lián)系最為緊密的指標是陣列信號相關(guān)性，CBF波束形成的性能下降可以解釋為因波導(dǎo)條件而引起的陣列接收信號相關(guān)性下降。因此，在現(xiàn)有方法中，一種解決思路是通過引入環(huán)境知識來抑制波導(dǎo)環(huán)境對方位估計的不利影響，如匹配場方法。此外，也可以利用解卷積的思路來恢復(fù)理想條件的波束圖。然而，需要環(huán)境知識的方法往往難以在被動探測條件下使用，而基于解卷積的方法也無法直接改善陣列信號的實際相關(guān)性。陣列信號的相關(guān)性下降問題往往隨著基陣孔徑增大而愈加突出。
針對以上問題，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息實驗室的劉昌鵬博士生、周士弘研究員和戚聿波副研究員利用陣列信號干涉機制及其與信號相關(guān)性的聯(lián)系，將條紋基波束形成（striation-based beamforming, SBF）應(yīng)用于聲源方位的被動估計問題。相比于CBF對同頻率的陣列信號進行處理，SBF沿著陣元位置-頻率域干涉條紋對具備最佳相關(guān)性的陣列信號進行處理。所得結(jié)果表明，只需要對接收陣列信號預(yù)先引入與信號到達時間有關(guān)的時間補償，利用SBF即可準確估計聲源方位，并且所得波束響應(yīng)能夠接近平面波理想條件的結(jié)果，從而有效保證波束分辨率和陣列增益。
研究成果成功在淺海約1公里合成孔徑的水平陣上進行驗證。這項研究證明了淺海水聲陣列信號處理獲得接近平面波情況的理想波束形成性能的潛在可行性。這為解決淺海波導(dǎo)中面臨的波束形成性能下降問題提供了有益的解決方案，可為優(yōu)化水聲陣列信號處理體系、改進目標定位和提高探測性能等問題提供參考。
相關(guān)成果于在線發(fā)表于國際聲學(xué)期刊The Journal of the Acoustical Society of America。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金（No. 12174419 和 No. 11804362）的資助。
圖1 使用淺海約1 km孔徑接收陣對一個端射聲源(-90°)應(yīng)用SBF進行方位估計的處理結(jié)果（圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所）
關(guān)鍵詞：
條紋基波束形成；水下聲源方位估計；陣列信號干涉
參考文獻：
Changpeng Liu, Shihong Zhou, Yubo Qi, Performance comparison of conventional and striation-based beamformers for underwater bearing detection of pulse sources. J. Acoust. Soc. Am. 154 (6). DOI: 10.1121/10.0023950.
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