水聲導(dǎo)航設(shè)備抗干擾能力提升方法研究

李楊 康林

（1.海軍研究院，北京，100161；2.中船重工海聲科技有限公司，宜昌，443005）

水聲導(dǎo)航設(shè)備是船舶航行保障的重要裝備，其工作性能直接影響到船舶航行安全。水聲導(dǎo)航設(shè)備通常包括單波束測深儀、多普勒計(jì)程儀等，均屬于主動(dòng)聲吶范疇，具有相似的工作原理[1]。在實(shí)際使用環(huán)境中，海洋環(huán)境復(fù)雜多變、安裝平臺特性各不相同等因素均可能對水聲導(dǎo)航設(shè)備造成各種干擾，導(dǎo)致設(shè)備工作性能降低。

本文以單波束測深儀為具體研究對象，從干擾源和回波檢測方法兩個(gè)方面進(jìn)行分析研究，提出抗干擾解決方法，通過自編仿真軟件，用航行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法驗(yàn)證。

1 干擾源分析

測深儀作為主動(dòng)聲吶設(shè)備，當(dāng)噪聲為主要背景干擾時(shí)，滿足主動(dòng)聲吶方程[2]15-16：

式中，SL為聲源級，TL為傳播損失，TS為目標(biāo)強(qiáng)度，NL為工作帶寬內(nèi)噪聲級，DI為換能器指向性，DT為檢測閾值。

當(dāng)海洋混響為主要背景干擾時(shí)，使用混響級RL代替各向同性環(huán)境噪聲干擾（NL–DI），則主動(dòng)聲吶方程變?yōu)椋?/p>

同時(shí)，考慮到在實(shí)際應(yīng)用過程中氣泡對設(shè)備的干擾，則影響測深儀工作性能的主要干擾因素為噪聲（NL）、海洋混響（RL）和氣泡等。

1.1 噪聲干擾

典型的噪聲干擾源有兩大類：海洋環(huán)境噪聲和船舶自噪聲[2]162-169。噪聲干擾對設(shè)備接收回波信號的具體影響可參看航行數(shù)據(jù)，高噪聲影響下的回波信號如圖1所示。

圖1 高噪聲背景回波信號

當(dāng)環(huán)境噪聲增強(qiáng)時(shí)，回波時(shí)域信號淹沒在環(huán)境噪聲中，信噪比減小，通過現(xiàn)有檢測方法無法提取到有效的回波時(shí)延信息，從而影響設(shè)備工作性能。

1.2 海洋混響干擾

混響是海洋中大量的不規(guī)則散射體（如海洋生物、泥沙等）對入射信號產(chǎn)生的散射波在接收點(diǎn)處疊加而形成的。根據(jù)形成原因，可將混響分為三類[2]277-284：體積混響、海底混響和海面混響。當(dāng)混響成為主要的背景干擾，在海底混響-海面混響的共同作用下，設(shè)備會(huì)接收到多次回波信號，如圖2所示。

圖2 混響干擾下接收信號

由于測深儀工作的信號回波源自海底對聲波的散射，所以海底混響直接影響回波信號大小。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，海底散射強(qiáng)度主要受海底底質(zhì)、掠射角和聲波頻率等因素影響[3]。航行過程中由于海底底質(zhì)的變化和海底坡度起伏，海底散射強(qiáng)度將處于一個(gè)實(shí)時(shí)變化的過程中。根據(jù)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其變化范圍集中在-30～-10 dB，導(dǎo)致設(shè)備接收到的海底反射回波信號幅度是動(dòng)態(tài)變化的。

1.3 氣泡干擾

船舶在航行過程中，船體與海水的相互作用導(dǎo)致船體底部水流中包含數(shù)量不等的氣泡；船舶系泊時(shí)，氣泡會(huì)依附在換能器輻射面形成具有屏蔽效果的氣泡層。根據(jù)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，氣泡層集中出現(xiàn)在船舶下方3.5 m以內(nèi)。海水中氣泡對測深儀的影響主要有以下兩個(gè)方面。

