近場(chǎng)聚焦逆波束形成的UUV平臺(tái)噪聲自適應(yīng)抵消?

寧江波 李淑秋 李 宇 葉青華

(1 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190)

(2 中國科學(xué)院先進(jìn)水下信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(3 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

近年來，水下航行器(Underwater unmanned vehicle,UUV)在各國海洋設(shè)備中占有了舉足輕重的地位，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源開發(fā)、海上救援以及海底搜索等方面有著廣泛而深入的應(yīng)用[1]。在陣列信號(hào)處理中，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)弱而干擾噪聲強(qiáng)時(shí)，目標(biāo)通常會(huì)被干擾掩蓋，不利于微弱信號(hào)目標(biāo)的檢測(cè)和方位估計(jì)。UUV是個(gè)高噪聲平臺(tái)，近場(chǎng)干擾嚴(yán)重，影響其工作性能[2]。由于自噪聲干擾強(qiáng)度大，舷側(cè)陣陣元接收信號(hào)的信干比低，導(dǎo)致舷側(cè)陣對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離大大縮短，削弱了UUV的目標(biāo)探測(cè)能力。

在UUV平臺(tái)噪聲干擾抵消中，文獻(xiàn)[3]采用最小均方(Least mean square,LMS)自適應(yīng)濾波器對(duì)機(jī)械振動(dòng)噪聲進(jìn)行干擾抵消；文獻(xiàn)[4]以陣列多通道差分方法提供相關(guān)參考噪聲為前提，利用基于核函數(shù)的非線性自適應(yīng)濾波算法對(duì)UUV 聲吶陣列進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消，而需要準(zhǔn)確的不含目標(biāo)信號(hào)的噪聲參考信號(hào)，這在實(shí)際中往往無法得到。采用逆波束形成進(jìn)行干擾抵消是一個(gè)常用的方法，且已經(jīng)研究多年；Anderson 等[5]利用常規(guī)波束形成方法，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)平面波模型假設(shè)下的干擾抵消進(jìn)行了理論分析，文獻(xiàn)[6–7]對(duì)DICANNE(Digital interference cancelling adaptive null network equipment)進(jìn)行了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，均表明了其有效性；文獻(xiàn)[8]則將逆波束形成的干擾抵消應(yīng)用到了拖曳陣的自噪聲抵消中，該應(yīng)用建立在遠(yuǎn)場(chǎng)平面波的假設(shè)下，而本文中的尾部自噪聲源是一個(gè)近場(chǎng)噪聲源，需要在近場(chǎng)進(jìn)行干擾噪聲抵消。文獻(xiàn)[9–10]通過設(shè)計(jì)空間矩陣濾波器的方式對(duì)近場(chǎng)干擾噪聲進(jìn)行抑制，但其設(shè)計(jì)干擾噪聲抑制的空域范圍是固定的，而實(shí)際經(jīng)海面反射的自噪聲到達(dá)舷側(cè)陣的方位隨UUV 姿態(tài)而變化，如果設(shè)計(jì)空域矩陣濾波器則會(huì)帶來大量的計(jì)算量，不利于實(shí)時(shí)處理。因此，探討適合于UUV 運(yùn)動(dòng)特性的平臺(tái)噪聲自適應(yīng)抵消方法是本文的研究重點(diǎn)。

本文在上述思考的基礎(chǔ)上，提出一種平臺(tái)自噪聲干擾自適應(yīng)抵消方法，該方法基于UUV 結(jié)構(gòu)參數(shù)、深度以及航行姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，對(duì)平臺(tái)尾部干擾噪聲傳播到舷側(cè)陣的路徑建模，從而利用逆聚焦波束形成法估計(jì)出各陣元處所含尾部噪聲的海面反射聲，完成尾部自噪聲干擾抵消，獲得UUV平臺(tái)聲吶處理更優(yōu)良的結(jié)果。

