雙基地聲吶發射聲屏蔽技術

蘆嘉, 生雪莉,, 凌青, 董偉佳, 伍飛云, 孫筱逸

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱150001；3.復雜艦船系統仿真重點實驗室, 北京100161；4.廈門大學 水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室, 福建 廈門 361005)

雙基地聲吶發射聲屏蔽技術

蘆嘉1,2, 生雪莉1,2,3, 凌青3, 董偉佳1,2, 伍飛云4, 孫筱逸1,2

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱150001；3.復雜艦船系統仿真重點實驗室, 北京100161；4.廈門大學 水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室, 福建 廈門 361005)

基線附近區域為雙基地聲吶的探測盲區，當目標位于基線區域時，目標回波與強直達波干擾同時同向到達，基于空域濾波等的傳統直達波抑制方法失效。為實現雙基地聲吶對盲區內目標的探測，提出了一種適用于多發射陣元系統的發射聲屏蔽技術。發射聲屏蔽技術利用目標回波與直達波相異的多途信道結構特性，自動屏蔽在接收站位置處的直達波而不影響目標回波，且不需接收站進行任何后續處理。在已知回波信道信息時，發射聲屏蔽技術可進一步實現對回波信號的聚焦，提高信干比。仿真結果表明，在不同信道條件下發射聲屏蔽均能有效抑制直達波干擾。利用發射聲屏蔽技術，雙基地聲吶能夠實現對基線區內目標的檢測。

發射聲屏蔽；雙基地聲吶；盲區目標探測；直達波抑制；自屏蔽信號；正交匹配追蹤

雙基地聲吶的發射站與接收站遠距離分開，且接收站處于被動工作模式，因而具有良好的隱蔽性，抗干擾能力以及更大的覆蓋范圍[1-2]。然而雙基地聲吶的幾何分布與探測模式使得其基線區(發射站與接收站連線附近區域)成為目標探測盲區[3]。不同于一般的直達波干擾問題，當目標位于基線區時，目標回波與直達波同時，同向到達接收站，二者在時域、空域均發生混疊。以空域濾波[4]為代表的一類直達波抑制方法盡管能夠實現低信干比下的目標回波檢測，但是對位于基線區，尤其是位于基線上的目標則無能為力；而基于自適應對消器的直達波抑制方法容易同時抵消掉目標回波。文獻[5]提出了基于巴賓奈特原理的雙基地聲吶前向探測方法，但需要目標保持運動并穿過雙基地聲吶基線，而且需要較長的累積檢測時間。

針對雙基地聲吶基線區的直達波干擾問題，本文提出了發射聲屏蔽技術。發射聲屏蔽技術能有效抑制沿直達信道到達接收站的直達波分量而不削弱目標回波分量，并且無需接收端再進行屏蔽處理。利用發射聲屏蔽技術，雙基地聲吶能實現對基線盲區內目標的有效檢測。

1 雙基地聲吶發射聲屏蔽技術

1.1 雙基地聲吶探測盲區

典型的雙基地聲吶系統由遠距離分布的發射站和接收站組成，并基于合作方式對目標進行探測。雙基地聲吶具有獨特的探測優勢，然而卻難以探測到基線區內的目標，使其覆蓋范圍內存在探測盲區。圖1為雙基地聲吶盲區示意圖，圖中所示為雙基地聲吶發射站、接收站與目標1、目標2在水平面的投影位置。目標1遠離虛線區域，回波1經歷的總傳播距離明顯大于直達波傳播距離，回波1沿不同入射方向，落后于直達波到達接收站。目標2位于虛線區域內，回波2與直達波傳播距離幾乎相同，并沿與直達波幾乎相同入射方向，同時，同向達到接收站。當目標位于虛線區域中時，目標回波在強直達波干擾下難以被雙基地聲吶檢測與分辨。虛線所示的雙基地聲吶基線附近區域即為雙基地聲吶探測盲區。

