一種基于聲起伏特性的水面干擾抑制方法

付留芳，趙國(guó)君，張大偉，章新華

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一種基于聲起伏特性的水面干擾抑制方法

付留芳1,2，趙國(guó)君3，張大偉1，章新華1

(1. 海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連 116013；2. 中國(guó)人民解放軍92337部隊(duì)，遼寧大連 116001； 3. 中國(guó)人民解放軍91913部隊(duì)，遼寧旅順 116041)

利用水面目標(biāo)和環(huán)境噪聲起伏較大，而水下目標(biāo)的聲信號(hào)起伏較小的特性，可以有效抑制水面干擾，提高水下目標(biāo)的檢測(cè)概率。對(duì)于單基元頻譜分析采用非線(xiàn)性濾波器，進(jìn)而針對(duì)陣列信號(hào)處理提出一種基于非線(xiàn)性濾波的連續(xù)時(shí)間方位歷程水面干擾抑制方法。最后，對(duì)Swell96的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，單基元信號(hào)處理結(jié)果表明，振幅非線(xiàn)性濾波器和復(fù)聲壓非線(xiàn)性濾波器對(duì)于穩(wěn)定線(xiàn)譜的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)增益可達(dá)15 dB和30 dB；陣列信號(hào)處理結(jié)果顯示所提出的方法能夠有效抑制水面聲源的航跡，提高水下聲源的發(fā)現(xiàn)概率。

水聲；聲場(chǎng)起伏；水面干擾抑制；先進(jìn)的Wagstaff積分抑制求和處理器

0 引言

聲場(chǎng)具有起伏性，傳統(tǒng)意義上認(rèn)為這種特性使得水聲信道更加復(fù)雜，對(duì)信號(hào)檢測(cè)構(gòu)成干擾。但是，有研究表明這種起伏特性可以用于提高對(duì)特定信號(hào)的檢測(cè)概率。對(duì)于窄帶信號(hào)，輸出功率對(duì)于聲信號(hào)起伏非常敏感，文獻(xiàn)[1]、[2]中采用先進(jìn)的Wagstaff積分抑制求和處理器(AdvancedWISPR (Wagstaff’s Integration Silencing PRocessor) SUMmation，AWSUM)，對(duì)WISPR采用了更高階的濾波，結(jié)果表明頻譜分辨率和空間分辨率均有很大的提高，并且通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)處理表明對(duì)于低起伏的聲信號(hào)，信噪比增益可達(dá)20 dB。聲起伏主要來(lái)源于：時(shí)變空變的熱鹽結(jié)構(gòu)，湍流，內(nèi)波，不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的海面產(chǎn)生的反射，聲源和接收之間的距離變化，等等，但是這些產(chǎn)生聲起伏的聲源或機(jī)制主要集中在海面附近。因此，水面船只和海面風(fēng)成噪聲的信號(hào)具有更加明顯的起伏特性。文獻(xiàn)[3]將改良的方向性估計(jì)技術(shù)(Directivity Improved Estimation Technique，DIET)與AWSUM相結(jié)合，進(jìn)一步提高了信噪比和分辨率。一般來(lái)說(shuō)分辨率和信噪比要同時(shí)改善是不容易的，而該方法將直接去卷技術(shù)應(yīng)用于AWSUM濾波器，使得信噪比和分辨率同時(shí)得到提高；該方法又稱(chēng)為DIET AWSUM。空域分辨率的提高受限于陣列孔徑。最典型的例子，在SOFAR(SOund Fixing And Ranging)聲道中的聲信號(hào)是低起伏的聲信號(hào)，而海面風(fēng)成噪聲是高起伏聲信號(hào)。這些方法主要旨在解決水下目標(biāo)穩(wěn)定線(xiàn)譜的提取，但是實(shí)際中很難區(qū)分線(xiàn)譜的來(lái)源。本文從連續(xù)時(shí)間目標(biāo)方位角度出發(fā)，對(duì)水面干擾進(jìn)行抑制。