1 近場(chǎng)聚焦逆波束形成的噪聲抵消原理和方法

1.1 舷側(cè)陣陣元處平臺(tái)尾部自噪聲逆波束形成抵消方法

UUV平臺(tái)舷側(cè)陣列接收到來自遠(yuǎn)場(chǎng)的目標(biāo)信號(hào)和平臺(tái)自噪聲及海洋環(huán)境噪聲的干擾，陣元接收信號(hào)的信噪比很低，特別是平臺(tái)尾部自噪聲的多途干擾，嚴(yán)重影響UUV的目標(biāo)探測(cè)能力，如何有效抑制各陣元處平臺(tái)尾部自噪聲干擾，成為提高UUV舷側(cè)陣聲吶探測(cè)距離的一個(gè)關(guān)鍵問題。為此，在分析陣列接收目標(biāo)信號(hào)和來自尾部的多途自噪聲干擾模型，以及分析平臺(tái)參數(shù)和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)影響尾部自噪聲干擾的基礎(chǔ)上，提出一種采用近場(chǎng)聚焦逆波束形成的UUV平臺(tái)噪聲自適應(yīng)抵消方法，以達(dá)到實(shí)時(shí)有效抑制尾部自噪聲干擾的目的。近場(chǎng)聚焦逆波束形成自適應(yīng)噪聲抵消流程圖如圖1所示。

由圖1，利用UUV平臺(tái)參數(shù)、深度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的實(shí)時(shí)信息對(duì)UUV平臺(tái)尾部自噪聲傳播到舷側(cè)陣陣元的路徑進(jìn)行分析，采用近場(chǎng)聚焦波束形成實(shí)時(shí)地獲取不含目標(biāo)信號(hào)的尾部自噪聲，再對(duì)獲取的自噪聲加以相位向量和幅度向量的補(bǔ)償，得到各陣元處的自噪聲，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)尾部自噪聲源的直達(dá)噪聲、海面反射噪聲的實(shí)時(shí)抵消，得到有效抑制平臺(tái)尾部自噪聲的陣列接收信號(hào)。

圖1 近場(chǎng)聚焦逆波束形成自適應(yīng)噪聲抵消流程圖Fig.1 Flow chart for adaptive noise cancellation by focusing inverse beamforming in the near field

1.2 陣列信號(hào)接收模型

在近場(chǎng)下，均勻線列陣陣元個(gè)數(shù)為M，陣元間距為d，以陣中心為原點(diǎn)O，沿線列陣方向?yàn)閤軸，線列陣垂直方向?yàn)閥軸，建立O-xy平面坐標(biāo)系，第m號(hào)陣元的坐標(biāo)為Tm=(?(M?1)d/2+(m?1)d,0)T，其中(·)T表示轉(zhuǎn)置，陣列信號(hào)接收模型如圖2所示，其中s(t)是來自于θ方位的遠(yuǎn)場(chǎng)平面波目標(biāo)信號(hào)，sn(t)為近場(chǎng)噪聲源信號(hào)。

圖2 近場(chǎng)干擾下陣列信號(hào)接收模型Fig.2 The receive model for array signal under the near-field interference

設(shè)近場(chǎng)噪聲源在O-xy下的坐標(biāo)為a，令Dm表示噪聲源到達(dá)第m號(hào)陣元的距離，有

其中，||·||表示Euclidean 范數(shù)，假設(shè)信號(hào)形式在時(shí)域上表示為復(fù)數(shù)形式，以下均同。設(shè)聲速為c，按照球面波衰減理論[11]，各陣元接收的信號(hào)聲壓幅值與距離成反比，因此可得第m號(hào)陣元接收到的噪聲源信號(hào)為

其中，τm=Dm/c表示噪聲源到第m號(hào)陣元的傳播時(shí)延，陣列接收的噪聲源信號(hào)為Rn(t)=(r1(t),r2(t),···,rM(t))T。

當(dāng)K個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)信號(hào)以平面波方式入射到均勻線列陣上，設(shè)陣列接收信號(hào)為X(t)=(x1(t),x2(t),···,xM(t))T，有

其中，S(t)=(s1(t),s2(t),···,sK(t))T為K ×1 維目標(biāo)信號(hào)列向量，P=(p(θ1),p(θ2),···,p(θK))是K個(gè)目標(biāo)方向?qū)蛳蛄拷M成的陣列流形矩陣，其第k列為

f0是入射信號(hào)源的中心頻率是虛數(shù)單位，N(t)=(n1(t),n2(t),···,nM(t))T為M ×1維隨機(jī)噪聲列向量。由于實(shí)際中信號(hào)一般是寬帶信號(hào)，可在頻域表示如下：

其中，X(fq)、S(fq)、Rn(fq)、N(fq)分別是陣列接收數(shù)據(jù)、目標(biāo)信號(hào)、噪聲源信號(hào)和隨機(jī)噪聲經(jīng)離散傅里葉變換(Discrete Fourier transform,DFT)之后在第q(q=1,2,···,Q)個(gè)子帶的中心頻率fq上的向量，P(fq)為在頻點(diǎn)fq上的目標(biāo)陣列流形矩陣。

