強相干干擾下基于二階錐規劃的圓弧陣寬帶二維成像

黃 聰 孫大軍 張殿倫 滕婷婷

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強相干干擾下基于二階錐規劃的圓弧陣寬帶二維成像

黃 聰 孫大軍*張殿倫 滕婷婷

(哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室 哈爾濱 150001)(哈爾濱工程大學水聲工程學院 哈爾濱 150001)

該文針對水下目標2維成像在強相干干擾情況下，目標亮點容易被淹沒的問題，以及圓弧陣波束的高旁瓣給圖像檢測帶來較多虛警的缺陷，提出基于二階錐規劃的寬帶2維成像優化方法。該方法在對相干干擾抑制的同時，很好地控制了波束的旁瓣。分析了2維成像算法流程中由于時域滑窗導致陣列的接收信號矢量與陣列流形不同，造成二階錐規劃設計的權值與陣列的接收信號矢量失配，旁瓣控制和零陷設計無法滿足設計的要求。針對該問題提出利用計算出的滑窗理論陣列的接收信號矢量代替陣列流形來進行二階錐權值設計的方法，通過改進的二階錐權值，將波束優化與圓弧陣的2維成像優化相結合。計算機仿真和水池實驗都驗證了該方法的有效性。

聲吶；2維成像；二階錐規劃；旁瓣控制；干擾抑制

1 引言

水下目標定位[1,2]是水下探測、海岸防御、軌跡導航、目標打擊的重要技術之一，目標定位的精準性很大程度上決定了算法和設備的性能。2維成像技術屬于成像聲吶[3,4]的一種，是利用1維陣列實現對目標距離和方位的2維分辨。通過實時有效的聲學圖像可以直接對目標進行探測識別。存在強相干干擾時，聲學圖像上目標亮度將被強干擾源的旁瓣所淹沒，且圓弧陣成像高旁瓣的特性給圖像檢測造成更多的虛警。

很多旁瓣抑制算法對陣列模型有要求，無法直接利用在圓弧陣上，而近場模型的旁瓣控制就更加困難。虛擬線陣技術[5]利用均勻圓陣的相位模式激勵理論，轉化為虛擬的均勻線陣，再利用較成熟的線陣旁瓣控制算法，但該方法不適用于圓弧陣及其他陣形中。文獻[6-9]提出了增加虛擬干擾源來計算權值的方法，該方法使用自適應迭代方式，適用于非均勻陣形，但迭代的收斂性和波束輸出的穩健性都不能得到保證。文獻[10]利用最小均方準則自適應設計法使設計的波束按最小方差準則逼近期望響應，但由于迭代的步長選取困難，導致設計結果出現誤差。

2 基于二階錐規劃的圓弧陣波束優化

契比雪夫加權是一種經典的波束旁瓣控制方法，但其限制條件是只能用于遠場條件下的均勻線陣。基于二階錐規劃的波束設計思想與契比雪夫加權方法的極大極小準則相同。由于該約束方法對陣列模型沒有要求，故可適用于任意陣型中，可看作是契比雪夫加權在任意陣形上的拓展。

2.1 波束的旁瓣設計

若對波束進行優化設計，在波束主瓣不失真的情況下，對波束的旁瓣級和零陷深度進行規劃，其約束優化問題可以寫為

圖1 理想情況下圓弧陣波束圖

2.2 方位譜和波束圖的聯系

3 圓弧陣寬帶2維成像優化

3.1 圓弧陣寬帶2維成像算法流程

寬帶2維成像先根據掃描位置對脈沖壓縮后的信號在時域上進行滑窗處理，再對滑窗內截取的信號進行頻域波束形成，得到距離和方位的2維圖像處理結果，其流程圖如圖2所示。具體步驟如下：

