基于矢量直線陣的聲屏蔽聚焦權(quán)濾波器技術(shù)研究?

陶 智

（海裝裝備項(xiàng)目管理中心 北京 100071）

1 引言

艦船等移動平臺的自噪聲對自身搭載的聲納的產(chǎn)生干擾，限制聲納系統(tǒng)性能的發(fā)揮，這是水聲工程技術(shù)不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用需要面對的課題。

拖曳線列陣探測目標(biāo)就是一個(gè)典型的在強(qiáng)干擾背景下實(shí)現(xiàn)對低信噪比信號探測的問題。近年來水面艦船拖曳聲納得到很大發(fā)展，這種聲納的換能器裝置能脫離船體通過機(jī)電拖纜拖于水中，且可調(diào)節(jié)拖纜長度改變拖曳體與艦船的距離和下潛深度。因?yàn)閾Q能器基陣遠(yuǎn)離艦體輻射噪聲源，于是艦船的自噪聲對基陣的影響變小，也避免了艦船尾流對基陣的影響，但拖船噪聲仍是基陣的強(qiáng)干擾，是一類相干源干擾，它在陣的端向產(chǎn)生探測盲區(qū)，影響拖曳線列陣的測性能，于是抗拖船干擾［1］成為一大難題。

拖船干擾噪聲的抵消問題一直以來都是拖曳線列陣信號處理的難題。空間相位差噪聲抵消法、雙線陣相減處理噪聲抵消法和自適應(yīng)干擾抵消法［2］是目前拖曳線列陣抵消本艦噪聲的基本方法?？臻g相位差噪聲抵消法是利用信號和干擾處于不同位置而產(chǎn)生相位差的原理從基陣輸出估計(jì)期望信號。雙線陣相減處理噪聲抵消法是利用了雙線列陣的偶極子特性，對兩陣的輸出相減再進(jìn)行波束形成［3］，從而達(dá)到抑制本艦噪聲的作用。自適應(yīng)干擾抵消是將干擾信號抵消掉，具體做法是將接收到混有干擾的信號與參考信號進(jìn)行比較。因此這種方法的關(guān)鍵問題是參考信號一定要和干擾信號具有一定的相關(guān)性，并且不能和要提取的有用信號具有相關(guān)性。

本文研究的矢量聲屏蔽聚焦權(quán)濾波器技術(shù)可以屏蔽拖船干擾對矢量拖曳線列陣的影響，從而探測到目標(biāo)點(diǎn)源。聲屏蔽聚焦權(quán)濾波器技術(shù)可以對相同方位的信號進(jìn)行屏蔽，探測到同一方向上所需要的目標(biāo)。矢量聲屏蔽技術(shù)與標(biāo)量聲屏蔽技術(shù)［4～6］相比，它的主旁瓣比更高，更能容易實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的檢測，因此屏蔽效果更好。

聚焦就是將能量聚集于一點(diǎn)，來源于光學(xué)中我們熟悉的凸透鏡使光線聚焦于焦點(diǎn)理論。聲聚焦就是把聲能聚集到某個(gè)區(qū)域，從而獲得目標(biāo)的位置實(shí)現(xiàn)探測目標(biāo)的性能。聲聚焦的實(shí)現(xiàn)方法有相控陣聚焦、聲透鏡聚焦和球面自聚焦等。聲聚焦最先應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的超聲聚焦，它將超聲波的能量聚焦于體內(nèi)腫瘤處，通過聚焦的能量讓腫瘤細(xì)胞壞死，從而實(shí)現(xiàn)治愈腫瘤?，F(xiàn)在聲聚焦被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，比如超聲醫(yī)學(xué)成像、超聲治療、水聲成像技術(shù)、石油開發(fā)與探測等。本文研究的是被動聲聚焦，它可以實(shí)現(xiàn)被動探測目標(biāo)。

聲屏蔽來源于W.A.Kuperman 等［7～9］曾提出過“Reverberation Nulling”，即抑制混響。本文分析的聲屏蔽聚焦權(quán)濾波器技術(shù)是降低對某個(gè)區(qū)域內(nèi)的接收響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)抑制掉干擾源的目的。聲聚焦和聲屏蔽都可以通過時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。論文研究的矢量聲屏蔽聚焦技術(shù)是對干擾目標(biāo)進(jìn)行屏蔽，對被探測目標(biāo)實(shí)現(xiàn)聚焦。