1.3 噪聲抵消原理

根據(jù)上述陣列信號(hào)接收模型，可以在此基礎(chǔ)上通過近場(chǎng)聚焦波束形成[12]獲得噪聲源信號(hào)。構(gòu)造相位補(bǔ)償向量和幅度補(bǔ)償向量分別為

其中，f為處理信號(hào)的中心頻率，得到加權(quán)向量

其中，“?”表示向量中對(duì)應(yīng)元素相乘，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行球面波時(shí)延補(bǔ)償以及幅度加權(quán)補(bǔ)償，利用式(6)對(duì)陣列接收信號(hào)進(jìn)行加權(quán)疊加得

其中，(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置，且

表示在估計(jì)噪聲源信號(hào)后得到的信號(hào)估計(jì)余量，文獻(xiàn)[5]表明式(8)是一個(gè)小量，此處將其忽略，把yn(t)看作是sn(t)的近似估計(jì)值，通過聚焦逆波束形成估計(jì)各陣元中接收的近場(chǎng)噪聲源信號(hào)，有

原始陣元接收信號(hào)X(t)與Rn(t)相減，以抵消噪聲，從而得到新的陣列接收信號(hào)：

根據(jù)上述的近場(chǎng)聚焦逆波束形成干擾抵消原理，則實(shí)現(xiàn)陣列接收信號(hào)中近場(chǎng)噪聲的去除，完成干擾抵消。

2 平臺(tái)尾部自噪聲傳播模型

當(dāng)UUV 在近水面低速航行時(shí)，假設(shè)UUV 對(duì)于聲傳播是透明的，即UUV 實(shí)體結(jié)構(gòu)的存在不影響聲音的直線傳播，對(duì)從UUV 尾部自噪聲源到舷側(cè)陣的直達(dá)噪聲以及經(jīng)過一次海面反射的噪聲的傳播路徑進(jìn)行幾何建模。

2.1 直達(dá)噪聲傳播模型

直達(dá)噪聲模型建立如圖3所示，以兩舷側(cè)陣中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立O-xyz舷側(cè)陣坐標(biāo)系，其中x軸指向UUV艏部方向，z軸垂直紙面向外，兩舷側(cè)陣和尾部自噪聲源A始終位于同一平面內(nèi)且相互平行。舷側(cè)陣為均勻線列陣，陣列長(zhǎng)度為L(zhǎng)，有L=(M?1)d，舷側(cè)陣到達(dá)x軸的距離為r，將A視作點(diǎn)聲源，A與1號(hào)陣元在x軸方向上的距離為R。

圖3 直達(dá)噪聲傳播模型Fig.3 Model for the direct propagation of noise

UUV左右舷側(cè)陣關(guān)于x軸對(duì)稱，以右舷側(cè)陣列為例，從圖3可得A的坐標(biāo)為=(?L/2?R,0,0)T，第m號(hào)陣元的坐標(biāo)為

對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的探測(cè)采用遠(yuǎn)場(chǎng)平面波的假設(shè)，在對(duì)舷側(cè)陣接收信號(hào)進(jìn)行波束形成時(shí)，近場(chǎng)的干擾也會(huì)在方位譜中呈現(xiàn)出來。目標(biāo)的方位角θ ∈[?90?,90?]定義為聲源指向線列陣中心的向量與y軸的夾角，圖3中?和β是A分別指向第1號(hào)陣元和第M號(hào)陣元的向量與y軸的夾角。顯然，當(dāng)采用平面波假設(shè)的常規(guī)波束形成進(jìn)行方位估計(jì)時(shí)，A所在的方位介于β和?之間，設(shè)其方位估計(jì)值為，有β <

式(12)表明直達(dá)噪聲在?和β之間產(chǎn)生干擾，且該方位區(qū)域只與UUV的平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。

2.2 海面反射噪聲傳播模型

海面反射噪聲模型采用虛源理論，假設(shè)海面反射為鏡面反射，不考慮反射損失，將A映射到海面上方的虛源B，建立虛源到達(dá)舷側(cè)陣的海面反射噪聲傳播模型，如圖4所示。在三維直角坐標(biāo)系O-XY Z中，O-XY平面與海平面平行，其中X軸指向UUV艏部方向，Z軸垂直海平面向上，原點(diǎn)與舷側(cè)陣坐標(biāo)系重合。實(shí)際中，UUV 運(yùn)動(dòng)伴隨著縱傾角和橫滾角的存在，圖4中α為縱傾角，γ為橫滾角，設(shè)UUV艏部上仰時(shí)縱傾角為正，右傾時(shí)橫滾角為正，則舷側(cè)陣坐標(biāo)系O-xyz與O-XY Z存在如圖4所示的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)關(guān)系。h為UUV的航行深度，即原點(diǎn)O到海面的距離。