圖1 雙基地聲吶探測盲區示意圖Fig. 1 The dead zone of bistatic sonar

目標回波盡管與直達波波達方向一致，但二者歷經了不同的傳播路徑(信道沖激響應)，相異的多途信道結構為在直達波干擾下檢測，分辨目標回波提供了可能。

1.2 發射聲屏蔽

Kuperman等將時間反轉鏡應用于混響抑制與回波增強[6]，該方法被推廣為聲屏蔽。聲屏蔽也被用于屏蔽其他方向干擾源[7]，但其獨特的優勢在于能克服傳統陣列信號處理無法分辨同一方向上的不同聲源的缺陷[8]。當期望信號與非期望信號到達接收站的信道結構存在明顯差異時，聲屏蔽技術可在保留期望信號的同時，屏蔽來自干擾源的非期望信號。上述文獻與應用中，聲屏蔽處理均是在接收端進行，這里稱其為接收聲屏蔽。利用信道信息的信號處理過程不只可以在接收端進行，也可以在發射端[9]預先實現。針對雙基地聲吶存在探測盲區的缺陷，本文將發射端預處理技術與接收聲屏蔽相結合，提出了雙基地聲吶發射聲屏蔽技術，用來實現雙基地聲吶盲區內的目標探測。

發射聲屏蔽利用已知的信道狀態信息對原始發射信號進行預處理，能夠抑制經歷特定傳播路徑到達接收站的信號成分，即能夠屏蔽發射站到特定空間位置處的信號傳播。

設雙基地聲吶發射站為M元發射陣，接收站為單陣元接收。從各發射陣元到接收站的直達波干擾所經歷的時域信道可以表示為hi=[hi,1,hi,2,…,hi,M]，從各發射陣元經目標反射到接收站的目標回波所經歷的時域信道可以表示為hs=[hs,1,hs,2,…,hs,M]。對應的，信道在頻域可以表示為Hi=[Hi,1,Hi,2,…,Hi,M],Hs=[Hs,1,Hs,2,…,Hs,M]，其中，Hm=FFT(hm),m=1,2,…,M。

當未發現目標或回波信道信息未知時，發射聲屏蔽只用來屏蔽直達波信號，此時屏蔽權為

(1)

式中:I為M×M維單位陣。

利用屏蔽權對原始信號預處理后，得到自屏蔽發射信號:

(2)

式中:S為發射陣原始發射信號。

接收信號為

(3)

如式(3)所示，自屏蔽信號經直達信道在接收站處響應為零，接收站只接收到本地噪聲。

當檢測到目標并已獲得回波信道信息時，發射聲屏蔽在屏蔽直達波信號時，可實現對回波信號的聚焦，此時聚焦屏蔽權為

(4)

利用聚焦屏蔽權預處理原始信號后，得到聚焦自屏蔽發射信號

(5)

接收信號為

Y=ZHi+ZHs+N=

(6)

根據式(3)，在理想條件下(完全準確估計出信道信息)，發射聲屏蔽技術能夠在接收站空間位置處自動形成對直達信號的屏蔽，完全抑制接收站處對直達波的響應，無需接收站再進行任何屏蔽算法的處理。發射聲屏蔽節省了接收站屏蔽算法處理的開銷，因而能夠大幅減小接收端的算法處理復雜度和運算量，節省系統資源。相較于接收聲屏蔽，發射聲屏蔽適用于各種單陣元接收，或受限于載體尺寸接收陣元較少的水聲信號處理平臺。此外，接收陣中水平陣相對較多，在發射端采用垂直陣進行發射，有助于提高屏蔽效果。根據式(6)，發射聚焦聲屏蔽算法在抑制直達波的同時，能夠實現對目標回波的聚焦增強。

相比于接收聲屏蔽，發射聲屏蔽的另一大優點在于避免了接收端屏蔽權對噪聲的放大作用且不會影響噪聲的統計特性。發射聲屏蔽流程如圖2。

圖2 發射聲屏蔽流程圖Fig. 2 The flow chart of the transmission shielding

1.3 基于正交匹配追蹤的發射聲屏蔽信道估計

獲得發射聲屏蔽的屏蔽權需要預先對信道進行估計，信道估計的質量將嚴重影響對直達波信號的抑制效果。文獻[10]中給出了一種高干噪比下的接收聲屏蔽屏蔽權的獲得方法，這里稱其為頻域法，該方法不需估計出信道，能直接對屏蔽權進行估計。但該方法對噪聲能量十分敏感，實際應用限制較大。時反鏡聚焦技術估計信道時常采用的相關法[11]也與聲屏蔽對信道的估計需求不匹配。其估計時域信道時，引入的大量增生途徑，破壞了信道的時域結構與頻域特征。

