一種基于穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成的聲隔離技術(shù)

肖 軍，蘇 航，曹宦植

（中國(guó)人民解放軍 91388部隊(duì)，廣東 湛江 524022）

0 引言

現(xiàn)代魚(yú)雷自導(dǎo)信號(hào)多采用雙脈沖形式，且脈沖間隔不固定，使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式易導(dǎo)致聲誘餌應(yīng)答不完全，很容易就被識(shí)別為假目標(biāo)，失去聲誘餌的干擾作用。邊發(fā)邊收式聲誘餌可以在發(fā)射應(yīng)答信號(hào)的同時(shí)不關(guān)閉接收機(jī)，保證應(yīng)答完全的同時(shí)大大減小了轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的延時(shí)，提高了聲誘餌模擬的逼真度。

邊收邊發(fā)過(guò)程中發(fā)射和接收同時(shí)工作，轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)在發(fā)射換能器端面方向存在聲串漏，容易給接收端造成干擾。所以實(shí)現(xiàn)邊發(fā)邊收的關(guān)鍵是如何克服發(fā)射換能器端面方向信號(hào)及其混響對(duì)聲誘餌接收機(jī)的干擾。用聲隔離來(lái)定義聲誘餌接收機(jī)對(duì)聲誘餌發(fā)射信號(hào)的抑制能力。在以往的使用經(jīng)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)有效聲隔離的手段主要有3種：1）設(shè)計(jì)收/發(fā)換能器的指向性[1-3]；2）在收/發(fā)換能器之間放置隔聲障板[1-4]；3）自適應(yīng)干擾抵消[3,5]。

本文提出的基于穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成的聲隔離技術(shù)是使用空域?yàn)V波對(duì)干擾進(jìn)行抑制。首先建立邊發(fā)邊收聲誘餌模型，針對(duì) STMV波束形成器在基陣模型失配情況下容易出現(xiàn)信號(hào)自消的現(xiàn)象，研究解決波束形成穩(wěn)健性的新方法即RCB算法，實(shí)現(xiàn)有效的干擾抑制和信號(hào)提取。仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法對(duì)端射方向干擾具有良好的抑制效果，且能無(wú)失真提取出目標(biāo)信號(hào)，為穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成在聲誘餌邊發(fā)邊收中的應(yīng)用提供了參考。

1 聲隔離原理

1.1 邊發(fā)邊收聲誘餌模型

圖1為邊發(fā)邊收聲誘餌的組成示意圖。誘餌發(fā)射后，懸浮于水中，可近似認(rèn)為收、發(fā)換能器中心在同一垂線上。如圖所示，聲誘餌接收端收到的干擾來(lái)自于該垂線方位附近，信號(hào)方位與干擾方位不重疊是實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波的基礎(chǔ)。

圖1 邊發(fā)邊收聲誘餌的組成示意圖Fig.1 Compositional diagram of a receivingwhile-emitting acoustic decoy

使用基陣接收完成聲誘餌邊發(fā)邊收的信號(hào)處理流程如圖2所示。波束形成一般在頻域?qū)崿F(xiàn)，所以首先將陣列輸出向量通過(guò)傅里葉變換從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域。魚(yú)雷尋的信號(hào)為窄帶信號(hào)，該窄帶信號(hào)的頻率在一定帶寬范圍內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)。檢測(cè)背景噪聲為寬帶，當(dāng)信噪比足夠時(shí)，在進(jìn)行波束形成前須進(jìn)行預(yù)檢測(cè)估計(jì)，找到信號(hào)的頻帶范圍后，進(jìn)行窄帶波束形成，既可以提高信噪比，也可以減小計(jì)算量。根據(jù)波束形成結(jié)果完成信號(hào)有無(wú)判斷，并提取峰值方位波束信號(hào)用于回波生成。

圖2 基陣接收聲誘餌信號(hào)處理流程圖Fig.2 Signal processing flow chart of array receiving acoustic decoys

1.2 穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成

在窄帶波束形成器中，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的加權(quán)值，可以有選擇地增強(qiáng)某一指定方向的信號(hào)，抑制其他方向到達(dá)的信號(hào)（成為干擾與噪聲），提高輸出信噪比。

