基于斜對(duì)稱陣列的水下單脈沖降維空時(shí)自適應(yīng)處理

王 莎, 施 博, 郝程鵬

基于斜對(duì)稱陣列的水下單脈沖降維空時(shí)自適應(yīng)處理

王 莎1,2, 施 博1, 郝程鵬1

(1. 中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所, 北京, 100190; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院, 北京, 100049)

混響作為聲吶系統(tǒng)工作環(huán)境中的主要干擾之一, 嚴(yán)重影響聲吶系統(tǒng)的檢測(cè)性能。水下單脈沖空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)能夠很好地適應(yīng)于水聲環(huán)境, 有效提高運(yùn)動(dòng)聲吶的混響抑制能力。但在實(shí)際混響環(huán)境中, 單脈沖STAP存在計(jì)算量過(guò)大和輔助數(shù)據(jù)不足2個(gè)局限性。文中將陣列的斜對(duì)稱特性應(yīng)用于單脈沖局域聯(lián)合處理(JDL)-STAP中, 仿真試驗(yàn)結(jié)果表明, 該算法可以降低對(duì)輔助數(shù)據(jù)的依賴, 提高混響協(xié)方差矩陣的估計(jì)精度, 有效降低計(jì)算量, 提高混響的抑制性能和目標(biāo)方位估計(jì)精度。

單脈沖空時(shí)自適應(yīng)處理; 運(yùn)動(dòng)聲吶; 混響; 斜對(duì)稱陣列; 局域聯(lián)合處理

0 引言

我國(guó)海岸線漫長(zhǎng), 獲取淺海區(qū)域的水聲信息對(duì)于國(guó)防安全十分重要。聲吶是水聲環(huán)境下進(jìn)行聲音導(dǎo)航和測(cè)距的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備, 淺海環(huán)境下, 聲吶的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致不同方位的混響具有不同的多普勒頻移, 混響在頻域上大幅擴(kuò)展, 低速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)被混響所掩蓋, 采用傳統(tǒng)的空時(shí)級(jí)聯(lián)方法難以有效抑制混響, 分離出目標(biāo)。聲吶與雷達(dá)都是信息探測(cè)的設(shè)備, 且聲吶混響和雷達(dá)雜波都具有空時(shí)耦合特性, 因此可將適用于雷達(dá)雜波抑制的空時(shí)自適應(yīng)處理(space-time adaptive processing, STAP)[1]引入到聲吶信號(hào)處理當(dāng)中, 自適應(yīng)地抑制來(lái)自空域和時(shí)域的干擾, 提高運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)概率[2]。聲吶采用聲波作為發(fā)射信號(hào), 由于水聲信號(hào)傳播速度慢且傳播距離遠(yuǎn), 接收回波信號(hào)的時(shí)延較長(zhǎng), 使得聲吶不再滿足多脈沖相干積累的條件, 故采用單脈沖作為發(fā)射信號(hào)。郝程鵬等[3]提出了單脈沖修正STAP, 該算法可以對(duì)空域?qū)蛳蛄窟M(jìn)行修正, 提高目標(biāo)的方位估計(jì)精度。

多年來(lái), 混響協(xié)方差矩陣的準(zhǔn)確估計(jì)始終是單脈沖STAP中的關(guān)鍵問(wèn)題, 通常使用與待檢測(cè)單元相鄰的獨(dú)立同分布的輔助數(shù)據(jù)估計(jì)混響協(xié)方差矩陣, 得到的估計(jì)值稱為樣本協(xié)方差矩陣[4]。單脈沖STAP在實(shí)際應(yīng)用中存在2個(gè)不足: 首先, 單脈沖STAP中存在高維矩陣求逆等運(yùn)算, 計(jì)算量過(guò)大, 工程實(shí)現(xiàn)難度大; 其次, 真實(shí)混響環(huán)境復(fù)雜多變, 難以獲取充足的輔助數(shù)據(jù)。為解決計(jì)算量大的問(wèn)題, 可采用單脈沖降維STAP, 典型的降維方法包括輔助通道法(auxiliary channel receiver, ACR)[5], 擴(kuò)展因子法(extended factored approach, EFA)[6]和局域聯(lián)合處理(joint domain localized, JDL)法[7]。其中, JDL方法被認(rèn)為是最有效的后多普勒域降維STAP算法之一。為解決輔助數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題, 可以利用混響協(xié)方差矩陣的Toeplitz結(jié)構(gòu)、低秩結(jié)構(gòu)、斜對(duì)稱特性等[8]先驗(yàn)知識(shí)提高樣本協(xié)方差矩陣的估計(jì)精度, 減小對(duì)輔助數(shù)據(jù)的依賴。文中利用陣列系統(tǒng)的斜對(duì)稱結(jié)構(gòu), 有效提高了輔助數(shù)據(jù)不足情況下混響的抑制性能[9], 采用基于斜對(duì)稱陣列的水下單脈沖JDL-STAP來(lái)解決上述2個(gè)問(wèn)題。