發射聲屏蔽要求信道估計算法能準確估計多途信道途徑的數目。Cotter等采用匹配追蹤(matching pursuit，MP)算法對稀疏信道進行估計[12]，驗證了MP算法比最小二乘法能更準確的估計出多途信道途徑數目。正交匹配追蹤(orthogonal matching pursuit, OMP)算法[13]加快了MP算法的收斂速度，同時準確估計多途信道途徑數目的能力強于MP算法。本文采用OMP算法作為發射聲屏蔽技術的信道估計算法。采用OMP算法估計信道步驟如下。

記信道沖激響應函數h，信道長度為L，字典

第k次迭代時，從字典中找出與觀測信號相關系數最大的原子，得到對應的索引:

(7)

更新索引集λk=λk-1∪{λk}，由最小二乘可得

‖y-Sλkh‖

(8)

2 基于發射聲屏蔽的雙基地聲吶盲區目標檢測

2.1 雙基地聲吶直達波屏蔽級

如圖3所示，雙基地聲吶的發射站，接收站與目標在同一垂直平面，目標位于雙基地聲吶基線上，即目標回波與直達波波達方向一致。仿真中，發射站采用四元垂直發射陣，陣元位置依次為(0,10)，(0,13)，(0,16)，(0,19)，接收站采用單陣元接收，布放位置為(4 000,30)。目標位于(1 500,50)。 聲速剖面采用海洋實際測量數據，水深70 m，見圖3。

圖3 探測基線目標示意圖及聲速剖面Fig. 3 The model of detecting the target on the baseline and sound speed profile

各發射陣元到接收陣元的多途信道根據射線聲學模型計算得到，海底為三參數模型。圖4為發射站各陣元到接收站的子信道圖。信道擴展長度約100 ms。各途徑幅度為以最大途徑幅度歸一化后的相對值(相鄰途徑時延差小于采樣間隔時，顯示為合成后的等效途徑，其相對幅度可大于1)。原始信號為脈寬500 ms，帶寬1～4 kHz的LFM信號。采樣頻率10 kHz。

考查發射聲屏蔽技術對雙基地聲吶直達波干擾的抑制能力及不同信道估計方法對其的影響。假定此時目標尚未出現，接收信號中不含有目標回波。圖5為發射原始信號時的接收信號頻譜。直達波干擾強于噪聲20 dB，即INR=20 dB(總能量的比)。作為干擾的直達信號遠強于背景噪聲。

(a) 子信道1

(b) 子信道2

(c) 子信道3

(d) 子信道4圖4 雙基地聲吶直達波信道Fig. 4 The direct wave channel of bistatic sonar

圖5 發射原始信號時的接收信號頻譜Fig. 5 The frequency spectrum of receiving signals when transmitting the original signal

分別采用由真實信道，頻域法、相關法、OMP法估計的信道獲得的屏蔽權來處理原始發射信號，得到4組自屏蔽信號。

圖6 發射聲屏蔽下的接收信號與直達信號分量

圖6分別為發射上述4組自屏蔽信號時的接收信號與純凈的直達信號分量。根據圖6(b)，發射聲屏蔽理論上能夠在接收端完全抑制直達波信號。根據圖6(d)、(f)、(h)，發射聲屏蔽屏蔽效果與信道估計質量有關，圖示干噪比下，基于OMP法的發射聲屏蔽能力最佳，基于相關法的屏蔽能力最差。根據圖6(c)、(e)、(g)，基于頻域法和相關法的發射聲屏蔽，在接收信號中仍可分辨出明顯的直達波分量，從而引起接收端的虛警；而基于OMP法的發射聲屏蔽能夠將強直達波壓制到背景噪聲以下，不會造成接收端的虛警。

