強(qiáng)噪聲干擾條件下的水下弱聲源定位技術(shù)

鄭勝家 鄭文杰 舒劍

摘? 要：文章針對(duì)強(qiáng)噪聲干擾條件下的水下弱聲源匹配場(chǎng)定位問題，提出離散噪聲源干擾抑制的多傳感器陣列匹配場(chǎng)處理技術(shù)。通過建立最優(yōu)化問題，約束最優(yōu)權(quán)向量，使其滿足對(duì)觀測(cè)方位的波束響應(yīng)無失真，而對(duì)強(qiáng)干擾噪聲源方位的響應(yīng)為零，推導(dǎo)得出上述條件下匹配場(chǎng)模糊度函數(shù)的最小方差解。通過弱聲源位于強(qiáng)干擾噪聲源正下方的實(shí)例，驗(yàn)證了所提出方法的有效性。仿真結(jié)果表明，在信干比為-10dB情況下，利用所提出的方法實(shí)現(xiàn)了水下弱聲源的匹配場(chǎng)定位。

關(guān)鍵詞：匹配場(chǎng)處理;分布式多傳感器陣列;定位

中圖分類號(hào)：TB556? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）03-0033-02

Abstract： Aiming at the localization problem of underwater weak sound source matched field processing under the condition of strong noise interference， this paper proposes a multi-sensor array matched field processing technology for discrete noise source interference suppression. By establishing the optimization problem and constraining the optimal weight vector so that the beam response to the observed azimuth is undistorted and the response to the strong interference noise source azimuth is zero， the minimum variance solution of the output power of the matched field processor under the above constraints is obtained. The effectiveness of the proposed method is verified by an example where a weak sound source is located directly below a strong interference noise source. The simulation results show that， with the signal-to-interference ratio of -10dB， the proposed method is successfully used to locate the underwater weak sound source.

Keywords： matched field processing; distributed multi-sensor array; localization

1 概述

在水聲多傳感器陣列信號(hào)處理中，主要采用匹配場(chǎng)處理實(shí)現(xiàn)聲源定位。匹配場(chǎng)處理技術(shù)是利用水聲信道傳播特性，把水下聲場(chǎng)模型計(jì)算所得的聲源到接收陣列的拷貝場(chǎng)，與陣列實(shí)際接收數(shù)據(jù)做匹配，通過功率估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)聲源的距離、深度估計(jì)。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，基于多傳感器陣列的匹配場(chǎng)處理聲源定位技術(shù)，定位性能在目標(biāo)聲源附近區(qū)域有干擾噪聲源存在時(shí)，將削弱或丟失對(duì)聲源的定位能力，尤其是強(qiáng)噪聲干擾條件下的弱聲源定位更是如此。

2 干擾噪聲源抑制匹配場(chǎng)處理技術(shù)

多傳感器陣列的匹配場(chǎng)處理是基于水聽器采集的數(shù)據(jù)，與數(shù)學(xué)模型在設(shè)定聲源位置預(yù)測(cè)的拷貝向量之間相互匹配，從而獲得到包含目標(biāo)深度和距離信息的模糊度表面，定義為：

P（？漬）=wH（？漬）Rw（？漬） （1）

線性匹配場(chǎng)處理（CMFP，Conventional Matched Field Processing）的基陣加權(quán)向量表示為：

wCMFP（？漬）=（2）

在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用對(duì)角加載的最小方差無畸變響應(yīng)（DL-MVDR，DiagonalLoading- Minimum Variance Distortionless Response）匹配處理器，其權(quán)向量表示為：

wDL-MVDR（？漬）=?（3）

干擾噪聲源抑制匹配場(chǎng)處理技術(shù)可用于抑制水聲信道中的離散噪聲干擾，其基本原理是設(shè)計(jì)最優(yōu)權(quán)向量，使其對(duì)觀測(cè)方位信號(hào)沒有影響，而對(duì)離散噪聲干擾方位的響應(yīng)盡量小。上述約束條件可表示為：

wH？琢1（？漬）=d1…wH？琢M（？漬）=dM （4）

其中？琢1（？漬）為觀測(cè)信號(hào)的方向向量，[？琢2（？漬），？琢3（？漬）…？琢M（？漬）]為干擾源聲場(chǎng)的拷貝向量，求匹配場(chǎng)處理器對(duì)模糊度函數(shù)P的最小均方誤差響應(yīng)：

