一種多平臺主動聲吶互擾抑制方法

葉宇麒 丁烽 胡鵬

(第七一五研究所，杭州，310023)

多平臺主動聲吶協(xié)同探測中，由直達(dá)波導(dǎo)致的的聲吶間互擾對探測效果產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[1]。互擾發(fā)生時，聲吶的有效觀測區(qū)域中出現(xiàn)一個或者多個探測盲區(qū)，嚴(yán)重的限制了各個平臺聲吶的主動探測性能。由于互擾中直達(dá)波能量較強，僅僅利用空時域自適應(yīng)干擾抑制，無法有效抑制互擾，不能較為徹底的消除互擾產(chǎn)生的雜波，造成嚴(yán)重的虛警?；_問題極大地限制了聲吶系統(tǒng)的探測性能，抑制多平臺主動聲吶系統(tǒng)中的互擾是一項非常重要的工作[2-3]。

較為徹底的互擾抑制處理，需通過準(zhǔn)確檢測并剔除直達(dá)波，阻止直達(dá)波能量在空時處理中能量的泄露，消除由直達(dá)波產(chǎn)生的雜波?；_的檢測方法包括邊緣檢測和匹配濾波檢測。邊沿檢測廣泛用于瞬態(tài)信號的檢測，通過對信號能量起伏變化的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)瞬態(tài)信號的邊沿檢測和時延估計。邊沿檢測僅僅利用了互擾的能量信息，時延估計精度不高。匹配濾波檢測利用了信號的波形知識，通過信號相關(guān)處理，實現(xiàn)對直達(dá)波到達(dá)時間的精確估計[4-5]。但由于聲源發(fā)射組合信號，以及接收信號受到多途、混響、多普勒效應(yīng)的影響，匹配濾波檢測仍難以精確的估計直達(dá)波到達(dá)時間。不精確的互擾檢測結(jié)果，會導(dǎo)致互擾抑制不徹底，潛在目標(biāo)信息不能被有效提取的隱患仍然存在。

為更加精確的進行互擾抑制，本文研究了一種基于響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測法的多平臺主動聲吶互擾抑制方法。使用自相關(guān)和互相關(guān)兩種函數(shù)，分別計算相關(guān)函數(shù)與數(shù)據(jù)匹配濾波輸出的范氏距離，衡量相關(guān)函數(shù)響應(yīng)結(jié)構(gòu)與匹配濾波輸出的相似度，精確檢測互擾[6]。在波束域中利用高斯白噪聲，將互擾區(qū)域白化處理，實現(xiàn)互擾的抑制，減少由互擾引起的雜波，降低虛警。

1 研究背景與方法

本節(jié)從主動聲吶信號處理的基本流程分析互擾的形成原因與互擾造成的影響，分析與闡明響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測法的原理與處理流程。文中將本船發(fā)射的信號，稱為信號；信號經(jīng)目標(biāo)反射后稱為回波；互擾信號稱為干擾。

1.1 主動聲吶互擾形成原理

在常規(guī)的主動聲吶信號處理中，預(yù)處理后的陣元數(shù)據(jù)經(jīng)過常規(guī)波束形成輸出（Beamforming Output，BFO）進入匹配濾波處理。BFO與發(fā)射波形的拷貝信號進行匹配，產(chǎn)生匹配濾波輸出（Matched Filter Output, MFO）。MFO經(jīng)過歸一化輸出進一步抑制背景噪聲的能量。主動聲吶信號處理流程圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)主動聲吶信號處理流程圖

在互擾情況下，陣元數(shù)據(jù)中直達(dá)波的能量幅度比背景噪聲及目標(biāo)響應(yīng)高約30 dB。直達(dá)波能量在數(shù)據(jù)預(yù)處理、波束形成和匹配濾波后仍有顯著的殘留。在匹配濾波后，互擾產(chǎn)生的雜波與虛警更加凸顯。MFO的計算原理：