圖4 縱傾角與橫滾角存在下的補(bǔ)償模型Fig.4 Modified model with the existence of pitch angle and roll angle

考慮到縱傾角和橫滾角的影響，舷側(cè)陣坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可以通過旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換到O-XY Z坐標(biāo)系下，旋轉(zhuǎn)矩陣[13]為

舷側(cè)陣坐標(biāo)系下第m號(hào)陣元的坐標(biāo)通過旋轉(zhuǎn)矩陣，可以得到O-XY Z坐標(biāo)系下的表達(dá)形式：

A的坐標(biāo)位于X軸上，因此不受橫滾角的影響，但與縱傾角有關(guān)，通過旋轉(zhuǎn)矩陣Rxz可得

結(jié)合A的坐標(biāo)以及深度h可得B的坐標(biāo)：

下面分析海面反射噪聲所在方位的影響因素，分析表明橫滾角γ的影響很小，假設(shè)γ=0，有cosγ=1，sinγ=0，那么結(jié)合式(11)、式(13)、式(14)可得第1號(hào)陣元和第M號(hào)陣元的坐標(biāo)分別為

UUV 在水下航行時(shí)，一般情況下r要小于B的Z軸坐標(biāo)，海面反射噪聲的方位可利用圖5中的O-xz平面進(jìn)行近似分析，圖5中虛線圓圈表示右舷側(cè)陣在該平面上的投影。

圖5 海面反射噪聲傳播分析Fig.5 Propagation analysis of the sea reflection of propeller noise

設(shè)B在平面波假設(shè)下方位為有ψ <<η，通過分析ψ和η以間接分析結(jié)合式(16)、式(17)可得

圖6給出了在一定α值下，η和ψ隨h的變化情況：當(dāng)h一定時(shí)只由α決定；當(dāng)α一定時(shí)，在淺水區(qū)域，h的變化對(duì)的影響很顯著，且出現(xiàn)在偏尾部區(qū)域，但隨著h的增大逐漸趨于一個(gè)常數(shù)，例如當(dāng)α=0?時(shí)，隨著h的增加，會(huì)無限的趨近于0?，即UUV的正橫方向。

圖6 海面反射噪聲方位分析Fig.6 Angle analysis of noise reflected by sea surface

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 模型仿真分析

下面根據(jù)模型仿真分析平臺(tái)尾部自噪聲源的直達(dá)噪聲與海面反射噪聲對(duì)舷側(cè)陣的影響，分別考慮UUV的橫滾角、縱傾角和深度，在遠(yuǎn)場(chǎng)平面波假設(shè)下，利用常規(guī)波束形成得到方位譜形成方位歷程圖。

3.1.1 橫滾角變化

橫滾角服從γ～U(?10?,10?)的均勻分布，h=5 m，α=0?，仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖7(a)為橫滾角隨時(shí)間變化圖，圖7(b)和圖7(c)分別為直達(dá)噪聲與海面反射噪聲的方位歷程圖。

圖7 橫滾角變化下的噪聲方位歷程圖Fig.7 The bearing time record of noise under the change of roll angle

3.1.2 縱傾角變化

縱傾角服從α～U(?10?,10?)的均勻分布，γ=0?，h=5 m，仿真結(jié)果如圖8(b)、圖8(c)所示。

圖8 縱傾角變化下的噪聲方位歷程圖Fig.8 The bearing time record of noise under the change of pitch angle

3.1.3 深度變化

深度服從圖9(a)所示，α=0?、γ=0?，仿真結(jié)果如圖9(b)、圖9(c)所示。

圖9 深度變化下的噪聲方位歷程圖Fig.9 The bearing time record of noise under the change of depth

觀察圖7、圖8和圖9，無論UUV的深度、縱傾角和橫滾角如何變化，直達(dá)噪聲的方位一直穩(wěn)定在尾部區(qū)域，其只取決于UUV平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于海面反射噪聲，圖7中橫滾角的變化對(duì)其影響很??；圖8中海面反射噪聲方位與縱傾角呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，表明縱傾角可以直接影響噪聲所在方位；圖9中，當(dāng)UUV 深度較淺時(shí)，深度的變化會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的海面反射噪聲方位變化，但當(dāng)深度達(dá)到一定程度后，其影響能力減弱，并逐漸趨于正橫方向。

