主動(dòng)聲納空時(shí)自適應(yīng)處理算法研究?

李玉偉 周敏佳（.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室上海008）（.海軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室無(wú)錫4000）

主動(dòng)聲納空時(shí)自適應(yīng)處理算法研究?

李玉偉1周敏佳2
（1.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室上海201108）
（2.海軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室無(wú)錫214000）

為了提高混響背景下聲納的檢測(cè)性能，十分有必要進(jìn)行抗混響信號(hào)處理算法研究。針對(duì)混響抑制的算法很多，論文重點(diǎn)研究了主動(dòng)聲納空時(shí)自適應(yīng)處理（Space Time Adaptive Processing，STAP）技術(shù)，詳細(xì)分析了空時(shí)自適應(yīng)處理算法的原理和流程。在混響背景下對(duì)算法進(jìn)行了仿真分析，具有較為理想的抗混響效果，為其工程實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

聲納檢測(cè)；混響抑制；空時(shí)自適應(yīng)

Class Num ber TN911

1 引言

在淺水環(huán)境下，混響嚴(yán)重地影響著主動(dòng)聲納的檢測(cè)性能。當(dāng)聲納載體運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同方位的混響具有不同的多普勒頻移，使得聲納陣元級(jí)的混響在頻譜上呈現(xiàn)大幅擴(kuò)展的現(xiàn)象，采用常規(guī)波束形成難以有效消除由旁瓣進(jìn)入接收機(jī)的混響。然而，當(dāng)目標(biāo)相對(duì)于聲納具有非零的徑向速度時(shí)，在聲納接收信號(hào)的方位/頻移二維平面上目標(biāo)回波同混響是分離的，從理論上講兩者是可以區(qū)分開(kāi)來(lái)的［1~2］。

1973年Brennan等首次提出了空時(shí)自適應(yīng)處理（Space Time Adaptive Processing，STAP）的概念，空時(shí)自適應(yīng)處理充分利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)接收混響的空時(shí)結(jié)構(gòu)特性，對(duì)回波進(jìn)行空時(shí)二維自適應(yīng)處理，可以有效地補(bǔ)償雷達(dá)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，從而在理論上獲得理想的雜波抑制性能，達(dá)到最佳的檢測(cè)效果。聲納混響的產(chǎn)生機(jī)理和部分特性同機(jī)載雷達(dá)的地物雜波非常相似，STAP方法也可以在聲納抗混響處理中發(fā)揮作用［3］。

2 空時(shí)自適應(yīng)處理算法研究

2.1 原理說(shuō)明

STAP思想實(shí)質(zhì)上是將一維自適應(yīng)濾波技術(shù)推廣到時(shí)間與空間二維域中?？諘r(shí)自適應(yīng)處理器是一個(gè)線性濾波器，它將要檢測(cè)的一個(gè)距離門(mén)內(nèi)的所有接收數(shù)據(jù)組合成一個(gè)標(biāo)量輸出，波束形成和多普勒分析同時(shí)進(jìn)行。該方法的出發(fā)點(diǎn)是利用了干擾及噪聲的平穩(wěn)性（或局部平穩(wěn)性），通過(guò)對(duì)待檢數(shù)據(jù)附近干擾及噪聲的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行估計(jì)來(lái)給出待檢數(shù)據(jù)的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)［4］。

圖1為空時(shí)濾波進(jìn)行空時(shí)雜波抑制的原理。

在圖1中可以看到沿方位/多普勒平面對(duì)角線運(yùn)動(dòng)的雜波譜。采用空時(shí)自適應(yīng)濾波時(shí)，空時(shí)濾波器工作在整個(gè)多普勒/方位平面上，濾波器沿雜波譜的軌跡形成了非常窄的凹槽，使得甚至慢速目標(biāo)可能落入通帶并能被探測(cè)到。同時(shí)，空時(shí)雜波抑制濾波器工作在多普勒/方位平面內(nèi)，所以空時(shí)濾波器具有自身運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能力。

2.2 最佳空時(shí)自適應(yīng)處理

考慮一N元的等距線陣，時(shí)域采樣點(diǎn)數(shù)為K。設(shè)xnk表示第n個(gè)陣元第k次時(shí)域采樣的數(shù)據(jù)，其中n=1，2，…，N，k=1，2，…，K，則空時(shí)二維采樣數(shù)據(jù)可以表示為