式中，τ是時間步長，r（t）為已知理想信號的拷貝信號，s（t）為BFO，作為匹配濾波輸入。

在匹配濾波的頻域處理中，互擾能量通過時域數(shù)據(jù)卷積，泄漏到鄰近處理單元，在卷積計算中互擾的頻點能量使匹配輸出增大。這使得MFO的背景能量在互擾影響區(qū)域的起始時間提前，擴大了互擾影響的區(qū)域。圖2為理想仿真條件下，信號與干擾在白噪聲背景中BFO、MFO和NRM的仿真結(jié)果。圖中設(shè)定信號脈沖起始時刻為第8 s，信號拷貝脈寬1 s，干擾脈沖起始時刻為第10 s，干擾拷貝脈寬2 s，兩者均為中心頻率1 500 Hz、帶寬500 Hz的HFM信號。比較BFO和MFO序列，信號在匹配濾波后出現(xiàn)尖峰，BFO中干擾區(qū)域第10～12 s比背景能量顯著提升約30 dB，但整體干擾區(qū)域延長，在MFO中約在第9～12 s，整體影響時間約為3 s，背景能量幅度在干擾信號真實到達(dá)之前1 s開始上升，在第9 s時高于背景幅度約15 dB。BFO中的干擾區(qū)域在匹配濾波處理后向前延伸。比較MFO和NRM，在背景歸一化之后干擾區(qū)域的響應(yīng)幅度受到一定抑制，但干擾區(qū)域中仍然存在不同于背景噪聲的起伏，實際情況中這一區(qū)域會出現(xiàn)小的尖峰，產(chǎn)生大量雜波，在檢測目標(biāo)時產(chǎn)生虛警，影響目標(biāo)的檢測。因此，常規(guī)的主動聲吶信號處理并不能有效的抑制干擾。

圖2 波束形成、匹配濾波、背景歸一化結(jié)果

1.2 互擾的影響

互擾產(chǎn)生于多平臺主動聲吶系統(tǒng)中非合作聲源發(fā)送的脈沖直達(dá)波。由于直達(dá)波能量較強，波束形成不能提供足夠的抑制，強烈的干擾導(dǎo)致 BFO中幾乎每個波束都存在互擾。主動聲吶自發(fā)自收工作條件下，在以接收端為原點的極坐標(biāo)方位圖中，不同波束的互擾形成圓環(huán)形互擾區(qū)域。理想互擾模型如圖3所示，模型以高斯白噪聲模擬混響?；_在聲源方向及其附近的波束中較為顯著，不同波束受到互擾影響的程度不同。因此，互擾的抑制需要對不同波束進行差異化的處理，減少抑制處理對潛在目標(biāo)的回波信息造成損失[7]。

通?；_及其產(chǎn)生的混響能量幅度高于背景噪聲15～30 dB，存在掩蓋潛在目標(biāo)的隱患。圖2的BFO中，假設(shè)目標(biāo)處于10～12 s間互擾區(qū)域時，由于信干比較低，被掩蓋部分的信號在后續(xù)處理中無法檢測到，這一區(qū)域在極坐標(biāo)方位圖中為互擾的環(huán)帶主體區(qū)域，如圖3所示。環(huán)帶主體區(qū)域的內(nèi)側(cè)是雜波區(qū)域。在圖2的BFO中，互擾在第10 s到達(dá)，第9～10 s間背景能量較為平坦。經(jīng)過匹配濾波后，MFO在第9～10 s間響應(yīng)幅度比第6～9 s間背景噪聲高約10 dB，在方位圖中形成雜波區(qū)域。雜波區(qū)域是干擾經(jīng)過匹配濾波產(chǎn)生的，徹底的抑制 BFO中的干擾，可以消除MFO中由干擾產(chǎn)生的雜波。因此互擾抑制的關(guān)鍵在于檢測準(zhǔn)確性以及徹底剔除直達(dá)波信號。

圖3 理想信號仿真互擾示意圖

為準(zhǔn)確的計算受到互擾影響的時間長度，繪制理想條件下信號自相關(guān)、干擾自相關(guān)以及信號干擾互相關(guān)函數(shù)如圖4所示。圖中自相關(guān)函數(shù)時間長度為信號脈寬的兩倍，互相關(guān)波形時間長度為信號與干擾的脈寬之和。相關(guān)函數(shù)與匹配濾波的卷積計算過程是一致的，因此通過相關(guān)函數(shù)類比分析，在圖2的MFO中，干擾導(dǎo)致匹配濾波失配的時間為干擾與信號脈寬之和，互擾影響時間共計3 s。