2 多途信道中矢量聲聚焦技術(shù)

多途信道模型根據(jù)的是射線聲學(xué)理論，它由一系列的本征聲線組成，并且假設(shè)本征聲線的條數(shù)為N 條，而且每條聲線均是沒有色散的，即點(diǎn)源到陣元的信道沖激響應(yīng)函數(shù)可以用一個(gè)延時(shí)的δ 脈沖來表示，由多途信道模型，知第i 條本征聲線的信道沖激響應(yīng)函數(shù)為Aiδ(τ-τi)，其中Ai和τi是本征聲線的的幅度和時(shí)延參數(shù)。則信道沖激響應(yīng)函數(shù)［10～12］為

對其作傅里葉變換，得到信道的頻率響應(yīng)為

假設(shè)有點(diǎn)源S ，輻射信號為s(t)，單水聽器接收信號采用時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)對基陣接收信號進(jìn)行處理，輸出為

其中:rs為信號的位置，r0為水聽器的位置。

Asi和τi分別表示點(diǎn)源到基陣的第i 條本征聲線的幅度因子和時(shí)延因子，r為掃描點(diǎn)。則有:

當(dāng)掃描到點(diǎn)源時(shí)，即r=r0，τi=τ'i 時(shí)，近似得到的結(jié)果:

由式（7）可以看出得到了聚焦輸出，近似為原信號的波形，僅在幅度上發(fā)生了變化。這樣便實(shí)現(xiàn)了多途到達(dá)水聽器的接收信號在經(jīng)過虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)處理后同相迭加，產(chǎn)生了聚焦峰。以上為時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)矢量聲聚焦的原理。

3 矢量聲屏蔽技術(shù)

研究利用時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)矢量聲屏蔽的算法。若環(huán)境中有兩個(gè)點(diǎn)源，分別為s 和sn，期望檢測到s，即在該點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聚焦，而屏蔽掉sn，兩個(gè)信號的信道頻率響應(yīng)分別為

即在聲壓信道基礎(chǔ)上增加了x方向和y方向上振速信道的沖激響應(yīng)頻譜，在海洋波導(dǎo)中，鉛直方向?yàn)轳v波，只考察水平方向的振速，因此只應(yīng)用水平方向振速信道頻率響應(yīng)。

其中:聲壓的、x 方向振速的、y 方向振速的信道沖激響應(yīng)頻譜分別為

式中:N 為陣元數(shù)。

在多途信道中，最佳屏蔽聚焦權(quán)應(yīng)在聚焦權(quán)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)屏蔽聚焦因子，且有:

其中I 為3N×3N 維的單位矩陣，令Wc為屏蔽權(quán)，為

矢量聲屏蔽聚焦的原理框圖如圖1 所示，該屏蔽權(quán)相當(dāng)于一個(gè)空間濾波器，它對矢量陣接收到的信號作傅里葉變換，然后與屏蔽權(quán)相乘，即對接收到的信號進(jìn)行濾波，最后得到的輸出便信號就會使得干擾被屏蔽掉了，并且對目標(biāo)信號實(shí)現(xiàn)了聚焦，從而實(shí)現(xiàn)在干擾中實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測。

圖1 矢量聲屏蔽的原理框圖

則該濾波器的輸出信號為

其中:

是目標(biāo)信號通過該濾波器得到的輸出。而

因此，干擾信號通過該濾波器后輸出為零。即

從式（17）中可以看出Yn=0，說明sn這個(gè)干擾確實(shí)被屏蔽掉了，并且式（18）中的第一項(xiàng)為時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡聚焦輸出，并且第二項(xiàng)為一個(gè)小量。當(dāng)時(shí)，就只有第一項(xiàng)，為時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡聚焦輸出，達(dá)到最優(yōu)的聲屏蔽聚焦效果。

從上面的分析可以說明矢量聲屏蔽的基本原理，就是在在聚焦權(quán)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)屏蔽因子。對其加上一個(gè)歸一化因子后屏蔽權(quán)表示為

