水下聲源匹配場定位強相關水面噪聲抑制方法*

舒 劍

（集美大學 信息工程學院，福建 廈門 361021）

1 概述

在海洋等水聲被動探測中，匹配場定位性能主要取決于信號處理方法，主要采用波束形成技術和匹配場處理來實現定位[1]。波束形成技術是將陣列接收信號經過延時、加權、增益加權相加使得某個方向的輸出增大，結合功率譜實現方位估計。匹配場定位一般采用垂直陣或水平陣，采用多陣元以獲得足夠的聲場信息，其基本原理是求得遠端聲源信號傳導至接收陣后在各陣元上的協方差函數，然后與假定深度和距離的聲源按傳播模型推導出的協方差函數對比，通過相關處理求出實際聲源的距離和深度。但實際海洋水聲環境復雜，利用匹配場處理技術對聲源定位不僅受到環境背景噪聲干擾，對目標附近存在的區別于背景噪聲的點狀強干擾噪聲聲源尤其敏感，當干擾源與目標強相關時，定位準確性和可靠性將大幅下降直至失去探測能力[2-3]。海洋環境下常見的強干擾源為水面艦艇等較大型船舶。

2 強相關干擾聲源的匹配場抑制方法

根據水聲信道參數以及單節點接收陣幾何參數，通過聲場模型求解水聲信道內任意坐標點聲源到達單節點接收陣列的拷貝向量，將接收陣實際接收聲場信號與拷貝向量匹配得到的能量輸出稱為模糊度表面，定義為[4-5]：

式（1）中 φ 表示聲源的距離和深度信息（r，z），R 為接收陣輸出數據的協方差矩陣，H 表示共軛轉置。w（φ）為搜索向量，對于水面干擾源情況可采用線性匹配場處理器（CMFP），其加權向量表示為：

為有效抑制CMFP 旁瓣和干擾，提高分辨能力，實際中常使用對角加載的最小方差無畸變響應匹配場處理器（DL-MVDR），其加權向量表示為：

式（3）中I 為單位矩陣，δd為采樣矩陣對角加載因子。

圖1 等效10m 深度聲源聲場強度

圖2 50m 深度聲源聲場強度

圖3 CMFP 定位模糊面

圖4 DL-MVDR 定位模糊面

干擾的抑制問題可歸納為搜索向量w（φ）的優化問題，設計一個最優加權向量，基于本文背景，使其對水面噪聲源的響應最小，對水下聲源目標響應保持不變，此約束條件表述為：

式（4）中 n（φ）為水面干擾源聲場拷貝向量，a（φ）水下聲源目標聲場拷貝向量，結合式（1），可得模糊度表面的表達式為：

對式（5）構造Lagrange 函數并求解，得最優加權向量為：

式（6）中wopt即為最優加權向量，該條件下匹配場模糊度函數對水下聲源目標響應無失真，對水面干擾聲源響應達到最小值0。

3 仿真分析

利用數據仿真對本文提到的三種匹配場處理方法進行噪聲抑制測試。水聲信道深度100m，基陣為單節點陣列，陣元數量50，間距2m，均勻分布于海面以下1m 到99m 深度。設置水面干擾聲源等效深度為10m，水下目標聲源深度為50m，距離基陣水平距離均為8km。設置水下目標聲源與水面強干擾聲源為同源帶限白噪聲信號，中心頻率300Hz，帶寬10Hz，頻帶完全重合，相關度為1。設置水面干擾源聲源級比水下目標聲源級為10dB。

對上述設定條件進行Matlab 仿真計算，計算兩個聲源信號傳播至基陣垂直面上任意點處的聲壓，圖1 為等效10m 深度聲源聲場強度，圖2 為50m 深度聲源聲場強度，可見聲源大致位于水平距離8km 處。聲源在傳播過程存在損失，基陣接收到的聲強級為聲源聲強級減去傳播損失。

圖5 最優加權向量抑制噪聲定位模糊面

利用最優加權向量法，使匹配場處理器對水面噪聲源的響應最小，對水下聲源目標響應保持不變。由圖3 和圖4 可見，由于水面干擾聲源聲場強度遠高于水下目標聲源，CMFP 和DL-MVDR 定位結果受到嚴重干擾，只能定位水面干擾聲源，水下目標聲源完全不可見，失去定位能力。圖5 給出了最優加權向量法的匹配場定位結果，可以看出該方法抑制了水面強干擾信號的影響，準確定位出水下目標聲源的距離和深度。

4 結論

本文討論了CMFP 和DL-MVDR 匹配場定位方法中的加權向量表達式，進而提出改進方法，通過限制對水面干擾聲源的響應，同時保持對有效目標聲源的響應無畸變來求解最優加權向量，使其具備對強干擾聲源的抑制能力。通過數據仿真測試，該方法能解決水聲信道中高相關高強度水面聲源對水下聲源的干擾，實現對水下弱聲源目標的準確定位。