3.2 噪聲源信號(hào)的相關(guān)性分析

采用逆波束形成的方法來進(jìn)行干擾噪聲的抵消，其得到的噪聲信號(hào)與噪聲源信號(hào)的相關(guān)性越強(qiáng)，則提取的噪聲信號(hào)更接近于噪聲源信號(hào)，那么干擾抵消效果會(huì)更好。通過常規(guī)逆波束形成和本文的聚焦逆波束形成能得到各個(gè)陣元上的海面反射噪聲，下面分析它們與仿真直達(dá)噪聲的相關(guān)性。平臺(tái)參數(shù)設(shè)置：d=0.1875 m，R=2.3102 m，r=0.7695 m，M=24，采樣頻率為20 kHz，聲速為1460 m/s，某一時(shí)刻UUV 深度h=7.8911 m，縱傾角α=?0.8281?，橫滾角γ=2.3906?，在沒有目標(biāo)存在的情況下，螺旋槳槳葉數(shù)為5，轉(zhuǎn)速為5 r/s，經(jīng)寬帶噪聲調(diào)制后的得到噪聲源輻射信號(hào)，以第1個(gè)陣元為例進(jìn)行相關(guān)性分析對(duì)比，如圖10所示，相關(guān)系數(shù)經(jīng)過了歸一化，很明顯通過本文的聚焦逆波束形成得到的海面反射噪聲與直達(dá)噪聲的相關(guān)性比常規(guī)波束形成更強(qiáng)，表明本文的方法所提取的噪聲信號(hào)更有利于自噪聲干擾抵消。

圖10 相關(guān)性分析對(duì)比Fig.10 Comparison for the analysis of correlation

3.3 噪聲抵消方法仿真

通過構(gòu)造舷側(cè)陣陣元接收信號(hào)，對(duì)尾部自噪聲進(jìn)行干擾抵消仿真。不考慮海面反射損失以及海水吸收損失，噪聲源視為點(diǎn)聲源，按照球面波擴(kuò)展傳播方式。仿真參數(shù)設(shè)置同上，一個(gè)目標(biāo)位于遠(yuǎn)場(chǎng)，深度恒為20 m，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示，假設(shè)UUV始終位于原點(diǎn)，其深度、縱傾角和橫滾角隨時(shí)間變化如圖12所示。以右舷側(cè)陣為例，設(shè)定UUV平臺(tái)參數(shù)；目標(biāo)信號(hào)和噪聲干擾均為高斯白噪聲，信干比為?30 dB，信噪比為?10 dB，處理頻帶1 kHz～4 kHz，頻帶劃分為301個(gè)窄帶。

圖11 UUV與目標(biāo)相對(duì)位置Fig.11 Position of UUV and target

圖12 深度、縱傾角和橫滾角隨時(shí)間變化圖Fig.12 The time record of depth,pitch angle and roll angle

采用常規(guī)波束形成，進(jìn)行干擾抵消前后的方位歷程圖分別如圖13(a)、圖13(b)所示。圖13(a)的仿真結(jié)果表明，直達(dá)噪聲在?90?的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)干擾區(qū)域，其范圍較大，并且近似位于舷側(cè)陣的端射方向；海面反射噪聲到達(dá)舷側(cè)陣的能量相比直達(dá)噪聲則要弱，當(dāng)未對(duì)噪聲進(jìn)行抵消時(shí)，方位歷程圖上看不到目標(biāo)的軌跡。圖13(b)中，在進(jìn)行干擾抵消之后，直達(dá)噪聲與海面反射噪聲的所在的方位出現(xiàn)了明顯的消除，低信噪比的目標(biāo)信號(hào)也凸顯了出來。對(duì)比圖13(a)、圖13(b)可知，在消除自噪聲干擾之后，可以提高UUV舷側(cè)陣對(duì)弱目標(biāo)信號(hào)的探測(cè)能力。此外，當(dāng)目標(biāo)穿過自噪聲干擾區(qū)域時(shí)，目標(biāo)方位會(huì)因干擾抵消而中斷，這是因?yàn)楫?dāng)干擾方位與目標(biāo)方位相近時(shí)，噪聲干擾的導(dǎo)向向量與目標(biāo)的導(dǎo)向向量存在著較大的相關(guān)性，使得目標(biāo)信號(hào)也一并被抵消。