1 水下單脈沖降維STAP

1.1 單脈沖STAP基本原理

圖1 聲吶接收數(shù)據(jù)采樣

單脈沖STAP可根據(jù)混響的空時(shí)分布特性形成與混響位置匹配的凹槽, 在目標(biāo)處保持固定的增益, 從而實(shí)現(xiàn)混響抑制和目標(biāo)的相干積累。STAP原理滿足如下約束條件

求解方程可得單脈沖STAP最優(yōu)權(quán)矢量為

利用改善因子衡量STAP性能。改善因子定義為輸出信干噪比(signal to interference plus noise ratio, SINR)與輸入信干噪比之比, 即

1.2 單脈沖降維STAP基本結(jié)構(gòu)

單脈沖STAP中存在矩陣求逆等運(yùn)算, 計(jì)算量過(guò)大不利于工程實(shí)現(xiàn)。將空時(shí)快拍數(shù)據(jù)投影到較低維的單脈沖降維STAP, 可以大大降低計(jì)算復(fù)雜度, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)接近最優(yōu)的性能。文中提出利用單脈沖JDL-STAP降低計(jì)算復(fù)雜度, 該算法基本結(jié)構(gòu)如下[1]。

轉(zhuǎn)換后的空時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)換后的混響協(xié)方差矩陣和空時(shí)導(dǎo)向向量為

2 斜對(duì)稱陣列單脈沖降維STAP

2.1 陣列斜對(duì)稱結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用中, 很難獲取大量獨(dú)立同分布的輔助數(shù)據(jù), 可借鑒雷達(dá)系統(tǒng)利用陣列斜對(duì)稱特性降低對(duì)輔助數(shù)據(jù)依賴性的方法。文中將斜對(duì)稱應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)聲吶水下單脈沖降維STAP中, 可在輔助數(shù)據(jù)不足時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的混響抑制效果。如果陣列相位中心與幾何中心重合, 或者時(shí)域等間距采樣, 且采樣點(diǎn)關(guān)于采樣中心對(duì)稱, 那么混響協(xié)方差矩陣滿足斜對(duì)稱特性, 即矩陣關(guān)于主對(duì)角線共軛對(duì)稱, 關(guān)于副對(duì)角線對(duì)稱[10-11], 表示為

并且空時(shí)導(dǎo)向向量也滿足斜對(duì)稱特性, 即

利用斜對(duì)稱性質(zhì)將數(shù)據(jù)由復(fù)數(shù)域變換到實(shí)數(shù)域, 利用變換后的輔助數(shù)據(jù)估計(jì)混響協(xié)方差矩陣。

斜對(duì)稱結(jié)構(gòu)的矢量和矩陣滿足以下性質(zhì)[12]:

經(jīng)過(guò)上述變換, 式(1)的二元假設(shè)可變化為

斜對(duì)稱結(jié)構(gòu)的SCM估計(jì)值為

2.2 斜對(duì)稱陣列單脈沖JDL-STAP

圖2 單脈沖JDL-STAP原理圖

第個(gè)多普勒單元的降維轉(zhuǎn)換矩陣為

當(dāng)陣列滿足斜對(duì)稱特性時(shí), 式(19)中的多普勒濾波器矩陣和波束形成矩陣各自對(duì)應(yīng)的離散傅里葉變換矩陣需要關(guān)于中心對(duì)稱。斜對(duì)稱陣列單脈沖JDL第個(gè)多普勒通道混響協(xié)方差矩陣為

組合空時(shí)導(dǎo)向向量為

選取目標(biāo)所在多普勒通道, 進(jìn)一步得到單脈沖JDL-STAP的性能指標(biāo), 即改善因子, 表示為

3 仿真試驗(yàn)