常規(guī)波束形成器（CBF）的加權(quán)向量與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)，每個(gè)陣元、每個(gè)頻點(diǎn)采用相同的值，具有最好的穩(wěn)健性，但空間增益有限，且旁瓣過(guò)高，不能有效抑制來(lái)自旁瓣區(qū)域的干擾。STMV是一種基于導(dǎo)向協(xié)方差矩陣的時(shí)空統(tǒng)計(jì)的最優(yōu)波束形成方法，其在保證感興趣方位信號(hào)無(wú)失真輸出的條件下，使輸出功率最小，最大限度地提高輸出信噪比，該波束形成器具有較強(qiáng)的干擾抑制能力。

通過(guò)對(duì)不同頻點(diǎn)的互譜密度矩陣進(jìn)行相干積累，計(jì)算一定頻帶的空間譜。STMV可以獲得帶寬增益并減少收斂時(shí)間[7]。導(dǎo)向協(xié)方差矩陣可表示為

由于實(shí)際中精確的互譜密度矩陣和導(dǎo)向向量很難獲得，當(dāng)快拍數(shù)比較少或是存在導(dǎo)向向量誤差時(shí)，就會(huì)使STMV波束形成器性能下降，甚至出現(xiàn)“自消”現(xiàn)象。

為克服導(dǎo)向向量誤差引起的方向圖性能下降的問(wèn)題，Li[8]等提出了一種求解穩(wěn)健性波束形成問(wèn)題的新方法即RCB算法。

RCB穩(wěn)健性波束形成的優(yōu)化問(wèn)題可以表述為

式中，ε0為設(shè)定的導(dǎo)向向量誤差范圍上界，理想情況下ε0=ε。

從式（3）可以看出，RCB方法的主要目的是從功率估計(jì)角度出發(fā)，在一定的導(dǎo)向矢量誤差范圍下，求解最優(yōu)as，使其對(duì)應(yīng)的信號(hào)功率最大，這是RCB算法的物理意義。

其方法的具體設(shè)計(jì)步驟如下：

2）運(yùn)用牛頓迭代法解式：

式中γ1和γM分別是最大和最小的特征值。

加權(quán)向量為

對(duì)角加載方法對(duì)導(dǎo)向向量誤差與協(xié)方差矩陣誤差都具有穩(wěn)健性，RCB方法的信號(hào)功率估計(jì)能力較好，幾乎能正確指示信號(hào)功率。ε0過(guò)大或過(guò)小都會(huì)引起性能下降，ε0越大，計(jì)算得到的值越小，對(duì)角加載量也就越大，RCB波束穩(wěn)健性越強(qiáng)。同時(shí)，為了保證波束形成器對(duì)干擾的抑制能力，ε0應(yīng)該選擇盡可能小。

綜上所述，RCB算法是基于導(dǎo)向矢量橢圓不確定性的約束條件，從功率估計(jì)的角度出發(fā)，根據(jù)協(xié)方差矩陣擬合原理提出的穩(wěn)健性波束形成算法。該波束形成算法比 STMV有更好的穩(wěn)健性。

2 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真分析

選取陣元數(shù)為8的均勻線陣，按照30 kHz半波長(zhǎng)布陣，采樣頻率160 kHz，單拍處理設(shè)置為1 024點(diǎn)。設(shè)定目標(biāo)入射方位為0°，30 kHz單頻信號(hào)，背景噪聲為海洋環(huán)境噪聲，信號(hào)功率為149 dB，信噪比-15 dB。仿真時(shí)不存在導(dǎo)向向量誤差，RCB算法設(shè)定導(dǎo)向向量誤差上界為0.001。分別進(jìn)行常規(guī)波束形成、STMV波束形成、RCB波束形成，對(duì)這 3種方法形成的方位譜的比較，如圖3所示。

圖3 方位譜Fig.3 Azimuth spectrum

從圖3中可以看到，在沒(méi)有導(dǎo)向向量誤差的情況下，3種方法均能正確指示信號(hào)功率，STMV和RCB波束寬度更窄，旁瓣干擾抑制效果更好，且RCB旁瓣干擾抑制效果略優(yōu)于STMV。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

