圆柱阵稳健反卷积波束形成技术研究
摘要
随着日益增加的海洋探测、海洋开发的需求，对目标探测的性能和定位的精度要
求也越来越高，由于声呐特殊的应用环境，在实际声呐信号处理中许多高分辨波束形
成算法的效果并不理想，因此稳健的高分辨波束形成技术是近年来水声探测领域的研
究热点。将反卷积技术运用在阵列空域信号处理上，利用常规波束形成（CBF，
ConventionalBeamforming）空间谱结果，与阵列的自然指向性函数也称作阵列的点扩
散函数（PSF，PointSpreadFunction）进行反卷积，得到包含目标方位和强度信息的目
标分布函数，反卷积算法具有高分辨性能，同时也具有高稳健性。但是针对不同的应
用场景，需要选择不同的反卷积算法，或者对反卷积算法进行优化改进，以保证算法
性能。本文主要围绕在圆柱阵上应用Richardson-Lucy（R-L）算法进行反卷积波束形成
时存在的问题展开研究。
针对CBF，最小方差无失真响应（MVDR，MinimumVarianceDistortionless
Response）和多重信号分类（MUSIC，MultipleSignalClassification）两种传统高分辨
波束形成算法，以及反卷积声源成像（DAMAS，DeconvolutionApproachforthe
MappingofAcousticSources）、非负最小二乘（NNLS，NonnegativeLeast-Squares）算
法、R-L算法三种反卷积算法开展了理论研究，并从角度分辨能力、强干扰下弱目标探
测能力、相干信号处理能力、稳健性以及计算速度五个方面进行了算法性能对比。得
出R-L算法具有最优的角度分辨能力和弱目标探测能力，对于相干源的旁瓣抑制效果
最好，并且具有类似于CBF的高稳健性和低计算量的优势。
针对非透声圆柱阵不能使用全阵列的PSF进行反卷积的问题，建立立体圆柱阵模
型，通过分析非透声阵列反卷积过程，提出PSF匹配方法。该方法是在CBF过程中，
针对不同扫描角度，以该角度为中心选取一定角度范围内的阵元的接收信号进行处理，
并使用该圆弧面的自然指向性函数作为PSF函数进行R-L反卷积。解决了R-L反卷积
算法应用于非透声圆柱阵时出现的PSF不匹配的问题，利用R-L算法实现了稳健高分
辨的目标方位探测。通过海试数据处理，获得的R-L反卷积波束形成结果既具有较窄
的主瓣，也具有干净的噪声背景，验证了PSF匹配方法的有效性以及PSF良好的适用
性。
针对无法利用R-L反卷积波束形成获得的声源分布函数通过LOFAR（Low
FrequencyAnalysisRecording）谱图方法获取目标的频谱特征的问题，应用一种基于频
哈尔滨工程大学硕士学位论文
域宽带波束形成的时频分析方法。该方法是从各子带频域波束形成方位谱或声源分布
函数中，提取目标所在方位的方位谱强度或声源分布函数强度，得到短时间内目标功
率谱，经过时间累积后获得目标时频功率谱图，实现了基于R-L算法对目标进行时频
分析。通过仿真和海试数据处理，得到相比基于CBF，基于R-L算法的目标时频分析
能够有效地抑制来自干扰的频谱泄露，有利于目标特征提取。
关键词：稳健高分辨波束形成；反卷积；点扩散函数；时频分析
圆柱阵稳健反卷积波束形成技术研究
ABSTRACT
Withtheincreasingdemandforoceanexplorationandoceandevelopment,the
performancefortargetdetectionandtheaccuracyrequirementsfortargetpositioningarealso
gettinghigherandhigher.Duetothespe