圖3 K=2MN時(shí)3種算法改善因子對(duì)比曲線

圖4 K=MN+1時(shí)3種算法改善因子對(duì)比曲線

由圖3和圖4可知, 當(dāng)輔助數(shù)據(jù)充足時(shí), 單脈沖JDL-STAP比單脈沖STAP性能低6 dB左右, 斜對(duì)稱陣列單脈沖JDL-STAP比單脈沖STAP性能低3 dB左右; 在輔助數(shù)據(jù)不充足時(shí), 單脈沖JDL-STAP性能損失約為25 dB, 斜對(duì)稱陣列單脈沖JDL-STAP性能損失約為5 dB。這說(shuō)明陣列的斜對(duì)稱特性可以明顯提高輔助數(shù)據(jù)不足情況下單脈沖JDL-STAP的混響抑制性能。圖中, 改善因子曲線出現(xiàn)凹口是由于目標(biāo)靠近混響脊時(shí), 被誤當(dāng)作混響抑制而造成的。

圖5 K=MN+1時(shí)單脈沖JDL-STAP自適應(yīng)空時(shí)二維譜圖

圖6 K=MN+1時(shí)斜對(duì)稱陣列單脈沖JDL自適應(yīng)空時(shí)二維譜圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了基于斜對(duì)稱陣列的單脈沖降維STAP。仿真結(jié)果表明, 輔助數(shù)據(jù)充足時(shí), 陣列的斜對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以少量提高單脈沖JDL-STAP的性能; 當(dāng)輔助數(shù)據(jù)不足時(shí), 陣列的斜對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以顯著提高混響協(xié)方差矩陣的估計(jì)精度, 提高單脈沖JDL-STAP的混響抑制效果。斜對(duì)稱特性是陣列的一個(gè)十分有用的先驗(yàn)知識(shí), 可以降低單脈沖降維STAP對(duì)輔助數(shù)據(jù)的依賴, 在輔助樣本不足條件下實(shí)現(xiàn)較好的混響抑制性能, 同時(shí)有效降低計(jì)算復(fù)雜度。

真實(shí)混響環(huán)境往往復(fù)雜多變, 表現(xiàn)出非均勻性、非平穩(wěn)性和時(shí)變性, 且系統(tǒng)內(nèi)部往往存在一定非理想因素, 滿足系統(tǒng)要求的獨(dú)立同分布的輔助數(shù)據(jù)十分稀少, 文中討論的基于斜對(duì)稱陣列的單脈沖降維STAP雖然能在一定程度上減小計(jì)算量, 降低對(duì)輔助數(shù)據(jù)的依賴, 但程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此, 研究基于稀疏恢復(fù)的單脈沖降維STAP將成為下一步的工作重點(diǎn)。

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Monopulse Dimension-Reduced Space-Time Adaptive Processing Based on Persymmetric Array

WANG Sha1,2, SHI Bo1, HAO Cheng-peng1

(1. Key Laboratory of Information Technology for Autonomous Underwater Vehicles, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. School of Electronic Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Reverberation is one of the main interference in the underwater environment, which seriously affects the detection performance of sonar system. Monopulse space-time adaptive processing(STAP) is more suitable for the underwater acoustic environment and can effectively improve the reverberation suppression capability of the moving sonar. However, there are two limitations of huge computational burden and insufficient secondary data in monopulse STAP in practical applications. In this paper, the persymmetric property of the array is applied to the monopulse joint domain localization(JDL)-STAP algorithm. Simulation results show that this algorithm can reduce the dependence on auxiliary data, improve the estimation accuracy of the reverberation covariance matrix, effectively reduce the calculation amount, improve the suppression performance of reverberation and greatly improve the performance of target azimuth estimation.

monopulse space-time adaptive processing (STAP); moving sonar; reverberation; persymmetric array; joint domain localized(JDL)

TJ630.34; TN957.51

A

2096-3920(2020)02-0168-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.008

2019-04-22;

2019-07-07.

中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所青年英才計(jì)劃(QNYC201623).

王 莎(1993-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理技術(shù).

王莎, 施博, 郝程鵬. 基于斜對(duì)稱陣列的水下單脈沖降維空時(shí)自適應(yīng)處理[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(1): 168-173.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)