圖13 噪聲干擾抵消前后對(duì)比Fig.13 Comparison before and after interference cancellation of noise

圖14是圖13方位歷程圖中80 s處的方位譜對(duì)比，更加清晰地展現(xiàn)了尾部自噪聲對(duì)目標(biāo)信號(hào)的掩蓋以及進(jìn)行干擾抵消后所凸顯的目標(biāo)方位。

圖14 噪聲干擾抵消前后方位譜對(duì)比Fig.14 Azimuth spectrum comparison before and after interference cancellation of noise

4 海試實(shí)驗(yàn)

海試數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院聲學(xué)研究所2019年3月在某海域開展的UUV技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，合作目標(biāo)為固定的防波堤聲源，海底深度約為50 m，海水聲速為1460 m/s，UUV左右各一個(gè)舷側(cè)陣，每個(gè)舷側(cè)陣有24個(gè)陣元，選擇一段時(shí)長(zhǎng)為4 min的海試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理。圖15展示了UUV航行軌跡、防波堤聲源以及其他非合作目標(biāo)的相對(duì)位置平面圖。

UUV的實(shí)時(shí)深度、縱傾角和橫滾角如圖16所示，采用常規(guī)波束形成，艏部方向?yàn)??方向，圖17中給出了直達(dá)噪聲與海面反射噪聲的干擾抵消前后結(jié)果對(duì)比，在干擾噪聲抵消之后，直達(dá)噪聲以及海面反射噪聲的方位區(qū)域在方位歷程圖中消失了，凸顯了目標(biāo)方位，特別是非合作目標(biāo)2，在干擾抵消前幾乎被掩蓋了，但是在干擾抵消后，其方位歷程得到了極大增強(qiáng)。

圖15 海試實(shí)驗(yàn)中的目標(biāo)與UUV 運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.15 Movement track of target and UUV in the sea trial

圖16 海試實(shí)驗(yàn)中UUV的深度、縱傾角、橫滾角隨時(shí)間變化圖Fig.16 The time record of depth,pitch angle and roll angle in the sea trial

圖17 海試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的噪聲干擾抵消前后對(duì)比Fig.17 Comparison before and after interference cancellation of noise from data processing in sea trial experimental

圖18為該段時(shí)間內(nèi)第40 s的方位譜，從中可以看到，在進(jìn)行自噪聲的干擾抵消后，突出了目標(biāo)信號(hào)，去除了因自噪聲而產(chǎn)生的虛假目標(biāo)。

結(jié)果表明，通過本文的方法進(jìn)行噪聲抵消能有效減少尾部自噪聲對(duì)探測(cè)的影響，對(duì)本文基于近場(chǎng)聚焦逆波束形成的平臺(tái)噪聲自適應(yīng)抵消方法的正確性給予了合理的驗(yàn)證。此外，根據(jù)本文的模型，直達(dá)噪聲與海面反射噪聲所在方位區(qū)域可以根據(jù)UUV的相關(guān)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，為避免目標(biāo)落到該噪聲方位中對(duì)目標(biāo)探測(cè)產(chǎn)生不利，UUV可以根據(jù)提前預(yù)測(cè)噪聲方位制定好的目標(biāo)探測(cè)策略，讓目標(biāo)的方位盡可能遠(yuǎn)離該噪聲所在方位區(qū)域，使得對(duì)目標(biāo)探測(cè)更加有利。

圖18 干擾抵消前后方位譜對(duì)比Fig.18 Comparison of azimuth spectrum before and after interference cancellation of propeller noise

5 結(jié)論

本文結(jié)合UUV平臺(tái)參數(shù)、深度、縱傾角和橫滾角信息對(duì)平臺(tái)尾部自噪聲傳播到舷側(cè)陣的路徑建模分析，利用聚焦逆波束形成的方法對(duì)尾部自噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)抵消，仿真與海試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性和實(shí)用性，能夠顯著提高UUV 對(duì)弱目標(biāo)的探測(cè)能力，可對(duì)實(shí)際的UUV 應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。當(dāng)目標(biāo)位于尾部自噪聲方位以及相關(guān)陣元接收其海面反射噪聲方位時(shí)，目標(biāo)信號(hào)也會(huì)被抵消，此時(shí)需要適當(dāng)改變UUV平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向，使目標(biāo)方位遠(yuǎn)離噪聲所在方位。