為了定量衡量發射聲屏蔽對直達波的抑制效果，引進屏蔽級的概念。屏蔽級:發射聲屏蔽處理前接收信號中干擾信號的能量指標與發射聲屏蔽處理后該指標的比值。屏蔽級越高，表明屏蔽效果越好。

定義最大幅度屏蔽級與平均幅度屏蔽級分別為

(9)

(10)

式中:Po為發射原始信號時的接收信號帶內頻譜，Ps為發射自屏蔽信號時的接收信號帶內頻譜。

圖7為采用3種信道估計方法時，發射聲屏蔽對直達波的屏蔽級隨干噪比變化關系。可以看出，相關法受算法自身局限性，其對應的屏蔽能力受干噪比影響較小，在干噪比上升到一定程度后(約10dB)，發射聲屏蔽對直達波的抑制能力不再提高。而采用頻域法時，發射聲屏蔽對直達波的抑制能力與干噪比成正相關變化。采用OMP算法估計信道時，發射聲屏蔽對直達波的抑制能力隨干噪比增加而顯著增強。盡管在干噪比到達一定程度后(約20dB)，屏蔽能力趨于穩定，但是在常規的干噪比變化范圍內，OMP方法對應的屏蔽級均優于其他兩種方法。

圖7 不同信道估計法下的屏蔽級Fig. 7 The shielding magnitude with different channel estimation methods

表1 聲速剖面2

表2、3給出了不同信道條件下，發射聲屏蔽的平均幅度屏蔽級。聲速剖面1已由圖3給出，聲速剖面2為三亞附近海域的實測數據，如表1所示。聲速剖面1對應的發射陣元深度依次為10、13、16、19 m；聲速剖面2對應的發射陣元深度為10、15、20、25 m。表2為信道隨距離變化時的平均幅度屏蔽級，此時聲速剖面1、2對應接收深度均為40 m。表3、4為信道隨接收深度變化時的平均幅度屏蔽級，此時聲速剖面1、2對應傳播距離同為4 km。

根據表2、3結果，最小屏蔽級發生在聲速剖面2，35 m接收深度對應情況。此時發射聲屏蔽仍能將直達波壓制到背景噪聲以下，接收端不會發生虛警情況。綜合分析，發射聲屏蔽在不同信道條件下，均對直達波干擾有良好的屏蔽效果。

表2 信道隨距離變化時的平均幅度屏蔽級

表3 不同接收深度下的平均幅度屏蔽級

2.2 基于正交匹配追蹤的發射聲屏蔽信道估計

2.2.1 基于發射聲屏蔽的目標回波檢測

如圖3所示，目標在雙基地聲吶基線上，位于雙基地聲吶探測盲區中。此時目標回波為期望信號，直達波為干擾信號。下面考查雙基地聲吶對盲區內目標的檢測能力。

圖8為SIR=-20 dB，分別發射原始信號與自屏蔽信號時的信號檢測結果。圖8(a)、(c)分別為發射原始信號時，不含有和含有目標回波的接收信號，在未對直達信號進行抑制時，接收站難以從中檢測出回波信號分量，即無法實現對盲區內目標的檢測。圖8(b)、(d)顯示出，當發射自屏蔽信號時，直達信號已經被壓制到背景噪聲級以下，而且當出現目標時，已可以從接收信號檢測出目標回波。比較圖8(e)、(f)，發射聲屏蔽技術只抑制了直達波而并未削弱目標回波信號。

2.2.2 基于發射聚焦聲屏蔽的目標回波檢測

雙基地聲吶在以上實現對盲區目標探測的過程中，只是利用了直達波信道結構特性對直達信號進行抑制，并未對回波信號進行任何增強處理，屬于純屏蔽抑制。下面考慮在抑制直達波的同時，增強回波能量，以提高雙基地聲吶探測盲區目標的能力.假設接收站已獲知回波信道結構特性，可以采用章節1.2中的發射聚焦聲屏蔽技術。

圖8 發射原始信號、自屏蔽信號時的回波檢測結果

圖9 發射聚焦自屏蔽信號時的回波檢測結果Fig. 9 The echo detection result when transmitting the self-shielding signal