1.3.1 氣泡對聲波的吸收作用

海水中氣泡在入射聲波的作用下，作受迫振動(dòng)，并作為次級聲源往周圍輻射能量，這個(gè)吸收聲能量的過程，導(dǎo)致入射聲波強(qiáng)度減弱。

1.3.2 氣泡對聲波的散射作用

由于海水中氣泡的存在，聲傳播介質(zhì)會(huì)表現(xiàn)出不均勻、不連續(xù)性，聲音在該介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射作用。致使聲波在經(jīng)過氣泡層之后強(qiáng)度減弱。同時(shí)由于散射波在換能器接收端的疊加，其作為虛假回波信號出現(xiàn)在接收回波中，將干擾設(shè)備正常工作。

2 回波信號檢測方法

測深儀在發(fā)射脈沖信號后，最主要的任務(wù)就是接收回波信號和回波信號時(shí)延的測定。目前常用的回波檢測及時(shí)延測定方法主要有能量檢測法和特征參量相關(guān)檢測法[4]。

2.1 能量檢測法

幅度及能量特征是直接反映測深儀接收回波特點(diǎn)的參數(shù)，最簡單最通用的回波檢測方法是能量檢測法[5]，具體包括回波前沿幅度門限檢測、回波幅度極大值檢測和能量中心收斂檢測。這三種檢測方法都是對信號幅度信息進(jìn)行單次檢測判定，數(shù)據(jù)處理簡單快捷，但對隨機(jī)噪聲干擾敏感，需要較高信噪比，在近距離檢測時(shí)使用較為理想。在遠(yuǎn)距離檢測中，由于存在聲波的傳播損失，距離越遠(yuǎn)回波信噪比越低，幅度檢測可靠性也越低。

2.2 特征參量相關(guān)檢測

當(dāng)系統(tǒng)的輸出（回波信號）是輸入（發(fā)射信號）作用于系統(tǒng)（聲信道）的結(jié)果時(shí)，輸出與輸入將是相關(guān)的，其相關(guān)性由輸入與輸出之間的互相關(guān)函數(shù)RXY(t1,t2)描述[6]55。利用該原理，通過計(jì)算回波信號和已知發(fā)射時(shí)延信號的互相關(guān)函數(shù)，尋找其峰值，便可獲得回波信號時(shí)延。

由于噪聲干擾與回波信號不存在相關(guān)性，互相關(guān)函數(shù)對隨機(jī)噪聲具有抑制作用，因此該檢測方法具有較好的抗噪聲干擾能力。由于淺水區(qū)域海面混響、海底-海面混響等為主要背景干擾，具有和海底回波信號相似的特征參量，同發(fā)射信號具有相關(guān)性，所以該檢測方法在近距離測量中效果不理想。

2.3 測深儀回波檢測方法實(shí)例

目前某型測深儀的回波檢測同時(shí)采用能量檢測法及特征參量相關(guān)檢測法，其具體檢測機(jī)制如下：（1）近距離同時(shí)使用兩種檢測方法，優(yōu)先選用能量檢測結(jié)果；遠(yuǎn)距離使用特征參量相關(guān)檢測法；（2）能量檢測使用幅度判決的同時(shí)，增加脈沖寬度判決以降低對噪聲的敏感度。檢測流程如圖3所示。

圖3 回波檢測流程圖

測深儀檢測信號為已知信號，對于已知信號來說，最大信噪比準(zhǔn)則下的最佳線性檢測系統(tǒng)為匹配濾波器[7]。匹配濾波器可以在輸出端給出最大瞬時(shí)功率信噪比，且只與輸入信號能量E、白噪聲功率譜密度N0/2有關(guān)，即輸出最大信噪比2E/N0。