式中Xs，k=[x1，k，…，xn，k]T表示第k次空間快拍數(shù)據(jù)，T表示轉(zhuǎn)置。

求解每一次空時(shí)采樣點(diǎn)xnk的加權(quán)系數(shù)wnk，然后將所有的空時(shí)采樣進(jìn)行復(fù)加權(quán)并求和輸出，可以表示為

最優(yōu)濾波器描述為如下的線性約束最小化問(wèn)題。

通過(guò)求解式（3），可以得到空時(shí)二維最優(yōu)處理器的權(quán)矢量Wopt為

式中：μ=(SHR-1S)-1表示歸一化復(fù)常數(shù)，W表示NK*1維的處理器的權(quán)矢量。R=E[XXH]表示由接收數(shù)據(jù)形成的協(xié)方差矩陣。S表示空時(shí)二維導(dǎo)向矢量，表達(dá)式為S=St(wt)?Ss(ws)，即兩者的kronecker乘積，wt和ws分別為時(shí)域和空域角頻率。等距線陣的時(shí)域?qū)蚴噶縎t(wt)和空域?qū)蚴噶縎s(ws)分別具有以下的形式：

式中wt=2πfd/fs為歸一化的時(shí)域角頻率，fd為多普勒頻移，fs為時(shí)間采樣頻率；ws=2πd cosψ/λ為歸一化的空域角頻率，d為線陣相鄰陣元間隔，λ為波長(zhǎng)，ψ為探測(cè)方向（視角）與線列軸線的夾角，稱為錐角。

從式（4）可以看出，表達(dá)式由雜波協(xié)方差逆矩陣和目標(biāo)矢量?jī)刹糠纸M成，第一部分相當(dāng)于對(duì)雜波進(jìn)行白化，后一部分相當(dāng)于對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行空域的波束形成和時(shí)域的匹配濾波，因此，其實(shí)質(zhì)是廣義的維納最優(yōu)匹配濾波器［5］。

2.3 降維空時(shí)自適應(yīng)處理

最佳空時(shí)自適應(yīng)處理的難點(diǎn)在于計(jì)算量巨大，混響背景的估計(jì)不準(zhǔn)，造成最佳空時(shí)自適應(yīng)處理性能下降，甚至算法無(wú)法進(jìn)行，同時(shí)帶來(lái)了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本的增加。十分有必要降維空時(shí)處理的研究。本文中重點(diǎn)介紹兩種應(yīng)用前景較大的方法［6］。

1）時(shí)空級(jí)聯(lián)自適應(yīng)處理（TSA）

TSA方法是常規(guī)處理方法的擴(kuò)展，該方法同時(shí)涉及信號(hào)的時(shí)間和空間處理，而且在比較理想的情況下可以取得較好的結(jié)果，可以將其視為一種廣義的STAP方法。

TSA方法先用深加權(quán)的時(shí)域?yàn)V波器預(yù)處理，將接收信號(hào)變成一組窄帶信號(hào)，在時(shí)域先抑制大量的雜波，再對(duì)窄帶信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)波束形成，用來(lái)抑制剩余的雜波。其基本思想就是用一組多普勒濾波器，對(duì)混響譜進(jìn)行窄帶分割，使每個(gè)多普勒通道輸出的混響在空域上僅位于一小錐角區(qū)。在非主混響區(qū)，小錐角區(qū)混響與目標(biāo)在空域上可分離，后續(xù)自適應(yīng)空域處理將小錐角區(qū)的混響有效濾除［7］。

2）局域聯(lián)合處理（JDL）

局域聯(lián)合處理（JDL）是由Wang H等提出，是一種將原始數(shù)據(jù)變換到角度-多普勒域的降維方法，能夠大大降低處理的維數(shù)。其基本原理是：首先對(duì)空時(shí)二維數(shù)據(jù)進(jìn)行二維傅里葉變換，將雜波限制在某一很小的局域范圍內(nèi)；然后在待檢測(cè)的通道附近選擇一個(gè)矩形的區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行聯(lián)合的空時(shí)自適應(yīng)處理。這一做法可以有效降低系統(tǒng)的自由度，Wang H的研究表明，通常采用3′3的通道就可以達(dá)到較好的檢測(cè)效果。這意味著不論原始數(shù)據(jù)包含多少陣元和時(shí)域采樣數(shù)，通過(guò)該算法均可以將其進(jìn)行有效的降維。當(dāng)存在較大的幅相誤差或環(huán)境較為復(fù)雜時(shí)，JDL方法可以通過(guò)增加局域處理的大小，以便能夠得到較好的處理效果［7］。