采用發射聚焦自屏蔽技術，圖9(a)為不存在目標時的接收信號，圖9(b)為存在目標時的接收信號。比較圖9、圖8，發射聚焦聲屏蔽能夠增強目標回波能量，雙基地聲吶利用發射聚焦聲屏蔽能進一步提高對基線盲區內目標的檢測能力。

相對于單純的發射聲屏蔽，發射聚焦聲屏蔽還應當注意：采用的直達信道為估計信道，無法達到理想情況下的完全屏蔽，存在屏蔽殘量，而發射聚焦聲屏蔽增加了回波信道成分，會影響屏蔽殘量，甚至會放大屏蔽參量。

2.2.3 目標回波模型說明

目標位于雙基地基線上，與發射站、接收站處于同一垂直面內。由射線聲學模型計算出發射陣到達目標的本征聲線及相應的入射角、時延、衰減等信息。將每一根入射到目標的聲線，視為在垂直面內，以一定俯仰角入射到目標的獨立平面波束，其在垂直面內的散射分布服從目標的散射函數。同樣根據射線聲學模型，計算該散射波達到接收站的本征聲線，最終模擬得到回波信道。仿真中，散射函數為硬球指向性函數，見[14]，其中ka=4，a為小球半徑，k為介質中的聲波波數，k=2π/λ，λ為波長。

圖10為該仿真條件下，發射站到接收站回波信道結構。本文的研究重點為對直達波的抑制，對回波模型、回波信道的仿真精確度要求較低，根據前文結果，當回波信道與直達波信道不具有高相關性時，發射聲屏蔽均適用于雙基地聲吶的盲區目標探測。

(a) 子信道1

(b) 子信道2

(c)子信道3

(d) 子信道4圖10 雙基地聲吶回波信道Fig. 10 The echo channel of bistatic sonar

仿真結果表明基于OMP法的發射聲屏蔽在常規干噪比范圍內可以將直達波抑制到背景噪聲級以下,在不引起接收站虛警情況下，實現對盲區內目標的回波信號檢測。在已知回波信道條件下，發射聲聚焦屏蔽能獲得對目標回波的聚焦增益，進一步提高對盲區目標的探測能力。

3 結束語

通過本文研究得出以下結論。發射聲屏蔽技術無需接收端處理，就能夠在強直達波干擾下檢測到同向目標回波，實現雙基地聲吶對基線盲區內的目標檢測。在已知回波信道條件下，發射聲聚焦屏蔽能獲得對目標回波的聚焦增益，進一步提高對盲區目標的探測能力。發射聲屏蔽技術對信道估計精度要求較高，如何在低信道估計精度下保證屏蔽效果將是下一步的工作重點。

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Transmission shielding technology for bistatic sonar

LU Jia1,2,SHENG Xueli1,2,3, LING Qing3,DONG Weijia1,2,WU Feiyun4,SUN Xiaoyi1,2

(1.Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3.Science and Technology on Complex Ship Systems Simulation Laboratory, Beijing 100161, China; 4.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technique of the Ministry of Education, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

The area near the baseline is a dead zone for bistatic sonar. The echo and the strong direct wave will arrive in the same place simultaneously when the target is in the baseline area and the direct wave suppression method based on a spatial filter will fail. To detect targets in the dead zone, a transmission shielding method for a multi-element transmit system is proposed. The transmission shielding automatically suppresses the direct wave at the receiving station utilizing structural differences in multiple channels between the echo and the direct wave. The transmission shielding further focuses on the echo, so as to improve the Signal-Noise Ratio, using known echo channel information. The simulation results show the transmission shielding method can suppress direct wave interference for different multipath channels. Bistatic sonar can detect targets in the baseline area utilizing the transmission shielding method.

transmission shielding; bistatic sonar; target detection; dead zone; direct wave suppression; self-shielding signal; orthogonal matching pursuit

2015-03-27.

時間：2015-07-28.

國家自然科學基金資助項目(51179034)；海洋工程國家重點實驗室(上海交通大學)資助項目(1211).

蘆嘉(1987-), 男, 博士研究生； 生雪莉(1977-), 女, 副教授.

生雪莉, E-mail：shengxueli@aliyun.com.

10.3969/jheu.201503084

TB332

A

1006-7043(2015)09-1177-06

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20150728.1414.005.html