研究人员提出一种具备波束会聚能力的条纹-相关基波束形成算法

在水声信号处理研究中，常规波束形成（Conventional beamforming, CBF）方法受水下复杂环境影响，大孔径阵列难以获得理论阵列增益，且存在波束分裂、展宽等问题，导致了目标方位估计误差且阵列性能下降。针对这些问题，中国科学院声学研究所声学与海洋信息重点实验室的刘昌鹏博士、周士弘研究员和戚聿波副研究员基于条纹基波束形成（striation-based beamforming, SBF）方法的现有研究成果，进一步提出一种具备波束会聚能力的条纹-相关基波束形成（striation-correlation-based beamforming, SCBF）算法。

研究人员首先通过理论研究证明了SBF的波束会聚能力。基于简正波和频移补偿理论，推导得出SBF处理的沿条纹阵列信号相位关系近似与形成条纹的模态参数无关。此方法应用时存在声源频谱缓变要求和信号截断时间影响，且依赖外部图像处理获取条纹斜率信息。研究人员进一步提出SCBF-BO算法，该算法利用CBF波束输出（beam output, BO）与接收声压阵列信号互相关处理，消除声源相位谱和截断效应的影响，通过频移处理压制声源幅度谱的影响，同时保持波束输出的会聚能力。通过利用SCBF-BO主瓣位置与所用条纹斜率近似无关但输出增益与条纹斜率有关的物理性质，引入斜率搜索流程，使SCBF-BO方法摆脱了对外部图像处理获取斜率信息的依赖。

相关研究成果发表于学术期刊IEEE Journal of Oceanic Engineering。

本研究得到了中国博士后科学基金（GZC20232903）、国家自然科学基金青年基金（12404519），中国科学院特别研究助理项目，以及国家自然科学基金（12174419和11804362）的资助。

图1 实验气枪声源数据和白高斯噪声（WGN）声源数据的干涉结构和条纹斜率提取结果（图/中国科学院声学研究所）

参考文献：

Liu C P, Zhou S H, Qi Y B. Beam Converging and Slope Search Processing by Striation-Correlation-Based Beamforming in Shallow Water[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2025, 10.1109/JOE.2025.3553983.

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11049946/