本文由Hojun Lee、Jongmin Ahn、Yongcheol Kim和Jaehak Chung共同撰写，他们均来自韩国仁荷大学电子工程系。该研究于2021年2月12日发表在《IEEE Access》期刊上，DOI为10.1109/ACCESS.2021.3059157。研究得到了仁荷大学研究项目的支持。

研究背景

被动声纳阵列（passive sonar arrays）广泛应用于估计各种声源的距离和方向（direction-of-arrival, DOA）。然而，当远场声源位于由近场干扰引起的掩蔽区域时，DOA估计变得困难。传统的延迟求和（delay-and-sum, DAS）波束形成方法在处理近场干扰时存在局限性，尤其是在近场干扰信号功率远大于远场声源信号功率的情况下，会导致掩蔽区域的产生，使得远场声源的DOA估计难以实现。

为了解决这一问题，本文提出了一种近场干扰抑制（near-field interference mitigation, NFIM）波束形成器，利用子阵列和一种新的方位域滤波器来分离远场声源和近场干扰的波束。该方法通过数学分析掩蔽区域和子阵列配置，设计了一种在zeta域中实现的方位域滤波器，以抑制近场干扰并提高DOA估计性能。

研究流程

1. 掩蔽区域分析：首先，本文对均匀线阵（uniform line array, ULA）的掩蔽区域进行了数学分析。假设声纳阵列有N个传感器，传感器间距为L，远场声源位于方位角θ_f，近场干扰位于距离d_n和方位角θ_n。通过分析远场和近场信号的传播延迟差异，推导出掩蔽区域的上下边界（m_l和m_u）。

2. 子阵列配置：为了分离远场声源和近场干扰的波束，本文提出了子阵列配置方法。通过将全阵列划分为多个子阵列，每个子阵列的掩蔽区域会有所不同，从而使得远场声源的波束能够从掩蔽区域中分离出来。子阵列的配置需要满足一定的条件，即子阵列的传感器数量n_sub必须小于全阵列传感器数量n_tot的一半。

3. 方位域滤波器设计：本文提出了一种新的方位域滤波器，用于抑制近场干扰。该滤波器基于远场和近场声源在方位域中的波束宽度差异。通过将方位域中的波束宽度转换为zeta域中的参数ζ，设计了一种滤波器，能够有效抑制近场干扰的宽波束，同时保留远场声源的窄波束。

4. 波束形成器实现：将设计的滤波器应用于所有子阵列的输出，并通过非线性函数（如对数函数）对波束功率进行处理，以增强滤波器的性能。最后，将所有子阵列的滤波输出进行组合，以进一步抑制残余干扰，从而提高远场声源的DOA估计性能。

主要结果

通过计算机仿真，本文验证了所提出的NFIM波束形成器的有效性。仿真结果表明，与传统的DAS方法和近场/远场（NFFF）波束形成器相比，NFIM波束形成器能够显著提高DOA估计性能。具体来说，NFIM波束形成器在峰值平均功率比（peak-to-average power ratio, PAPR）和均方根误差（root mean square error, RMSE）方面均优于传统方法。在PAPR为25 dB时，NFIM波束形成器相比传统NFFF方法（无误差和有误差）和DAS方法分别有4 dB、10 dB和14 dB的信号干扰比（signal-to-interference power ratio, SIR）增益。

结论

本文通过数学分析掩蔽区域和子阵列配置，提出了一种新的NFIM波束形成器，能够有效抑制近场干扰并提高远场声源的DOA估计性能。该方法的创新之处在于： 1. 提出了掩蔽区域的数学推导，为子阵列配置提供了理论基础。 2. 设计了基于zeta域的方位域滤波器，能够有效分离远场声源和近场干扰的波束。 3. 通过子阵列和滤波器的组合，显著提高了DOA估计的精度和鲁棒性。

研究亮点

1. 掩蔽区域的数学推导：本文首次对均匀线阵的掩蔽区域进行了详细的数学分析，为后续的子阵列配置和滤波器设计提供了理论依据。
2. 子阵列配置的创新：通过子阵列的合理配置，成功分离了远场声源和近场干扰的波束，解决了传统方法在掩蔽区域内的DOA估计难题。
3. zeta域滤波器的设计：本文提出的zeta域滤波器能够有效抑制近场干扰的宽波束，同时保留远场声源的窄波束，显著提高了DOA估计的性能。

研究价值

本文的研究成果不仅为被动声纳阵列的DOA估计提供了新的解决方案，还为其他涉及近场干扰抑制的领域（如雷达、无线通信等）提供了理论参考。该方法的成功应用有望在实际声纳系统中显著提高目标检测和定位的精度，具有重要的科学和应用价值。