1 聲場(chǎng)起伏特性[4]

由于海水介質(zhì)及其界面的隨機(jī)不均勻性的散射和折射導(dǎo)致接收點(diǎn)信號(hào)波形的變化，稱(chēng)之為聲信號(hào)起伏[5]。海洋中存在種類(lèi)繁多的隨機(jī)不均勻性。海面具有隨機(jī)時(shí)變、空變的波浪；海水中有冷熱不均的隨機(jī)水團(tuán)，稱(chēng)之為溫度微結(jié)構(gòu)；海水中還有隨機(jī)游動(dòng)的魚(yú)蝦及浮游生物群；海底的地貌及其聲學(xué)特性也是隨機(jī)不均勻的，海洋中還存在隨機(jī)的內(nèi)波和潮汐。聲信號(hào)起伏分為兩個(gè)方面：振幅起伏和相位起伏。信號(hào)的振幅起伏是經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，通常在聲影區(qū)較大，在亮區(qū)較小。聲信號(hào)的相位起伏隨振幅起伏的增大而增大，通常相位起伏的方差在幾十度以?xún)?nèi)，可以觀察到更大的相位起伏，但是這種起伏是十分緩慢的。

信號(hào)的振幅起伏對(duì)聲吶系統(tǒng)的影響是不容忽視的，對(duì)于門(mén)限檢測(cè)器來(lái)說(shuō)，在大信噪比時(shí)，信號(hào)起伏導(dǎo)致漏報(bào)概率增加，在小信噪比時(shí)，使檢測(cè)概率增加。但是后者無(wú)實(shí)際意義，因?yàn)檫@時(shí)檢測(cè)概率很低，遠(yuǎn)不能達(dá)到正確檢測(cè)目標(biāo)的目的。對(duì)于使用簡(jiǎn)單的門(mén)限檢測(cè)器的測(cè)時(shí)系統(tǒng)，信號(hào)振幅起伏也導(dǎo)致測(cè)時(shí)誤差增加，在水聲通信中，信號(hào)起伏也稱(chēng)為信號(hào)衰落，導(dǎo)致通信質(zhì)量時(shí)好時(shí)壞。文獻(xiàn)[1]中分析了一組信號(hào)樣本，包括水下信號(hào)、水面起伏聲信號(hào)和噪聲信號(hào)，結(jié)果是水下信號(hào)方差為，兩種水面信號(hào)的方差分別為10.0和8.4，噪聲數(shù)據(jù)的方差分別為8.8和7.2。這組數(shù)據(jù)也從實(shí)際觀測(cè)的角度說(shuō)明了海洋聲信號(hào)的起伏特性。

2 基于聲場(chǎng)起伏特性的非線(xiàn)性濾波器

2.1 單基元非線(xiàn)性濾波器

通常采用線(xiàn)性平均的方法對(duì)一些起伏分量進(jìn)行抑制，分別從振幅起伏和振幅相位起伏兩個(gè)方面來(lái)介紹非線(xiàn)性濾波器。

2.1.1 振幅非線(xiàn)性濾波器

由第1節(jié)可知，噪聲和水面信號(hào)較水下信號(hào)具有更多的不穩(wěn)定性。通常通過(guò)平均處理來(lái)抑制掉起伏信息，提高信噪比?；驹砣缦拢?/p>

R. A. Wagstaff提出了一種基于波動(dòng)起伏的非線(xiàn)性濾波器[2]，可以抑制起伏變化大的頻譜信號(hào)，比常規(guī)平均方法具有更好抑制起伏頻譜的性能?；灸Ｐ腿缦拢?/p>

2.1.2 復(fù)聲壓非線(xiàn)性濾波模型[5]