圖4 理想信號自相關(guān)、信號干擾互相關(guān)、干擾自相關(guān)波形

1.3 基于響應(yīng)波形法的互擾抑制方法

響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測法衡量理想相關(guān)函數(shù)和MFO間的相似性。比較圖4中自相關(guān)互相關(guān)函數(shù)與圖2的MFO波形，理想條件下，互相關(guān)函數(shù)響應(yīng)的波形結(jié)構(gòu)與匹配波形非常相似，兩者都是以信號與干擾進行卷積的計算結(jié)果。在MFO波形中，本文中以信號作為拷貝的匹配濾波結(jié)果稱為 O-MFO（Origin Signal Matched Filter Output），以干擾作為拷貝的匹配濾波結(jié)果稱為 I-MFO（Interference Signal Matched Filter Output）。響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測法中衡量相似度的基本方程為

式中，d為sx(t)和s0(t)的范氏距離；∈ ［t,t+T］，∈ ［0,T］；T是窗口長度，由sx(t)確定；t是窗口內(nèi)的時間序列，為時域MFO數(shù)據(jù)時間窗口，為理想的互相關(guān)響應(yīng)時間長度，n是時間序列；s0(t)是MFO的結(jié)果，sx(t)是理想的相關(guān)函數(shù)。式（2）的目的是對歸一化后MFO和相關(guān)函數(shù)進行波形比較，衡量相似程度。在獲得相關(guān)函數(shù)響應(yīng)結(jié)構(gòu)的比較結(jié)果后，進行Lp范數(shù)的變換：

式中，p是范數(shù)階數(shù)，通過式（2）、（3）作為統(tǒng)一的相似度衡量標(biāo)準(zhǔn)，展開比較O-MFO與信號干擾互相關(guān)、I-MFO與干擾自相關(guān)、O-MFO與信號自相關(guān)、I-MFO與信號干擾互相關(guān)四種波形相似程度。四個分量評價因子的計算方法為

其中，式（4）、（5）描述了數(shù)據(jù)與干擾的相似程度，式（6）、（7）描述了數(shù)據(jù)與信號的相似程度。綜合四個因子項，評價特定時間序列與干擾信號產(chǎn)生的響應(yīng)結(jié)構(gòu)相似性[8]。響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測判別式為

式中，Dp是響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測的結(jié)果，Dl為門限。通過Dp的零點檢測，估計干擾到達(dá)時間。響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測法比匹配濾波檢測考察了更多信號與干擾的檢測信息，從信號失配、干擾匹配角度衡量數(shù)據(jù)段與干擾的相似程度。將自相關(guān)、互相關(guān)兩種結(jié)構(gòu)模型作為對比對象，計算四項范式距離結(jié)果，更加全面的評估互擾到達(dá)的時間。當(dāng)信號與干擾頻帶重疊時，鄰近互擾的目標(biāo)仍然可以得到有效的檢測。目前，該方法能基本滿足工程實際需要，因范數(shù)對距離d的變化較敏感，范數(shù)的階數(shù)與門限之間的具體關(guān)系后續(xù)還要進一步研究。

準(zhǔn)確評估 BFO中每個波束干擾到達(dá)時刻后對干擾進行白化處理。將干擾信號替換成高斯白噪聲，白噪聲的方差由較為平穩(wěn)的背景噪聲的方差評估所得。白化后的 BFO具有良好的隨機相位特性，在匹配濾波后抑制結(jié)果較為平滑，利于進一步的目標(biāo)檢測。在改進方法中，抑制處理的時間根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進行了補償和擴展，對混響區(qū)域與艏艉盲區(qū)也利用白噪聲進行了擴展抑制。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，后向延伸的抑制時間長度大約是干擾脈寬的1.25～1.5倍。當(dāng)干擾信號是組合信號時，不同階段信號在換能器起振和停止的瞬間都會引起能量泄漏，產(chǎn)生寬帶噪聲，相應(yīng)的替換時間設(shè)置也會隨之改變。本文研究的互擾抑制方法處理流程如圖5所示。

