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1、几种波达方向估计算法的性能比较叶青华 黄海宁 何心怡 张春华综合声纳技术实验室摘要 本文讨论了几种可用于宽带信号的波达方向估计算法，包括延时相加波束形成、 延时一方差方位估计、基于Frost算法的自适应波束形成、基于MVDR的宽带高分辨波束 形成，并且用湖试数据比较了它们的方位分辨性能。关键词 波束形成 自适应 MVDR1 引言波束形成是声纳信号处理的主要方法之一，它是水听器基阵在空间上抗噪声 和混响的一种处理过程，一方面可以获得足够大的信噪比，另一方面也是为了获 得高精度的波达方向（DOA ）估计。在实际的海洋环境中，不可避免地会存在各 种干扰，如本舰的辐射噪声，近场的其他船只等，使得常规波
2、束形成的效果不够 理想。其主要原因在于常规波束形成只是一个预形成波束系统，当它处在各向同 性、均匀噪声场时，可能具有很好的检测能力，而一旦出现近场干扰或背景噪声 的非平稳波动，其检测能力会迅速下降，直至完全失去检测力。本文讨论几种分 辨能力更好的波束形成方法，并且用湖试数据比较其性能。2 几种波达方向估计算法2.1 时域波束形成 最常用的一类波束形成器是延时相加波束形成器1，不同阵元输出信号采取 延时后相加的处理方式。在单目标的情况下，当波束形成器对准目标时波束输出 的平均功率最大。延时相加波束形成器的主要缺点是没有对干扰采取预先措施。如果将延时相加结构改成延时方差结构，即各阵元输出信号延时后
3、求方 差，则将得到一种延时方差方位估计器。在单目标的情况下，当波束形成器对 准目标时输出的方差数值最小（若求方差倒数则最大）。延时方差方位估计器有 着和延时相加波束形成器相同的稳健性能，并且具有更高的方位分辨力。2.2 基于 Frost 算法的自适应波束形成线性约束自适应波束形成Frost算法不需要预先知道期望信号的特性，只 与信号的方位有关2,3。当波束形成器在全景空间扫描时，就能获得比常规波束形 成高的目标分辨力。图1是Frost自适应波束形成器算法框图。设目标信号由探视方向入射，在系 统输出的目标信号分量可以看成是图中的“等效处理器”的输出。等效处理器的权值控制延迟线目标信号 图1 Fr
4、ost自适应波束形成器算法框图gm出 被设计成等于自适应处理器相应权的权值乏和。等效处理器的参数可以这样选择, 使得目标信号通过自适应波束形成器的传播相当于受到一个具有特定频率响应的 线性过滤。为了提高调节能力，需要增加可调节的权值的个数。于是可以增加每一路信 号上权系数的个数。Frost自适应波束形成器结构简单，并且对宽带信号有效，仿 真和实际湖试信号证明了该方法的有效性和可行性。2.3 基于 MVDR 的宽带高分辨波束形成最小方差响应不变波束形成器(MVDR)是线性约束最小方差波束形成器(LCMV)的一种特例，是在保持对某个方向来波响应不变的情况下使波束形成器 输出平均功率最小4,5。利用
5、FFT,声纳线列阵获得的宽带信号被分解为多个子带 信号。对每个子带，采用MVDR形成多波束。最后，对每个子带输出的多波束功 率求和，再进行目标检测和方位估计。图2是频域MVDR波束形成器的流程图， 其中使用了 8 个阵元。对第m个阵元接收到的采样信号，通过第i个子带滤波器后得到x (n)，m,ix (n) = i h (l)x (n -1)e- j咛n-i)，m ,iL ml=0其中L是FIR滤波器h长度。因为带宽已经大大减小，每个子带信号可以降采样L图2 MVDR信号处理流程图以提高计算效率。对降采样系数N,输出信号x (kN ) =e - jro(.kNm ,iL ml=0O可以选择为=2
6、兀i/L, L选择为2的整数次方，则上式可以采用FFT运算。 ii3 湖试性能分析湖试实验内容是采用8阵元均匀线列阵对过往船只进行被动测向(远处约1000 米处0。和45。方向附近有目标船)，接收到的信号为宽带信号。图3是延时一相加 波束形成，图4是延时一方差方位估计，图5是常规波束形成与基于Frost算法的 自适应波束形成，图6是频域波束形成与频域MVDR，图7是频域各子带上的波 束形成，图8是频域各子带上的MVDR。图7与图8中，利用512点FFT，将线 列阵获得的宽带信号分解为512个子带信号。对500Hz到1500Hz间的每个子带， 采用常规波束形成和MVDR形成多波束。最后，对每个子
7、带输出的多波束功率求 和得到图6。从图可以看出，延时一方差方位估计、基于Frost算法的自适应波束 形成、宽带MVDR均有比较好的方位分辨力，但它们也有不足：延时一方差方位 估计的旁瓣高，并且没有波束输出以供进一步的时间处理；自适应波束形成的迭 代步长系数在实时处理中很难择优选取；宽带MVDR在很低信噪比时出现很严重 的“失真”现象，而另两种方法在很低信噪比时至少和常规波束形成一样。在信 噪比不是很低的情况下，宽带MVDR能够达到很高的分辨力。4 结论本文讨论了几种可用于宽带信号的波达方向估计方法，对湖试数据的分析表 明它们比常规波束形成有更好的方位分辨性能。信噪比很低的情况下，这些方法 的高
8、分辨性能明显下降，因此寻找有效的降噪或对微弱信号增强的方法尤为重要。图5常规波束形成与基于Frost算 法的自适应波束形成frequency-domain beamformingABF CBFfrequence-domain MVDRfrequency-domain CBF & MVDR1100100090080070050050bearings(ZI-I)AUuCDntl 1o.g0.8 7o.a0.20.111001000900800700-50050bearings(M工)AuLICDnbITI10.90.80.70.6图7频域各子带上的波束形成图8频域各子带上的MVDR参考文献1 李启
9、虎. 声呐信号处理引论（第二版）. 北京：海洋出版社，20002 侯自强，李贵斌. 声呐信号处理原理与设备. 北京：海洋出版社，19863 林京. 水下目标信号的自适应增强与多信号分离技术. 中国科学院声学研究所博士后研究 工作报告，20014 Simon Haykin. ADAPTIVE FILTER THEORY, Third Edition. Prentice-Hall, Inc, 19965 Byung-Chul Kim and I-Tai Lu. High Resolution Broadband Beamforming Based on the MVDR Method. Proc. MTS/IEEE Oceans 2000. vol.3 pp. 1673-1676, Sept. 2000
几种方位估计算法的性能比较