2.1.1中的方法只考慮了振幅的起伏性，而沒(méi)有考慮相位的影響，下面定義序列為單水聽(tīng)器接收信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換得到的復(fù)聲壓值。第個(gè)復(fù)聲壓值具有如下形式：

其中：表示幅度；是復(fù)相位因子。該相位因子具有如下形式：

(4)

(6)

理論上，考慮了相位起伏之后，會(huì)進(jìn)一步增加穩(wěn)定信號(hào)的相干性，使得信噪比的提高較振幅非線(xiàn)性濾波器更加明顯。

2.2 陣列非線(xiàn)性濾波器

單基元處理后提取的線(xiàn)譜存在能量較寬帶信號(hào)弱、難以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)等問(wèn)題，這里提出一種進(jìn)行連續(xù)時(shí)間方位觀測(cè)的方法進(jìn)行直觀有效的觀測(cè)。

被動(dòng)聲吶信號(hào)處理中，頻域波束形成在每個(gè)時(shí)刻可以得到一個(gè)關(guān)于頻率與方位的二維矩陣(Frequency Azimuth FRAZ)。這里定義：

(10)

其中：表示第個(gè)頻率點(diǎn)；表示處理頻段內(nèi)的最小頻率；表示處理頻段的最大頻率。是非線(xiàn)性濾波器的濾波參數(shù)。對(duì)頻域波束形成在每個(gè)時(shí)刻的FRAZ進(jìn)行非線(xiàn)性濾波可得到其方位歷程圖。

3 非線(xiàn)性濾波器在水面干擾抑制中的應(yīng)用

美國(guó)海洋物理實(shí)驗(yàn)室(Marine Physical Lab)等單位在1996年5月10日至18日于圣迭戈市附近海域開(kāi)展了SWellEx-96水聲試驗(yàn)。本文采用此次水聲試驗(yàn)S5部分的海試數(shù)據(jù)對(duì)非線(xiàn)性濾波器抑制水面干擾的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

此次海試發(fā)射船共拖有兩個(gè)聲源，其中一個(gè)聲源為“深”聲源(J-15)，拖曳深度大約為54 m，發(fā)射由13個(gè)頻率組成帶寬為0~400 Hz的寬帶CW信號(hào)；另一個(gè)聲源為淺聲源(J-13)，拖曳深度大約為9 m，發(fā)射由9個(gè)頻率組成帶寬為100~400 Hz的寬帶CW信號(hào)，具體情況如表1所示。

表1 不同深度處聲源頻率(Hz)

* 深：54 m；淺：9 m

3.1 單基元處理

對(duì)單基元(水聽(tīng)器)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，得到個(gè)頻譜，采用式(1)在對(duì)不同時(shí)刻的頻譜進(jìn)行處理。

圖1對(duì)比了WISPR方法與常規(guī)平均方法的結(jié)果，由圖1可知，WISPR較AVGPR方法對(duì)于穩(wěn)定線(xiàn)譜的檢測(cè)，SNR提高約3 dB。圖2對(duì)AWSUM4方法和AVGPR方法進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)于穩(wěn)定線(xiàn)譜的SNR增益可達(dá)15 dB。而且可以明顯觀察到對(duì)于深聲源輻射聲信號(hào)的信噪比增益大于淺聲源，尤其以淺聲源輻射的198 Hz的聲信號(hào)和深聲源輻射的201 Hz的聲信號(hào)對(duì)比明顯。通過(guò)這些處理說(shuō)明這種方法對(duì)頻譜起伏大的信號(hào)具有很好的抑制作用，提高了譜線(xiàn)信噪比增益。

圖3是采用復(fù)聲壓非線(xiàn)性濾波器和常規(guī)平均方法分別得到的功率譜密度?？梢?jiàn)，復(fù)聲壓非線(xiàn)性濾波方法較常規(guī)平均方法，信噪比提高可達(dá)30 dB。