圖5 常規(guī)信號處理流程圖

2 海試數(shù)據(jù)處理結(jié)果

實驗方案如下：試驗節(jié)點包括本船、三艘目標(biāo)船和一艘干擾船。節(jié)點初始位置及運動方向如圖6所示，本船位于坐標(biāo)的原點，自發(fā)自收，干擾船發(fā)射波形已知。目標(biāo)的回波信號是期望接收與識別的對象。干擾的直達(dá)波信號是需要抑制的對象。

信號與干擾的相關(guān)信息如下：本船發(fā)射 1 s HFM脈沖，帶寬500 Hz，中心頻率1 500 Hz。干擾船發(fā)射HFM脈沖，脈沖長度2 s，帶寬、中心頻率和本船相同。干擾源最初距本船約28 km，并以6 m/s的恒定速度移動。目標(biāo)T1的初始位置距本船10.5 km，設(shè)定航速為6 m/s。目標(biāo)T2的初始位置距本船15 km，設(shè)定航速為6 m/s。目標(biāo)T3的初始位置距本船13.5 km，設(shè)定航速為4 m/s。

干擾信號抑制處理前掃描結(jié)果如圖7所示，抑制處理后的掃描結(jié)果如圖8所示。通過疊加13幀快拍數(shù)據(jù)來展示連續(xù)處理結(jié)果，觀察目標(biāo)的運動軌跡與抑制處理的效果。

圖6 干擾聲源、目標(biāo)、本船初始位置示意圖

圖7中，T1作為理想實驗參考目標(biāo)，在干擾抑制處理之前運動軌跡清晰。T1回波在直達(dá)波前到達(dá)，極坐標(biāo)方位圖中位于直達(dá)波產(chǎn)生的環(huán)形干擾區(qū)域內(nèi)側(cè)，互擾抑制沒有削弱T1的檢測效果。T2朝向本船運動，在抑制處理前，運動軌跡被虛警掩蔽，無法辨識。干擾抑制后，雜波區(qū)域消失，T2的軌跡重新出現(xiàn)。比較T1與T2的軌跡，T2亮度較暗，這是由于 T2的部分回聲信息被干擾區(qū)域覆蓋，在互擾抑制過程中T2的回聲信息有所損失。T3的運動軌跡無法與雜波分辨。T3的回波信息與干擾信號有較多時間重疊，在部分快拍中，由于信號與干擾在時間上完全重疊，抑制處理后目標(biāo)仍然不可見。隨著 T3位置的變化，亮度逐漸變暗，軌跡出現(xiàn)中斷，僅部分快拍中可以辨識。比較T2與T3的抑制結(jié)果，經(jīng)過互擾抑制處理，可以更有效的觀察到互擾鄰近區(qū)域中原本被雜波掩蓋的目標(biāo)。從三個目標(biāo)綜合來看，針對不同波束互擾進行差異化的抑制處理，可有效保護互擾較弱波束中的信息，保留互擾環(huán)帶內(nèi)側(cè)區(qū)域的目標(biāo)信息。

實驗表明方法可行，干擾得到有效抑制。在受干擾影響的區(qū)域中，目標(biāo)可以重現(xiàn)。在信號和干擾時間相鄰、頻帶重疊時仍然可以進行互擾的檢測與抑制。

圖7 互擾抑制前13幀海試仿真結(jié)果

圖8 互擾抑制后13幀海試仿真結(jié)果

3 總結(jié)

本文研究了多平臺主動聲吶系統(tǒng)中的互擾抑制問題。利用響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測方法與高斯白噪聲替換干擾區(qū)域的方法，實現(xiàn)了較好的抑制效果。在抑制互擾的同時，波束域處理較陣元域處理更好的保留了目標(biāo)回波的信息。實驗結(jié)果顯示，在頻帶完全重疊的情況下，該方法在信號與干擾時間鄰近條件下仍具有良好的互擾檢測性能，抑制處理干擾，有效減少了互擾引起的雜波，目標(biāo)得到更好的辨識效果。