基于矢量直線陣的聲屏蔽聚焦權濾波器技術研究?

陶 智

（海裝裝備項目管理中心 北京 100071）

1 引言

艦船等移動平臺的自噪聲對自身搭載的聲納的產生干擾，限制聲納系統性能的發揮，這是水聲工程技術不斷發展和廣泛應用需要面對的課題。

拖曳線列陣探測目標就是一個典型的在強干擾背景下實現對低信噪比信號探測的問題。近年來水面艦船拖曳聲納得到很大發展，這種聲納的換能器裝置能脫離船體通過機電拖纜拖于水中，且可調節拖纜長度改變拖曳體與艦船的距離和下潛深度。因為換能器基陣遠離艦體輻射噪聲源，于是艦船的自噪聲對基陣的影響變小，也避免了艦船尾流對基陣的影響，但拖船噪聲仍是基陣的強干擾，是一類相干源干擾，它在陣的端向產生探測盲區，影響拖曳線列陣的測性能，于是抗拖船干擾［1］成為一大難題。

拖船干擾噪聲的抵消問題一直以來都是拖曳線列陣信號處理的難題。空間相位差噪聲抵消法、雙線陣相減處理噪聲抵消法和自適應干擾抵消法［2］是目前拖曳線列陣抵消本艦噪聲的基本方法。空間相位差噪聲抵消法是利用信號和干擾處于不同位置而產生相位差的原理從基陣輸出估計期望信號。雙線陣相減處理噪聲抵消法是利用了雙線列陣的偶極子特性，對兩陣的輸出相減再進行波束形成［3］，從而達到抑制本艦噪聲的作用。自適應干擾抵消是將干擾信號抵消掉，具體做法是將接收到混有干擾的信號與參考信號進行比較。因此這種方法的關鍵問題是參考信號一定要和干擾信號具有一定的相關性，并且不能和要提取的有用信號具有相關性。

本文研究的矢量聲屏蔽聚焦權濾波器技術可以屏蔽拖船干擾對矢量拖曳線列陣的影響，從而探測到目標點源。聲屏蔽聚焦權濾波器技術可以對相同方位的信號進行屏蔽，探測到同一方向上所需要的目標。矢量聲屏蔽技術與標量聲屏蔽技術［4～6］相比，它的主旁瓣比更高，更能容易實現對目標的檢測，因此屏蔽效果更好。

聚焦就是將能量聚集于一點，來源于光學中我們熟悉的凸透鏡使光線聚焦于焦點理論。聲聚焦就是把聲能聚集到某個區域，從而獲得目標的位置實現探測目標的性能。聲聚焦的實現方法有相控陣聚焦、聲透鏡聚焦和球面自聚焦等。聲聚焦最先應用于醫療領域的超聲聚焦，它將超聲波的能量聚焦于體內腫瘤處，通過聚焦的能量讓腫瘤細胞壞死，從而實現治愈腫瘤。現在聲聚焦被應用到很多領域，比如超聲醫學成像、超聲治療、水聲成像技術、石油開發與探測等。本文研究的是被動聲聚焦，它可以實現被動探測目標。

聲屏蔽來源于W.A.Kuperman 等［7～9］曾提出過“Reverberation Nulling”，即抑制混響。本文分析的聲屏蔽聚焦權濾波器技術是降低對某個區域內的接收響應，從而實現抑制掉干擾源的目的。聲聚焦和聲屏蔽都可以通過時間反轉鏡技術來實現。論文研究的矢量聲屏蔽聚焦技術是對干擾目標進行屏蔽，對被探測目標實現聚焦。

2 多途信道中矢量聲聚焦技術

多途信道模型根據的是射線聲學理論，它由一系列的本征聲線組成，并且假設本征聲線的條數為N 條，而且每條聲線均是沒有色散的，即點源到陣元的信道沖激響應函數可以用一個延時的δ 脈沖來表示，由多途信道模型，知第i 條本征聲線的信道沖激響應函數為Aiδ(τ-τi)，其中Ai和τi是本征聲線的的幅度和時延參數。則信道沖激響應函數［10～12］為

對其作傅里葉變換，得到信道的頻率響應為

假設有點源S ，輻射信號為s(t)，單水聽器接收信號采用時間反轉鏡技術對基陣接收信號進行處理，輸出為

其中:rs為信號的位置，r0為水聽器的位置。

Asi和τi分別表示點源到基陣的第i 條本征聲線的幅度因子和時延因子，r為掃描點。則有:

當掃描到點源時，即r=r0，τi=τ'i 時，近似得到的結果:

由式（7）可以看出得到了聚焦輸出，近似為原信號的波形，僅在幅度上發生了變化。這樣便實現了多途到達水聽器的接收信號在經過虛擬時間反轉鏡技術處理后同相迭加，產生了聚焦峰。以上為時間反轉鏡實現矢量聲聚焦的原理。

