聲納浮標對空中聲源干擾的抑制方法研究

摘 要： 聲納浮標的空中布放平臺具有與水下目標相近的噪聲特性。應用自適應信號處理技術對空中直升機噪聲干擾抑制問題進行了研究。分別以直升機空中噪聲和組合振速為參考信號，選擇基于最小均方誤差（LMS）準則進行自適應干擾抵消。仿真分析表明以組合振速為參考信號可以有效抑制高速運動直升機的噪聲。

關鍵詞： 聲納浮標； 直升機噪聲； 自適應； 干擾抑制

中圖分類號：TN955?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0009?03

0 引 言

航空反潛是重要的反潛手段之一。目前航空反潛平臺使用的聲學搜潛設備主要有吊放式聲納和聲納浮標，其中聲納浮標體積小，可攜帶數量多，效率高，布放和使用方便，與其他搜潛設備兼容性好，被廣泛應用在各種航空反潛平臺上。近年來隨著水聽器技術和信號處理技術的發展，聲納浮標在作用距離，弱信號檢測能力以及定位精度等方面均有較大提高。但是反潛飛機作為空中聲源，其噪聲與潛艇的輻射噪聲在頻率特性方面非常相近，當反潛飛機低空飛行或懸停時，其輻射噪聲會透過海面在海水中傳播[1]，具有弱信號探測能力的聲納浮標容易受到其干擾。

本文假設存在空中噪聲干擾時，以采用單矢量水聽器的聲納浮標為應用平臺，通過自適應信號處理技術抵消空中噪聲干擾。以最小均方誤差（LMS）準則為基礎，提出兩種自適應抵消空中噪聲的方法，并通過仿真對比研究兩者性能差異。

1 存在空中噪聲時聲納浮標的方位估計

以具有典型空中噪聲特征的直升機為例，其噪聲會對浮標的探測產生干擾，原因在于潛艇的水下輻射噪聲與直升機噪聲特點相近，潛艇噪聲包括機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三大類[2]，也是由連續譜噪聲和主要集中在低頻段（小于1 kHz）的非連續線譜分量所組成，線譜基頻主要集中在1～100 Hz頻段內[3]。

對存在直升機噪聲干擾的方位估計進行仿真分析。

仿真1：直升機方位50°，輻射噪聲為50～800 Hz的連續譜，疊加基頻為65 Hz的8根諧波簇線譜。環境噪聲為高斯白噪聲，水下干噪比為0 dB。目標方位270°，輻射噪聲由基頻為45 Hz的12根諧波簇線譜，疊加10～600 Hz的連續譜組成，水下信噪比為0 dB。積分時間為1 s。

結果表明浮標對目標的方位估計有偏差，由干擾和目標的聲能流合成方位，且估計結果偏向能量高的一方。由于目標和干擾信號中都具有較強的線譜分量，矢量水聽器可以采用直方圖和加權直方圖法[4]進行目標方位估計，估計結果如圖1，圖2所示。

由圖1，圖2可知，當有多個相干聲源存在時，若連續譜頻帶大部分重合，則直方圖法的方位估計結果受干擾影響比較大，不能估計目標方位。為突出線譜分量的作用，采用加權直方圖法時，只要各聲源輻射噪聲的線譜分量不完全重合，矢量水聽器則可實現多目標的方位估計，但不能識別目標和干擾。

2 空中噪聲干擾自適應抵消

濾波器是抑制噪聲干擾非常有效的方法。由于潛艇和空中平臺噪聲在頻帶上大部分重合，因此不適合采用參數固定的帶阻濾波器抑制噪聲干擾。本文選擇基于LMS法的自適應干擾抵消器抑制空中噪聲[5]。

自適應干擾抵消需要一個與噪聲或與目標信號相關的參考輸入，本文以直升機噪聲為干擾源，分別以直升機空中噪聲和以組合振速為參考輸入進行自適應抵消。

2.1 空中平臺噪聲為參考信號

在浮標的水上部分加裝一個矢量微音器，實時采集空中噪聲，水下部分用矢量水聽器接收潛艇和空中平臺的水下噪聲。將微音器接收的空中噪聲信號作為參考輸入。

仿真2：假設二維空間中水下目標位置[（-100 m，]-500 m）；空中平臺為直升機，位置（500 m，[300 m）；]設定直升機空中噪聲的信噪比相對于它在水中的信噪比高15 dB。其他條件同仿真1。