3 空時(shí)自適應(yīng)處理仿真結(jié)果

使用水聲學(xué)中廣泛應(yīng)用的單元散射模型對(duì)CW信號(hào)混響進(jìn)行仿真，CW信號(hào)的中心頻率f0= 3KHz，脈寬T=40ms，且仿真目標(biāo)回波的方位為65°，頻移為30Hz，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度15節(jié)，信混比為-10dB。圖2和圖3給出了CW信號(hào)混響仿真數(shù)據(jù)常規(guī)處理與空時(shí)自適應(yīng)處理的對(duì)比圖。

3.1 常規(guī)處理

常規(guī)處理為對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行空域的常規(guī)波束形成，再進(jìn)行時(shí)域上的匹配濾波，以獲得回波的方位和速度信息［8~9］。

3.2 空時(shí)自適應(yīng)處理

對(duì)于同樣的仿真數(shù)據(jù)，使用空時(shí)自適應(yīng)算法進(jìn)行處理，空域和時(shí)域的處理同時(shí)進(jìn)行，并根據(jù)背景信息實(shí)時(shí)的給出最優(yōu)加權(quán)系數(shù)（數(shù)據(jù)量小時(shí)，進(jìn)行全維處理以取的最佳處理效果；數(shù)據(jù)量大時(shí)，為保證運(yùn)算效率，采取降維處理的措施），加權(quán)到空時(shí)導(dǎo)向向量，作用于回波數(shù)據(jù)，在減小混響的干擾的同時(shí)，保證目標(biāo)信息不受損失，從而更有效地提取到目標(biāo)的方位和速度信息。

從圖4和圖5的仿真結(jié)果可以看出，在混響背景下檢測(cè)，進(jìn)行常規(guī)處理時(shí)，信號(hào)存在強(qiáng)混響的干擾，因而十分有必要進(jìn)行混響的抑制。在進(jìn)行空時(shí)自適應(yīng)處理后，混響得到一定的濾除，目標(biāo)的方位、速度信息更易提取，目標(biāo)的檢測(cè)能力得到很大的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了空時(shí)自適應(yīng)處理算法的原理和流程。全維空時(shí)自適應(yīng)處理算法運(yùn)算量巨大，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求。本文詳細(xì)介紹了水聲領(lǐng)域比較有應(yīng)用前景的降維空時(shí)自適應(yīng)處理算法，進(jìn)行了混響背景下目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的仿真工作，對(duì)比常規(guī)處理，取得了一定的抗混響效果。

實(shí)際海洋環(huán)境的波動(dòng)劇烈，輔助樣本的不準(zhǔn)確，將會(huì)使算法性能下降甚至失效，因此論文后續(xù)將繼續(xù)研究穩(wěn)健自適應(yīng)算法研究，提高算法的穩(wěn)定性，為其工程實(shí)現(xiàn)提供有益的支撐。

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Space Tim e Adap tive Processing A lgorithm for Active Sonar

LIYuw ei1ZHOU M ingjia2
（1.Navy Representative Office of Acoustic Navigation System in ShanghaiArea，Shanghai 201108）（2.Navy RepresentativeOffice inWuxiArea，Wuxi 214000）

In order to improve the detection effect of the sonar，it?s necessary to research the anti-reverberation algorithm of signalprocessing.Thispaper focuseson technology ofspace timeadaptive processing（STAP）ofactive sonar.The principleand pro?cess of the algorithm of STAP are analyzed in detail.Simulation work of STAP is carried at under background of reverberation，Com?pared with traditionalmethod，STAPhas advantage in anti-reverberation and achieves a certain effect，and lays theoretical founda?tion forengineering implementation.

sonar detection，anti-reverberation algorithm，space time adaptive processing

TN911 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.030

2016年11月7日，

2016年11月20日

李玉偉，男，碩士，助理工程師，研究方向：水聲信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用。