3.2 陣列處理

對(duì)水平陣的15個(gè)基元接收聲信號(hào)，截取1小時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4是采用常規(guī)平均方法所得的結(jié)果，其中方位跨度大的是“淺”聲源的航跡，方位基本不變的是“深”聲源的航跡。通過(guò)圖4可見(jiàn)，“淺”聲源是一個(gè)強(qiáng)干擾，在其影響下，“深”聲源的航跡很不明顯，水下目標(biāo)受到水面干擾的嚴(yán)重影響。采用2.2節(jié)的方法，對(duì)頻域波束形成在每個(gè)時(shí)刻的FRAZ采用AWSUM4處理所得的結(jié)果如圖5所示。圖5中“淺”聲源的影響被完全抑制，說(shuō)明該方法有效抑制了水面強(qiáng)干擾。

4 結(jié)論

聲起伏一般來(lái)說(shuō)對(duì)水聲探測(cè)是有害的，本文利用水面目標(biāo)和環(huán)境噪聲起伏較大，而水下目標(biāo)的聲信號(hào)起伏較小的特性，采用非線(xiàn)性濾波器，可以有效抑制水面干擾，提高水下目標(biāo)的檢測(cè)概率。文中采用非線(xiàn)性濾波方法對(duì)Swell96的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，驗(yàn)證了該方法的有效性。

[1] Wagstaff R A. The AWSUM filter: A 20-dB gain fluctuation-based processor[J]. IEEE journal of Oceanic Engineering, 1997, 22(1): 110-118.

[2] Wagstaff R A. The Wagstaff’s integration silencing processor filter: A method for exploiting fluctuation to achieve improved sonar signal processor performance[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1998, 104(5): 2915-2924

[3] Gardner S D, Wagstaff R A. DIET AWSUM: A fluctuation-based deconvolution technique for enhancing signal-to-noise ratio and resolution[J]. IEEE journal of Oceanic Engineering, 1997, 22(1): 119-127.

[4] 惠俊英, 生雪莉. 水下聲信道[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社. 2007.HUI Junying, SHENG Xueli. Underwater acoustic channel[M]. Beijing: National Defense Industry Press. 2007

[5] Wagstaff R A. Exploiting phase fluctuations to improve temporal coherence[J]. IEEE journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(2): 498-510.

A method of surface interference suppression based on acoustic fluctuation

FU Liu-fang1,2, ZHAO Guo-jun3, ZHANG Da-wei1, ZHANG Xin-hua1

(1. Dalian Naval Academy,Dalian116013, Liaoning, China; 2. Unit 92337 of PLA, Dalian116031, Liaoning, China,3. Unit 91913 of PLA, Lüshun 116041, Liaoning,China)

Clutter signals from ships and noise from the wind and sea surface have relatively high fluctuation characters, but the signals from the sources submerged can be more stable. This phenomenon can be used to suppress the surface interference and to improve the detection probability of the submerged target. The nonlinear filter is used to analyze the spectrum for a single hydrophone, and a method of surface interference suppression for consecutive course is presented in the paper for array processing. Then, the experimental data of Swell96 are processed to prove the effectiveness of the method. The data processing for a single hydrophone shows that the SNR gain for stable line spectrum can be 15 dB and 30 dB with amplitude nonlinear filter and complex sound pressure nonlinear filter respectively. Array processing illustrates that the bearing time track of surface source can be suppressed to improve the detection probability of submerged source.

underwater acoustics; acoustic fluctuation; surface interference suppression; AdvancedWISPR (Wagstaff’s Integration Silencing PRocessor) SUMmation (AWSUM)

TB533

A

1000-3630(2016)-03-0214-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.005

2015-07-01;

2015-10-10

國(guó)家重大安全基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(613220030101b), 大連艦艇學(xué)院科研發(fā)展基金(DJYKYKT2015-09)資助。

付留芳(1989－), 女, 河南洛陽(yáng)人, 碩士, 講師, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。

付留芳, E-mail:fuliufanghenan@126.com