最后，進行寬帶頻域波束形成，得到距離和方位的2維成像結果。

3.2 滑窗對二階錐加權方位譜的影響

圖2 寬帶2維成像流程圖

3.3 改進的二階錐權值

圖.3 理想情況下的5 m處的方位譜

圖4 固定距離滑窗方式

4 2維成像優化仿真及水池驗證

4.1 2維成像計算機仿真

圖5 無干擾下5 m處的方位譜

圖6 有干擾下5 m處的方位譜

圖.7 無干擾下的雙目標2 維成像

從圖8(a)可以看出加入強相干干擾后，常規成像只能估計出強相干干擾的位置，將圖8(a)調整colorbar后得到圖8(b)，可以看出5 m處的目標已經完全淹沒在相干干擾的旁瓣中，5.8 m處的目標還可以分辨，但也受到相干干擾距離旁瓣的影響。圖8(c)為二階錐加權成像結果，可以看出二階錐加權在控制旁瓣的同時，對相干干擾進行了有效的抑制。

4.2 水池驗證

圖8 干信比為30 dB時的2維成像

圖9 水池實驗配置圖

圖10 2.維成像結果

圖11 3.6 m 處的方位譜

5 結論

本文利用二階錐規劃方式對圓弧陣進行波束優化，在波束上進行旁瓣控制和零陷設計，并將波束優化的思想與方位譜相相結合，對2維成像進行優化。由于2維成像中對脈沖壓縮信號的滑窗處理，方位譜旁瓣區域內的滑窗無法截取到完整的信號相關峰，陣列的接收信號矢量與利用陣列流形設計的二階錐權值失配，最終導致輸出的方位譜無法滿足波束的旁瓣和零陷設計要求。本文通過仿真模擬出寬帶2維成像在不同距離上的滑窗過程，將窗內截取的理論陣列的接收信號矢量代替陣列流形來進行二階錐的權值設計，解決了2維成像滑窗帶來的二階錐權值不匹配的問題，將二階錐加權方式成功應用于2維成像的優化中。在對相干干擾抑制的同時很好地控制了目標成像的旁瓣，改善了后續目標的圖像檢測和識別的性能。

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黃 聰： 男，1988年生，博士生，研究方向為水下陣列信號處理.

孫大軍： 男，1972年生，教授，研究方向為水下信道與聲吶環境、水下目標探測與定位.

張殿倫： 男，1967年生，教授，研究方向為水聲定位與導航.

滕婷婷： 女，1982年生，講師，研究方向為水下目標定位成像.

Wideband Two-dimensional Imaging with Arc Array Based on Second-order Cone Programming under Strong Coherent Interference

Huang Cong Sun Da-jun Zhang Dian-lun Teng Ting-ting

(,,150001,)(,,150001,)

To solve the problem that in two-dimensional imaging the target under water is easily hidden by the strong coherent interference, and high side lobe of arc array beam pattern causes more false alarm, an optimized two-dimensional imaging method based on second-order cone programming is proposed. Not only the strong coherent interference is suppressed, but also the side lobe is controlled well with the method. The issue that the sliding window in time domain leads to the difference between the steering vector and array manifold is analyzed, which causes the mismatch between the weights computed by the second-order cone programming and steering vector, and the failure to satisfy the side lobe control and null design requirement. To solve the issue, the method using the theoretical steering vector calculated by the sliding window in time domain instead of the array manifold to design the second-order cone programming weights is proposed, and the optimizations of the beam pattern and the arc array two-dimensional imaging are combined by the improved second-order cone programming weights .The validity of the proposed method is demonstrated by computer simulation and the pool experiment.

Sonar; Two-dimensional imaging; Second-order cone programming; Side lobe control; Interference suppression

U666.72; TN911.7

A

1009-5896(2014)11-2633-07

10.3724/SP.J.1146.2013.01796

孫大軍 sundajun@hrbeu.edu.cn

2013-11-14收到，2014-07-03改回

國家重點實驗室基金(9140C200406110C2001)，國家部委基金和國家863計劃項目(2012AA090901-4)資助課題