3 矢量聲屏蔽技術

研究利用時間反轉鏡技術來實現矢量聲屏蔽的算法。若環境中有兩個點源，分別為s 和sn，期望檢測到s，即在該點實現聚焦，而屏蔽掉sn，兩個信號的信道頻率響應分別為

即在聲壓信道基礎上增加了x方向和y方向上振速信道的沖激響應頻譜，在海洋波導中，鉛直方向為駐波，只考察水平方向的振速，因此只應用水平方向振速信道頻率響應。

其中:聲壓的、x 方向振速的、y 方向振速的信道沖激響應頻譜分別為

式中:N 為陣元數。

在多途信道中，最佳屏蔽聚焦權應在聚焦權的基礎上增加一個屏蔽聚焦因子，且有:

其中I 為3N×3N 維的單位矩陣，令Wc為屏蔽權，為

矢量聲屏蔽聚焦的原理框圖如圖1 所示，該屏蔽權相當于一個空間濾波器，它對矢量陣接收到的信號作傅里葉變換，然后與屏蔽權相乘，即對接收到的信號進行濾波，最后得到的輸出便信號就會使得干擾被屏蔽掉了，并且對目標信號實現了聚焦，從而實現在干擾中實現對目標的探測。

圖1 矢量聲屏蔽的原理框圖

則該濾波器的輸出信號為

其中:

是目標信號通過該濾波器得到的輸出。而

因此，干擾信號通過該濾波器后輸出為零。即

從式（17）中可以看出Yn=0，說明sn這個干擾確實被屏蔽掉了，并且式（18）中的第一項為時間反轉鏡聚焦輸出，并且第二項為一個小量。當時，就只有第一項，為時間反轉鏡聚焦輸出，達到最優的聲屏蔽聚焦效果。

從上面的分析可以說明矢量聲屏蔽的基本原理，就是在在聚焦權的基礎上增加一個屏蔽因子。對其加上一個歸一化因子后屏蔽權表示為

4 矢量聲聚焦技術仿真分析

仿真條件:海深50m，5陣元等間距水平直線矢量陣，陣元間距為4m，基陣等深度布放，深度為45m，等聲速梯度分布，聲速取1450m/s。采樣頻率取20kHz，積分時間為1s。目標的深度為10m，干擾與目標等深。運用多途信道聲線模型，目標位置為（470，10）m，即目標距離一號陣元的水平距離為350m，干擾位置為（350，10）m。

圖2 不同頻帶下矢量聲聚焦仿真結果

當目標信號與干擾信號等功率大小時，在不同的頻率范圍時矢量聲聚焦仿真結果如圖2 所示，通過仿真不同陣元數下聚焦的圖像可以發現，其中圖（a）為200Hz～1200Hz 帶寬，圖（b）為2200Hz～3200Hz 帶寬，圖（c）為4200Hz～5200Hz 帶寬，圖（d）為200Hz～9600Hz。圖3 為陣元數為8 和11 兩種情況下的聲聚焦仿真結果。

圖3 不同陣元數下矢量聲聚焦仿真結果

當陣元間距不變，改變陣元數時，陣元個數越多，主旁瓣比就越高，當帶寬一樣時，如果頻率越高則主旁瓣比也越高，聚焦峰的寬度越窄，即分辨率越高。

5 單干擾聲屏蔽聚焦權濾波器技術仿真分析

如圖4 所示，圖（a）為信號與噪聲等功率，即0dB 時的聲聚焦仿真結果，圖（b）為信噪比為-20dB時的聲聚焦仿真結果。

從圖4 可以發現，當信噪比較大時，聲聚焦可以同時對目標和干擾進行檢測。但是當信噪比比較低時，如-20dB時，如圖4（b）所示，由仿真圖像可以看出目標信號無法被檢測到，而是完全被淹沒在了干擾信號中。在信噪比較低的情況下，聲屏蔽聚焦技術就能解決這個問題，從而實現對干擾目標的屏蔽，于是被用來實現對強干擾中對弱目標的檢測。

圖4 不同信噪比情況下對干擾和目標均聚焦仿真結果

圖5 對目標聚焦對干擾屏蔽仿真結果

運用了聲屏蔽聚焦權后的仿真結果如圖5 所示，從仿真圖像可以看出，當在低信噪比-20dB 時，運用了聲屏蔽聚焦技術后，實現了對干擾進行屏蔽，從而在該處形成了零陷，對目標信號進行聚焦。對比分析聲壓陣和矢量陣，可以發現，在陣元數、陣元間距、信號相同的條件下，圖5（b）為矢量陣運用聲屏蔽聚焦技術的仿真結果，圖5（a）為聲壓陣仿真的結果，可以發現矢量陣仿真的結果其旁瓣低于聲壓陣，從而更加有利于探測到目標。

6 結語

聲聚焦技術的原理與普通的波束形成的本質是一樣的，都是進行時延或相移補償。本文分析研究了利用虛擬時間反轉鏡技術也可以實現陣的空間矢量聲聚焦，從時域對多途信道中的矢量聚焦波束形成進行了介紹，然后從頻域分析研究了矢量陣利用時間反轉鏡技術實現聲聚焦的原理，再從頻域出發研究了聲屏蔽聚焦權濾波器的基本原理，就是在聚焦權的基礎上增加一個屏蔽因子，從而實現對干擾的屏蔽。最后通過計算機仿真研究，驗證了矢量直線陣的聲屏蔽聚焦權濾波器抑制干擾的性能。