4 矢量聲聚焦技術(shù)仿真分析

仿真條件:海深50m，5陣元等間距水平直線矢量陣，陣元間距為4m，基陣等深度布放，深度為45m，等聲速梯度分布，聲速取1450m/s。采樣頻率取20kHz，積分時(shí)間為1s。目標(biāo)的深度為10m，干擾與目標(biāo)等深。運(yùn)用多途信道聲線模型，目標(biāo)位置為（470，10）m，即目標(biāo)距離一號陣元的水平距離為350m，干擾位置為（350，10）m。

圖2 不同頻帶下矢量聲聚焦仿真結(jié)果

當(dāng)目標(biāo)信號與干擾信號等功率大小時(shí)，在不同的頻率范圍時(shí)矢量聲聚焦仿真結(jié)果如圖2 所示，通過仿真不同陣元數(shù)下聚焦的圖像可以發(fā)現(xiàn)，其中圖（a）為200Hz～1200Hz 帶寬，圖（b）為2200Hz～3200Hz 帶寬，圖（c）為4200Hz～5200Hz 帶寬，圖（d）為200Hz～9600Hz。圖3 為陣元數(shù)為8 和11 兩種情況下的聲聚焦仿真結(jié)果。

圖3 不同陣元數(shù)下矢量聲聚焦仿真結(jié)果

當(dāng)陣元間距不變，改變陣元數(shù)時(shí)，陣元個(gè)數(shù)越多，主旁瓣比就越高，當(dāng)帶寬一樣時(shí)，如果頻率越高則主旁瓣比也越高，聚焦峰的寬度越窄，即分辨率越高。

5 單干擾聲屏蔽聚焦權(quán)濾波器技術(shù)仿真分析

如圖4 所示，圖（a）為信號與噪聲等功率，即0dB 時(shí)的聲聚焦仿真結(jié)果，圖（b）為信噪比為-20dB時(shí)的聲聚焦仿真結(jié)果。

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信噪比較大時(shí)，聲聚焦可以同時(shí)對目標(biāo)和干擾進(jìn)行檢測。但是當(dāng)信噪比比較低時(shí)，如-20dB時(shí)，如圖4（b）所示，由仿真圖像可以看出目標(biāo)信號無法被檢測到，而是完全被淹沒在了干擾信號中。在信噪比較低的情況下，聲屏蔽聚焦技術(shù)就能解決這個(gè)問題，從而實(shí)現(xiàn)對干擾目標(biāo)的屏蔽，于是被用來實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)干擾中對弱目標(biāo)的檢測。

圖4 不同信噪比情況下對干擾和目標(biāo)均聚焦仿真結(jié)果

圖5 對目標(biāo)聚焦對干擾屏蔽仿真結(jié)果

運(yùn)用了聲屏蔽聚焦權(quán)后的仿真結(jié)果如圖5 所示，從仿真圖像可以看出，當(dāng)在低信噪比-20dB 時(shí)，運(yùn)用了聲屏蔽聚焦技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了對干擾進(jìn)行屏蔽，從而在該處形成了零陷，對目標(biāo)信號進(jìn)行聚焦。對比分析聲壓陣和矢量陣，可以發(fā)現(xiàn)，在陣元數(shù)、陣元間距、信號相同的條件下，圖5（b）為矢量陣運(yùn)用聲屏蔽聚焦技術(shù)的仿真結(jié)果，圖5（a）為聲壓陣仿真的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)矢量陣仿真的結(jié)果其旁瓣低于聲壓陣，從而更加有利于探測到目標(biāo)。

6 結(jié)語

聲聚焦技術(shù)的原理與普通的波束形成的本質(zhì)是一樣的，都是進(jìn)行時(shí)延或相移補(bǔ)償。本文分析研究了利用虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)陣的空間矢量聲聚焦，從時(shí)域?qū)Χ嗤拘诺乐械氖噶烤劢共ㄊ纬蛇M(jìn)行了介紹，然后從頻域分析研究了矢量陣?yán)脮r(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn)聲聚焦的原理，再從頻域出發(fā)研究了聲屏蔽聚焦權(quán)濾波器的基本原理，就是在聚焦權(quán)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)屏蔽因子，從而實(shí)現(xiàn)對干擾的屏蔽。最后通過計(jì)算機(jī)仿真研究，驗(yàn)證了矢量直線陣的聲屏蔽聚焦權(quán)濾波器抑制干擾的性能。