根據(jù)測深儀工作原理可知，只需檢測回波信號時(shí)延信息，即可得到深度結(jié)果，而無需關(guān)注信號的頻率等特性。因此，采用回波包絡(luò)進(jìn)行匹配濾波就可以完成檢測目的。對包絡(luò)匹配濾波器的濾波效果進(jìn)行仿真，仿真條件為帶通采樣率16 kHz、長度256 ms、中心頻率20 kHz的單頻脈沖信號，帶通濾波器帶寬為2 kHz，信噪比為-60 dB的白噪聲。加入噪聲的信號先進(jìn)行平方檢波，然后求得信號包絡(luò)級，對信號包絡(luò)級進(jìn)行匹配濾波。匹配波形為長度256 ms的方波信號。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 匹配濾波器效果

測深儀設(shè)計(jì)過程中為了壓縮動(dòng)態(tài)范圍，接收機(jī)采用時(shí)間增益控制技術(shù)[8]（Time Gian Control, TGC）。在整個(gè)量程中，接收機(jī)輸出的噪聲也會(huì)隨著時(shí)間的增加而呈逐漸增大之勢。此時(shí)，匹配濾波器輸出也會(huì)隨噪聲增大而增大，因此存在匹配濾波輸出峰值不是回波真正到達(dá)時(shí)刻的可能。

圖5 真實(shí)回波信號匹配濾波示意圖

3 抗干擾能力提升解決方法

影響測深儀等水聲導(dǎo)航設(shè)備工作性能的主要因素為：（1）海洋環(huán)境噪聲、平臺噪聲、體積混響等均增加了設(shè)備的背景噪聲，降低了回波信號的信噪比；（2）海底底質(zhì)、坡度，以及海水中氣泡的聲波吸收等均可能減弱海底回波信號級；（3）各影響因素的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致回波信號幅度大小和信噪比都處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程中；（4）海水中氣泡層的聲波散射可能導(dǎo)致多次回波的出現(xiàn)，能量檢測或相關(guān)檢測都會(huì)受到干擾；（5）匹配濾波輸出結(jié)果由于TGC存在與理論不一致的情況（圖5），造成設(shè)備性能降低。通過理論及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等途徑，在上述檢測算法基礎(chǔ)上，提出如下抗干擾能力提升解決方法：（1）采用經(jīng)優(yōu)化的匹配濾波器，對回波包絡(luò)進(jìn)行濾波，優(yōu)化匹配輸出結(jié)果；（2）采用動(dòng)態(tài)門限檢測技術(shù)，以適應(yīng)設(shè)備工作中信號動(dòng)態(tài)變化的情況，降低外界干擾影響；（3）采用氣泡窗口抑制技術(shù)，降低氣泡影響；（4）基于曲線擬合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海底跟蹤，提高正確檢測率，降低測深誤報(bào)率和失捕概率。

3.1 優(yōu)化匹配濾波器

為避免隨時(shí)間增大的噪聲使匹配濾波輸出的最大值不是回波真正到達(dá)時(shí)刻的問題，需將接收機(jī)輸出的噪聲背景平穩(wěn)均衡。針對測深儀回波包絡(luò)脈沖，采用優(yōu)化后的匹配濾波器[9]，其沖擊響應(yīng)函數(shù)為：

濾波輸出如圖6所示。這種匹配濾波沖擊響應(yīng)的濾波效果達(dá)到了很好的噪聲背景平穩(wěn)作用，經(jīng)過一定時(shí)延后，優(yōu)化匹配濾波后輸出的最大值就是脈沖到達(dá)時(shí)刻。

圖6 優(yōu)化匹配濾波器輸出

3.2 動(dòng)態(tài)門限檢測

測深儀工作時(shí)，由于外界多種干擾源的共同作用，導(dǎo)致接收回波信號信噪比處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程中。采用固定幅度門限不利于海底回波信號的檢測，因此提出采用動(dòng)態(tài)門限檢測來替代固定門限檢測，從而減低外界干擾的影響[10]。

設(shè)固定幅度門限為DT0，動(dòng)態(tài)門限為DT0±6，每次檢測閾值的選定滿足：

式中，DT為當(dāng)前檢測閾值；DT0為初始檢測閾值；SLr為上一次檢測到的海底回波幅度值；50為采用壓縮動(dòng)態(tài)范圍之后的回波基準(zhǔn)值，時(shí)間增益不同，取值不同。

