科研人员提出一种准确估计水下声源方位的波束形成方法

对于实际水声信号来说，常用的方位估计方法是常规波束形成（conventional beamforming，CBF）。但是相比自由空间平面波的理想情况，由于水声波导所具备的多途和频散特性，CBF在实际水声信号方位估计中存在性能下降问题，如波束偏移、展宽、分裂、输出失真和增益下降等。解决以上问题对提高水下目标方位估计的准确性、目标分辨率、探测增益等具有重要意义。

与波束形成性能联系最为紧密的指标是阵列信号相关性，CBF波束形成的性能下降可以解释为因波导条件而引起的阵列接收信号相关性下降。因此，在现有方法中，一种解决思路是通过引入环境知识来抑制波导环境对方位估计的不利影响，如匹配场方法。此外，也可以利用解卷积的思路来恢复理想条件的波束图。然而，需要环境知识的方法往往难以在被动探测条件下使用，而基于解卷积的方法也无法直接改善阵列信号的实际相关性。阵列信号的相关性下降问题往往随着基阵孔径增大而愈加突出。

针对以上问题，中国科学院声学研究所声场声信息实验室的刘昌鹏博士生、周士弘研究员和戚聿波副研究员利用阵列信号干涉机制及其与信号相关性的联系，将条纹基波束形成（striation-based beamforming, SBF）应用于声源方位的被动估计问题。相比于CBF对同频率的阵列信号进行处理，SBF沿着阵元位置-频率域干涉条纹对具备最佳相关性的阵列信号进行处理。所得结果表明，只需要对接收阵列信号预先引入与信号到达时间有关的时间补偿，利用SBF即可准确估计声源方位，并且所得波束响应能够接近平面波理想条件的结果，从而有效保证波束分辨率和阵列增益。

研究成果成功在浅海约1公里合成孔径的水平阵上进行验证。这项研究证明了浅海水声阵列信号处理获得接近平面波情况的理想波束形成性能的潜在可行性。这为解决浅海波导中面临的波束形成性能下降问题提供了有益的解决方案，可为优化水声阵列信号处理体系、改进目标定位和提高探测性能等问题提供参考。

相关成果于在线发表于国际声学期刊The Journal of the Acoustical Society of America。

本研究得到了国家自然科学基金（No. 12174419 和 No. 11804362）的资助。

图1 使用浅海约1 km孔径接收阵对一个端射声源(-90°)应用SBF进行方位估计的处理结果（图/中国科学院声学研究所）

关键词：

条纹基波束形成；水下声源方位估计；阵列信号干涉

参考文献：

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。

论文链接：

https://doi.org/10.1121/10.0023950