湖試試驗(yàn)時(shí)接收陣采用8元線列陣，按照30 kHz半波長(zhǎng)布陣，陣元間距為0.025 m，采樣頻率160 kHz，單拍處理設(shè)置為1 024點(diǎn)。信號(hào)頻率為30 kHz，接收端標(biāo)定為148.6 dB，分別從0°，10°，20°，30°，56°，80°，90°方向入射。干擾頻率為20 kHz，接收端標(biāo)定為155.4 dB，入射角為90°。

考慮RCB對(duì)導(dǎo)向向量誤差上界ε0的選取，ε0過(guò)大或過(guò)小都會(huì)引起性能下降，其選取準(zhǔn)則是盡可能接近真實(shí)導(dǎo)向向量誤差。因此，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到0°情況下，不同參數(shù)選取對(duì)信號(hào)功率的影響，如圖4所示。可以看到當(dāng)參數(shù)ε0大于0.3，即可對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行有效估計(jì)，所以0°方向的最佳參數(shù)選取值為0.3。運(yùn)用同樣的方法，分別對(duì)10°，20°，30°，56°，80°，90°入射角方向進(jìn)行預(yù)處理，得到各個(gè)角度應(yīng)該選取的最佳參數(shù)值，如圖5所示。

圖4 RCB在0°下參數(shù)選取與估計(jì)功率關(guān)系Fig.4 Relationship between parameter selection and power estimation at 0° of RCB

圖5 RCB在不同角度下最佳參數(shù)選取Fig.5 Selection of optimal parameters from different angles of RCB

通過(guò)圖 5可以看到，隨著入射角度的增大，最佳參數(shù)選取值也逐漸增大。因此，參數(shù)選取應(yīng)該隨著從0°～90°逐漸增大。從圖1可以看到，干擾來(lái)自于 90°附近，將[80° 90°]范圍內(nèi)的參數(shù)設(shè)定小于最佳參數(shù)，抑制干擾。將0°信號(hào)與90°干擾疊加后，進(jìn)行常規(guī)波束形成、STMV波束形成、RCB波束形成，對(duì)這3種方法形成的方位譜進(jìn)行比較，如圖6所示。

圖6 方位譜Fig.6 Azimuth spectrum

通過(guò)圖6可以看到CBF和RCB波束形成都可以對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，估計(jì)功率為148.6 dB，但CBF主波束寬，且無(wú)法消除干擾信號(hào)的影響，方位譜的峰值方位在干擾方位處；STMV無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)信號(hào)功率，發(fā)生了自消，對(duì)信號(hào)功率的估計(jì)僅為117.5 dB，驗(yàn)證了實(shí)際存在導(dǎo)向向量誤差的情況下，STMV誤將信號(hào)視作了干擾進(jìn)行抑制，產(chǎn)生自消；RCB相比于 CBF，能有效抑制干擾信號(hào)的影響，相比于 STMV可以準(zhǔn)確指示信號(hào)功率，且在根據(jù)先驗(yàn)信息對(duì)參數(shù)進(jìn)行合適選取后，可獲得較窄主瓣和低旁瓣。

分別提取CBF和RCB的0°方位波束譜，如圖7所示。可以看到RCB的0°方位波束中20 kHz干擾完全被抑制，產(chǎn)生了較深的零陷；CBF的0°方位波束中干擾仍然存在，相較初始輸入干擾被抑制16 dB。

圖7 方位譜0°方位波束譜Fig.7 Beam spectrum at 0° of azimuth spectrum

對(duì)每拍數(shù)據(jù)提取的CBF和RCB的0°方位波束譜作傅立葉逆變化，用于回波生成，如圖8所示。通過(guò)譜分析，可以看到RCB可得到較純凈的目標(biāo)信號(hào)。

圖8 信號(hào)提取及分析Fig.8 Signal extraction and analysis

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)邊發(fā)邊收帶來(lái)的發(fā)射聲串漏問(wèn)題和波束形成中導(dǎo)向向量失配問(wèn)題，研究了一種穩(wěn)健性自適應(yīng)波束形成方法。仿真表明該方法可以正確指示信號(hào)功率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，其性能不受導(dǎo)向向量誤差的影響，具有較好的穩(wěn)健性，且可通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理制定合理參數(shù)選取，抑制干擾對(duì)目標(biāo)信號(hào)的影響。本文所研究的方法穩(wěn)定，計(jì)算量小，可為穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成在聲誘餌邊發(fā)邊收中的應(yīng)用提供參考。