主動聲納空時自適應處理算法研究?

李玉偉 周敏佳（.海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室上海008）（.海軍駐無錫地區軍事代表室無錫4000）

主動聲納空時自適應處理算法研究?

李玉偉1周敏佳2
（1.海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室上海201108）
（2.海軍駐無錫地區軍事代表室無錫214000）

為了提高混響背景下聲納的檢測性能，十分有必要進行抗混響信號處理算法研究。針對混響抑制的算法很多，論文重點研究了主動聲納空時自適應處理（Space Time Adaptive Processing，STAP）技術，詳細分析了空時自適應處理算法的原理和流程。在混響背景下對算法進行了仿真分析，具有較為理想的抗混響效果，為其工程實現奠定了理論基礎。

聲納檢測；混響抑制；空時自適應

Class Num ber TN911

1 引言

在淺水環境下，混響嚴重地影響著主動聲納的檢測性能。當聲納載體運動時，不同方位的混響具有不同的多普勒頻移，使得聲納陣元級的混響在頻譜上呈現大幅擴展的現象，采用常規波束形成難以有效消除由旁瓣進入接收機的混響。然而，當目標相對于聲納具有非零的徑向速度時，在聲納接收信號的方位/頻移二維平面上目標回波同混響是分離的，從理論上講兩者是可以區分開來的［1~2］。

1973年Brennan等首次提出了空時自適應處理（Space Time Adaptive Processing，STAP）的概念，空時自適應處理充分利用運動平臺接收混響的空時結構特性，對回波進行空時二維自適應處理，可以有效地補償雷達的平臺運動效應，從而在理論上獲得理想的雜波抑制性能，達到最佳的檢測效果。聲納混響的產生機理和部分特性同機載雷達的地物雜波非常相似，STAP方法也可以在聲納抗混響處理中發揮作用［3］。

2 空時自適應處理算法研究

2.1 原理說明

STAP思想實質上是將一維自適應濾波技術推廣到時間與空間二維域中。空時自適應處理器是一個線性濾波器，它將要檢測的一個距離門內的所有接收數據組合成一個標量輸出，波束形成和多普勒分析同時進行。該方法的出發點是利用了干擾及噪聲的平穩性（或局部平穩性），通過對待檢數據附近干擾及噪聲的統計特性進行估計來給出待檢數據的最優加權系數［4］。

圖1為空時濾波進行空時雜波抑制的原理。

在圖1中可以看到沿方位/多普勒平面對角線運動的雜波譜。采用空時自適應濾波時，空時濾波器工作在整個多普勒/方位平面上，濾波器沿雜波譜的軌跡形成了非常窄的凹槽，使得甚至慢速目標可能落入通帶并能被探測到。同時，空時雜波抑制濾波器工作在多普勒/方位平面內，所以空時濾波器具有自身運動補償能力。

2.2 最佳空時自適應處理

考慮一N元的等距線陣，時域采樣點數為K。設xnk表示第n個陣元第k次時域采樣的數據，其中n=1，2，…，N，k=1，2，…，K，則空時二維采樣數據可以表示為

式中Xs，k=[x1，k，…，xn，k]T表示第k次空間快拍數據，T表示轉置。

求解每一次空時采樣點xnk的加權系數wnk，然后將所有的空時采樣進行復加權并求和輸出，可以表示為

最優濾波器描述為如下的線性約束最小化問題。

通過求解式（3），可以得到空時二維最優處理器的權矢量Wopt為

式中：μ=(SHR-1S)-1表示歸一化復常數，W表示NK*1維的處理器的權矢量。R=E[XXH]表示由接收數據形成的協方差矩陣。S表示空時二維導向矢量，表達式為S=St(wt)?Ss(ws)，即兩者的kronecker乘積，wt和ws分別為時域和空域角頻率。等距線陣的時域導向矢量St(wt)和空域導向矢量Ss(ws)分別具有以下的形式：

式中wt=2πfd/fs為歸一化的時域角頻率，fd為多普勒頻移，fs為時間采樣頻率；ws=2πd cosψ/λ為歸一化的空域角頻率，d為線陣相鄰陣元間隔，λ為波長，ψ為探測方向（視角）與線列軸線的夾角，稱為錐角。

從式（4）可以看出，表達式由雜波協方差逆矩陣和目標矢量兩部分組成，第一部分相當于對雜波進行白化，后一部分相當于對目標信號進行空域的波束形成和時域的匹配濾波，因此，其實質是廣義的維納最優匹配濾波器［5］。

2.3 降維空時自適應處理

最佳空時自適應處理的難點在于計算量巨大，混響背景的估計不準，造成最佳空時自適應處理性能下降，甚至算法無法進行，同時帶來了系統復雜程度和成本的增加。十分有必要降維空時處理的研究。本文中重點介紹兩種應用前景較大的方法［6］。

1）時空級聯自適應處理（TSA）

TSA方法是常規處理方法的擴展，該方法同時涉及信號的時間和空間處理，而且在比較理想的情況下可以取得較好的結果，可以將其視為一種廣義的STAP方法。

TSA方法先用深加權的時域濾波器預處理，將接收信號變成一組窄帶信號，在時域先抑制大量的雜波，再對窄帶信號進行自適應波束形成，用來抑制剩余的雜波。其基本思想就是用一組多普勒濾波器，對混響譜進行窄帶分割，使每個多普勒通道輸出的混響在空域上僅位于一小錐角區。在非主混響區，小錐角區混響與目標在空域上可分離，后續自適應空域處理將小錐角區的混響有效濾除［7］。

