主動聲吶子帶融合處理方法

朱建峰

（第七一五研究所，杭州，310012）

1 子帶融合處理方法提出

現(xiàn)有的主動聲吶朝著寬帶方向發(fā)展，當前的趨勢是發(fā)射全部有效帶寬，目的是為了通過增加分辨率來抑制混響[1,2]，當聲吶帶寬增加到一定限度時，目標開始過分辨，聲吶性能隨帶寬增加而下降，當存在多徑時，因為多徑放大了目標過分辨率，使得帶寬限度減小。目標過分辨將導致能量分段，從而降低檢測概率，同時，大的帶寬改變了混響匹配濾波包絡的統(tǒng)計分布，從傳統(tǒng)假設的瑞利分布轉變?yōu)閲乐赝衔驳腒分布，將導致更高的虛警概率[1]。

可以利用環(huán)境知識和模型來預測最優(yōu)發(fā)射帶寬，但當前聲吶可能工作在一個固定的頻率范圍，其可能不是最優(yōu)形式，在這樣條件下，可以通過子帶融合處理來利用最優(yōu)帶寬知識，獲得更好檢測效果。子帶處理就是用一組互不相交的子帶濾波器，對全帶匹配濾波輸出進行濾波，再進行適當?shù)娜诤?，這里給出子帶融合處理方法。

2 子帶融合處理流程

傳統(tǒng)的全帶處理流程如圖1所示，子帶融合處理流程如圖2所示，子帶處理是在全帶匹配濾波輸出的基礎上通過子帶濾波器組，子帶濾波器組覆蓋了發(fā)射信號整個帶寬，且不重疊，每個濾波器的帶寬等于最優(yōu)帶寬，這里最優(yōu)帶寬等于相干帶寬，即信道時延擴展倒數(shù)，實際在使用時，當相干帶寬較小時，處理經(jīng)驗表明可以取最優(yōu)帶寬為相干帶寬的5至10倍。

融合檢測方法，是利用N路子帶輸出數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，這里先將每一路數(shù)據(jù)與門限比較，門限是根據(jù)確定的虛警概率由仿真計算得到，當大于門限時則認為該路有信號，否則認為無信號。然后再使用融合門限M/N融合檢測，即當N路中有M路以上同時檢測到信號時，才認為有目標，否則認為是干擾。融合門限M/N的取值比較關鍵，其選擇根據(jù)經(jīng)驗，經(jīng)驗取值為60%～80%之間。

圖1 全帶處理流程

圖2 子帶融合處理流程

3 有保護窗歸一化方法

歸一化，其主要功能是去除背景干擾的時間或距離相干性。對于給定的虛警率，所有序列只使用一個固定的門限。傳統(tǒng)的歸一化方法取兩旁數(shù)據(jù)時沒有保護窗，混響和背景噪聲能量平均值用被歸一化數(shù)據(jù)兩旁的數(shù)據(jù)來估計；而有保護窗歸一化方法，如圖 3，其在被歸一化數(shù)據(jù)兩旁加入了保護區(qū)域，避免目標能量進入背景噪聲計算中，背景噪聲功率使用輔助數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)進行估計。

圖3 帶保護窗歸一化方法

為了適應環(huán)境變化，保護段長度將取決于水聲信道傳播特征，也就是說，時延擴展越大，保護段越寬，保護段可取等于時延擴展寬度，時延擴展的獲取可以使用模型仿真或水聲信道試驗擴展理論進行估計[3]。

使用KRAKEN模型進行仿真，海洋環(huán)境參數(shù)為：海深H=150 m、海水聲速c1=1500 m/s、海底聲速c2=1584m/s、海底密度ρ2=1.608 g/cm3和海底衰減系數(shù)a2=0.282 dB/λ，收發(fā)深度都為海深一半。換能器發(fā)射信號脈寬為0.01 s，中心頻率為3000 Hz，帶寬為500 Hz 的HFM信號。經(jīng)過模型仿真，時延擴展約為20 ms，所以相干帶寬為50 Hz，為了便于實現(xiàn)，取最優(yōu)帶寬為100 Hz，即需要5路子帶濾波器，取融合門限為3/5，取虛警概率PFA=1‰。圖4為仿真的 ROC曲線，帶保護窗子帶處理與全帶處理 ROC曲線比較可得，子帶處理結果要優(yōu)于全帶處理結果，且其可對現(xiàn)有的聲吶進行較少的改動，就可以提高檢測性能。

圖4 子帶、全帶處理ROC曲線比較

4 湖試數(shù)據(jù)處理結果

在千島湖水聲實驗站，發(fā)射中心頻率為 2500 Hz，帶寬為1000 Hz的LFM信號，脈寬為50 ms，進行全帶處理與子帶融合處理比較。

4.1 高信噪比下獲得信道時延擴展

圖5為湖試時發(fā)射強信號經(jīng)過信道傳輸后接收到的高信噪比波形，信號出現(xiàn)在0.5 s左右，具有很高的信噪比。圖6為使用拷貝相關處理后得到的時延擴展圖[3]，時延擴展約為 50 ms，則千島湖湖試試驗時，信道相干帶寬約為20 Hz，不同試驗環(huán)境下，信道時延擴展不同。

圖5 接收信號波形

圖6 時延擴展圖

4.2 低信噪比下檢測結果比較

圖7為發(fā)射弱信號經(jīng)過信道傳輸后接收到的低信噪比波形，根據(jù)時頻圖分析得接收信號約在 1s處，其他處沒有信號，只有噪聲，且在6s后有很強摩托艇噪聲干擾。

圖7 低信噪比下接收波形

在信號檢測處理中取虛警概率為 10-4，經(jīng)Monte Carlo仿真得RC檢測器檢測門限為18.42，RCI檢測器檢測門限為8.9，子帶檢測器檢測門限為6.35。

圖8為全帶RC檢測結果，圖8(a)為RC檢測器直接輸出，從中可知，由于環(huán)境噪聲起伏比較大，需要對其做歸一化處理；圖8 (b)為帶保護窗歸一化及檢測結果，相關峰值從背景噪聲中凸顯出來，由于已知信號約在1 s處，所以RC可以檢測出信號，但其有一次虛警。

圖8 RC檢測結果

圖 9為子帶處理結果，由于時延擴展約為 50 ms，則相干帶寬約為20 Hz，最優(yōu)帶寬可取為200 Hz，則需要5路子帶濾波器，融合門限取經(jīng)驗值為3/5。圖9(a)為5路子帶歸一化輸出，圖9(b)前五幅對應于5路子帶檢測結果，值為1表示檢測到信號，最后一幅為5路子帶融合后結果。從處理結果看出，在同樣的虛警概率下，子帶不但可以正確檢測出信號，且沒有虛警。

圖9 子帶檢測結果

5 結束語

子帶融合處理方法，利用環(huán)境知識和模型來預測最優(yōu)發(fā)射帶寬，在現(xiàn)有裝備全帶匹配濾波輸出數(shù)據(jù)基礎上進行子帶濾波、融合檢測，結合時延擴展知識，進行有保護窗歸一化處理，理論和湖試都取得比常規(guī)全帶處理更好的結果。

[1] BALDACCI A, HARALABUS G, CORALUPPI S.Sub-band processing:An environmental adaptation strategy applicable to existing navy sonar systems[C]. UDT Europe,2007.

[2] 劉貫領. 淺海主動聲吶波形設計和抗混響檢測技術研究[D]. 中國艦船研究院, 2007: 25-54.

[3] 朱建峰.水聲信道時延擴展分析[J].聲學與電子工程，2011, (3):7-10.