信噪比、干燥比均為0 dB干擾抵消后的加權直方圖方位估計如圖3所示。

由圖3可知直升機靜止時此方法可有效抑制其噪聲。若直升機分別以10 m/s和20 m/s的速度飛行，飛機位置不變，航向與矢量水聽器[x]方向夾角為180°，水下目標航速5 m/s，航向與矢量水聽器[x]方向同向，空中聲速334 m/s，海水中聲速1 500 m/s。其他條件同仿真2，結果如圖4，圖5所示。

圖4，圖5表明，隨著直升機航速的增加，自適應干擾抵消的效果越來越差。造成這種結果的根本原因在于空氣中聲速和海水中聲速不同。若聲源與接收點之間存在相對運動時，則信號產生多普勒頻移。瞬時頻移量為：

[f=f011-（vc）cosθcosα] （1）

式中：[c]是聲速；[v]為聲源移動速度；[θ]為聲源和接收點連線與聲源運動方向在垂直面投影的夾角；[α]為聲源和接收點連線與相對運動方向在水平面投影的夾角。由于水中聲速要遠遠大于空中聲速，所以空氣中的多普勒頻移大于水中的頻移，而且聲源的速度越快，頻差越大。對于以空中平臺噪聲為參考輸入的抵消法，飛機速度越快則原始信號中干擾成分與參考信號的相關性越弱，干擾抵消效果越差。只有飛機懸停或低速航行時此方法才適用。

2.2 組合振速為參考信號

與標量水聽器不同，矢量水聽器的振速具有“8”字形指向性，單個矢量水聽器即可以形成波束指向性 [6]。矢量水聽器振速和聲壓可表示為：

[vx（t）=p（t）cosθvy（t）=p（t）sinθ] （2）

對振速分量進行加權組合可以使波束的空間旋轉。[ψ]為引導方位：

[vc=vxcosψ+vysinψvs=-vxsinψ+vycosψ] （3）

[vc=p（t）cos（θ-ψ）vs=p（t）sin（θ-ψ）] （4）

引導方位[ψ]是[vc]的極大值方向也是[vs]的零點方向。通過改變[ψ]值即可實現在二維平面內電子旋轉。假設浮標在水下收到的目標信號為[pq（t）]，直升機噪聲為[pf（t）]，且目標方位[θq]，干擾方位[θf]，代入式（4）得：

[vc=pq（t）cos（θq-ψ）+pf（t）cos（θf-ψ）vs=pq（t）sin（θq-ψ）+pf（t）sin（θf-ψ）] （5）

若令引導方位[ψ=θf]，則[sin（θf-ψ）=0]，[vs]中只含有[pq（t）sin（θq-ψ）]成分。以此信號作為參考輸入，構成自適應抵消器，可以實現對空中噪聲干擾的抑制。結構如圖6所示。

仿真3：直升機航速30 m/s，其他條件同仿真2。結果如圖7所示。

圖7表明，以組合振速為參考輸入的抵消方法在直升機高航速狀態下，依然可有效抑制噪聲干擾。

3 結 論

本文分析了空中平臺噪聲對聲納浮標的定位產生干擾的原理，利用基于LMS的自適應干擾抵消技術可以抑制噪聲干擾。仿真結果表明：以飛機空中噪聲為參考信號輸入的抵消方法受空中和水中信號多普勒差異的影響，只適用于飛機懸停或低速航行時；以組合振速為參考信號的抵消方法抵消效果不受直升機航速影響。

參考文獻

[1] HUDIMAC A A. Ray theory solution for the sound intensity in water due to a point source above it [J]. Journal of the Acoustical Society of America， 1957， 29（8）： 916?917.

[2] 劉伯勝，雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1993.

[3] 邢國強.典型艦船輻射噪聲建模與仿真[D].西安：西北工業大學，2005.

[4] 姚直象，惠俊英，殷敬偉，等.單矢量水聽器四種方位估計方法[J].海洋工程，2006（1）：56?58.

[5] 沈福民.自適應信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[6] 惠俊英，慧娟.矢量聲信號處理基礎[M].北京：國防工業出版社，2009.

[7] 張翼鵬.空氣中聲源產生的水下聲場建模與分析[D].西安：西北工業大學，2007.

[8] 周偉.直升機激發水下聲場的理論及實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[9] URICK R J. Noise signature of aircraft in level flight over a hydrophone in the sea [J]. Journal of the Acoustical Society of America， 1972， 52（3）： 993?999.

[10] 馬遠良.聲波從空氣中透射入水中的現象及應用[C]//全國水聲學學術會議論文集.北京：中國聲學學會，1972：78?81.