（5）

利用Lagrange乘子法求出干擾噪聲源抑制的最優(yōu)權(quán)向量：

w=R-1E[EHR-1E]-1dH? ?（6）

3 仿真數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)通過仿真數(shù)據(jù)處理檢驗(yàn)干擾噪聲源抑制方法在匹配場(chǎng)處理中的效果。試驗(yàn)中，所用的水聽器垂直線列陣陣元數(shù)為50，陣元間距為2m，海區(qū)深度為100m，假設(shè)干擾噪聲源和水下聲源都是點(diǎn)聲源，距離垂直陣均為8公里，兩聲源信號(hào)均為帶限白噪聲，中心頻率為300Hz，干擾噪聲源的深度為7m，水下聲源的深度為40m。干擾噪聲源的聲源級(jí)比水下聲源高出10dB。

利用所提出的干擾噪聲源抑制方法，設(shè)計(jì)最優(yōu)權(quán)向量，使其對(duì)干擾噪聲源所在方位響應(yīng)盡量小。由于干擾噪聲源和水下聲源具有不同的聲源級(jí)，水下弱聲源的定位結(jié)果受強(qiáng)噪聲的干擾嚴(yán)重。圖1和圖2分別給出了常規(guī)匹配場(chǎng)處理和DL-MVDR匹配場(chǎng)處理的定位結(jié)果，可以看出兩種處理都無法對(duì)水下聲源實(shí)現(xiàn)定位。圖3給出了所提出干擾噪聲源抑制方法的匹配場(chǎng)處理結(jié)果，可以看出所設(shè)計(jì)的最優(yōu)權(quán)向量抑制了干擾噪聲源， 實(shí)現(xiàn)水下弱聲源的精確定位。

圖1 CMFP定位結(jié)果

圖2 DL-MVDR匹配場(chǎng)定位結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種基于匹配場(chǎng)處理的干擾噪聲源抑制方法，用于解決水聲傳播信道中離散噪聲源對(duì)水下聲源定位干擾的問題。建立了具有離散噪聲源抑制功能的匹配場(chǎng)處理器最優(yōu)化模型，推導(dǎo)得出最優(yōu)權(quán)向量。基于仿真數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)了所提出方法的有效性。當(dāng)干擾噪聲源和水下聲源信號(hào)均為帶限白噪聲時(shí)，利用該方法可以抑制噪聲源干擾，并實(shí)現(xiàn)水下弱聲源的精確定位。

參考文獻(xiàn)：

[1]李整林，張仁和，鄢錦，等.大陸斜坡海域?qū)拵曉吹钠ヅ鋱?chǎng)定位[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2003，28（5）：425-428.

[2]馬遠(yuǎn)良.匹配場(chǎng)處理-水聲物理學(xué)與信號(hào)處理的結(jié)合[J].電子科技導(dǎo)報(bào)，1996（4）：9-12.

[3]任歲玲，葛鳳翔，郭良浩.淺海寬帶聲源的匹配場(chǎng)定位[J].聲學(xué)技術(shù)，2011，30（3）：79-81.

[4]滕鵬曉，楊亦春，李曉東，等.多陣列數(shù)據(jù)融合的聲定位研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2007，26（5）：1064-1065.

[5]鄢社鋒，馬遠(yuǎn)良.匹配場(chǎng)噪聲抑制：廣義空域?yàn)V波方法[J].科學(xué)通報(bào)，2004，49（18）：1909-1912.