2）局域聯合處理（JDL）

局域聯合處理（JDL）是由Wang H等提出，是一種將原始數據變換到角度-多普勒域的降維方法，能夠大大降低處理的維數。其基本原理是：首先對空時二維數據進行二維傅里葉變換，將雜波限制在某一很小的局域范圍內；然后在待檢測的通道附近選擇一個矩形的區域對其進行聯合的空時自適應處理。這一做法可以有效降低系統的自由度，Wang H的研究表明，通常采用3′3的通道就可以達到較好的檢測效果。這意味著不論原始數據包含多少陣元和時域采樣數，通過該算法均可以將其進行有效的降維。當存在較大的幅相誤差或環境較為復雜時，JDL方法可以通過增加局域處理的大小，以便能夠得到較好的處理效果［7］。

3 空時自適應處理仿真結果

使用水聲學中廣泛應用的單元散射模型對CW信號混響進行仿真，CW信號的中心頻率f0= 3KHz，脈寬T=40ms，且仿真目標回波的方位為65°，頻移為30Hz，目標的運動速度15節，信混比為-10dB。圖2和圖3給出了CW信號混響仿真數據常規處理與空時自適應處理的對比圖。

3.1 常規處理

常規處理為對回波信號進行空域的常規波束形成，再進行時域上的匹配濾波，以獲得回波的方位和速度信息［8~9］。

3.2 空時自適應處理

對于同樣的仿真數據，使用空時自適應算法進行處理，空域和時域的處理同時進行，并根據背景信息實時的給出最優加權系數（數據量小時，進行全維處理以取的最佳處理效果；數據量大時，為保證運算效率，采取降維處理的措施），加權到空時導向向量，作用于回波數據，在減小混響的干擾的同時，保證目標信息不受損失，從而更有效地提取到目標的方位和速度信息。

從圖4和圖5的仿真結果可以看出，在混響背景下檢測，進行常規處理時，信號存在強混響的干擾，因而十分有必要進行混響的抑制。在進行空時自適應處理后，混響得到一定的濾除，目標的方位、速度信息更易提取，目標的檢測能力得到很大的提升。

4 結語

本文詳細分析了空時自適應處理算法的原理和流程。全維空時自適應處理算法運算量巨大，無法滿足實時性要求。本文詳細介紹了水聲領域比較有應用前景的降維空時自適應處理算法，進行了混響背景下目標信號檢測的仿真工作，對比常規處理，取得了一定的抗混響效果。

實際海洋環境的波動劇烈，輔助樣本的不準確，將會使算法性能下降甚至失效，因此論文后續將繼續研究穩健自適應算法研究，提高算法的穩定性，為其工程實現提供有益的支撐。

［1］王永良，彭應寧著.空時自適應信號處理［M］.北京：清華大學出版社，1999.

［2］王磊，朱埜，孫長瑜.空時處理及在混響抑制中的應用［J］.1994-2014 China Academ ic Journal Electronic Pub?lishing House，2003，15（3）：185-187.

［3］Richard Klemm著，南京電子技術研究所譯，空時自適應處理原理［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［4］Reed IS，MalletJd，BrennanLE，Rapid coverage rate in adaptivearrays［J］.IEEETrans.AES，1974：135-146.

［5］張林讓，廖桂生，保錚.利用空間平滑提高小快拍數時的自適應波束形成性能［J］.西安電子科技大學學報，1997，24（2）：133-139.

［6］Wang H，LiuKJR，Anderson H.spatial smoothing for ar?rays with arbitrary geometry［J］.IEEE Trans ASSP，1994：256-263.

［7］陳建文，王永良.空時自適應處理典型方法綜合性能評估［J］.系統工程與電子技術，2000，22（1）：42-46.

［8］鄢社峰，馬遠良著.傳感器陣列波束優化設計及應用［M］.北京：科學出版社，2009.

［9］張小飛，汪飛，徐大專.陣列信號處理的理論和應用［M］.北京：國防工業出版社，2010.

［10］Reed I，MallettJ，Brennen L.rapid convergence rate in adaptive arrays［J］.IEEE Transaction on aerospace and electronic systems，1998：145-148.

Space Tim e Adap tive Processing A lgorithm for Active Sonar

LIYuw ei1ZHOU M ingjia2
（1.Navy Representative Office of Acoustic Navigation System in ShanghaiArea，Shanghai 201108）（2.Navy RepresentativeOffice inWuxiArea，Wuxi 214000）

In order to improve the detection effect of the sonar，it?s necessary to research the anti-reverberation algorithm of signalprocessing.Thispaper focuseson technology ofspace timeadaptive processing（STAP）ofactive sonar.The principleand pro?cess of the algorithm of STAP are analyzed in detail.Simulation work of STAP is carried at under background of reverberation，Com?pared with traditionalmethod，STAPhas advantage in anti-reverberation and achieves a certain effect，and lays theoretical founda?tion forengineering implementation.

sonar detection，anti-reverberation algorithm，space time adaptive processing

TN911 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.030

2016年11月7日，

2016年11月20日

李玉偉，男，碩士，助理工程師，研究方向：水聲信號處理技術與應用。