3.3 氣泡窗口抑制

針對氣泡干擾，根據(jù)航行中氣泡出現(xiàn)位置的統(tǒng)計(jì)特性，引入“氣泡窗口深度”這一概念，作為氣泡識別區(qū)。“氣泡窗口深度”定義如下：

式中，Ha為換能器輻射面到氣泡層的距離，Hb為氣泡層厚度，Pulse為發(fā)射脈沖寬度等效距離。

當(dāng)氣泡存在時(shí)，根據(jù)氣泡統(tǒng)計(jì)特性，其反射回波對應(yīng)深度將大概率的出現(xiàn)在“氣泡窗口深度”以內(nèi)。為了降低氣泡的干擾，則將“氣泡窗口深度”范圍出現(xiàn)的測量結(jié)果置信度降低，優(yōu)先采用“氣泡窗口深度”以外的檢測結(jié)果。

3.4 曲線擬合法

動(dòng)態(tài)門限檢測法中，當(dāng)檢測閾值減小時(shí)，必定導(dǎo)致虛警概率增加、誤報(bào)次數(shù)增加。氣泡窗口抑制方法優(yōu)先檢測“氣泡窗口深度”之外的回波信號，該方法導(dǎo)致設(shè)備在“氣泡窗口深度”范圍內(nèi)檢測靈敏度降低。針對這兩種檢測方法的不足，基于海底基本緩變的特點(diǎn)，充分利用歷史測量數(shù)據(jù)作為先驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[11]，為海底真實(shí)回波檢測提供參考。

采用最小二乘法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合[6]233。考慮到海底在變化過程中出現(xiàn)山谷和山峰，即“∨”和“∧”的變化過程，遂擬合方程選用如下二次方程：

給定數(shù)據(jù)（xi，yi）（i=0,1,2，…，n–1），其中n為樣本量，式（6）可表示為：

最小二乘法擬合使得擬合誤差平方和最小，則其擬合誤差平方和[6]234：

上式中xi和yi為歷次測量值。為使上式取值最小，則其關(guān)于的一階導(dǎo)數(shù)應(yīng)為零：

即

根據(jù)上式獲得其增廣矩陣，通過行變化即可求出二次方程的系數(shù)

通過二次曲線擬合預(yù)估深度，再將實(shí)測深度與預(yù)估深度比較，實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)估數(shù)據(jù)誤差小于統(tǒng)計(jì)樣本方差的1.5倍，則顯示輸出真實(shí)測量深度，否則顯示輸出預(yù)估深度。

4 仿真驗(yàn)證

采用本文抗干擾能力提升解決方法，編制測深儀仿真檢測軟件，并利用實(shí)際航行數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真試驗(yàn)結(jié)果見表1，統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果見表2。

表1 航行數(shù)據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果對照表

表2 檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)以上兩個(gè)測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)對比表，從航行數(shù)據(jù)檢測結(jié)果分析得出，正確檢測次數(shù)整體得到提高，提高比率約0.1%到5%；錯(cuò)誤檢測（虛警）次數(shù)大大降低，降低比率約0.3%到14.4%，統(tǒng)計(jì)所有仿真結(jié)果錯(cuò)誤次數(shù)從17 140次降低到1 016次，虛警降低4.9%；正確檢測次數(shù)得到提高，從307 313次提升到312 752次，提高了1.65%。綜上所述，本文提出的抗干擾能力提升方法可有效提升設(shè)備整體檢測性能。

5 結(jié)論

通過對水聲導(dǎo)航設(shè)備工作原理及干擾源分析研究，結(jié)合測深儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析驗(yàn)證，結(jié)果顯示本文提出的抗干擾能力途徑有效可行。該方法已應(yīng)用于某型設(shè)備，并取得良好測量效果。由于水聲環(huán)境的復(fù)雜多樣性，尤其是氣泡干擾在實(shí)際使用中對聲學(xué)設(shè)備的影響，還有待進(jìn)一步研究及試驗(yàn)驗(yàn)證。