水下聲源匹配場定位強(qiáng)相關(guān)水面噪聲抑制方法*

舒 劍

（集美大學(xué) 信息工程學(xué)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(shù)和匹配場處理來實(shí)現(xiàn)定位[1]。波束形成技術(shù)是將陣列接收信號經(jīng)過延時、加權(quán)、增益加權(quán)相加使得某個方向的輸出增大，結(jié)合功率譜實(shí)現(xiàn)方位估計(jì)。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(yuǎn)端聲源信號傳導(dǎo)至接收陣后在各陣元上的協(xié)方差函數(shù)，然后與假定深度和距離的聲源按傳播模型推導(dǎo)出的協(xié)方差函數(shù)對比，通過相關(guān)處理求出實(shí)際聲源的距離和深度。但實(shí)際海洋水聲環(huán)境復(fù)雜，利用匹配場處理技術(shù)對聲源定位不僅受到環(huán)境背景噪聲干擾，對目標(biāo)附近存在的區(qū)別于背景噪聲的點(diǎn)狀強(qiáng)干擾噪聲聲源尤其敏感，當(dāng)干擾源與目標(biāo)強(qiáng)相關(guān)時，定位準(zhǔn)確性和可靠性將大幅下降直至失去探測能力[2-3]。海洋環(huán)境下常見的強(qiáng)干擾源為水面艦艇等較大型船舶。

2 強(qiáng)相關(guān)干擾聲源的匹配場抑制方法

根據(jù)水聲信道參數(shù)以及單節(jié)點(diǎn)接收陣幾何參數(shù)，通過聲場模型求解水聲信道內(nèi)任意坐標(biāo)點(diǎn)聲源到達(dá)單節(jié)點(diǎn)接收陣列的拷貝向量，將接收陣實(shí)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(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，H 表示共軛轉(zhuǎn)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(quán)向量表示為：

為有效抑制CMFP 旁瓣和干擾，提高分辨能力，實(shí)際中常使用對角加載的最小方差無畸變響應(yīng)匹配場處理器（DL-MVDR），其加權(quán)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(qiáng)度

圖2 50m 深度聲源聲場強(qiáng)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(yōu)化問題，設(shè)計(jì)一個最優(yōu)加權(quán)向量，基于本文背景，使其對水面噪聲源的響應(yīng)最小，對水下聲源目標(biāo)響應(yīng)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(biāo)聲場拷貝向量，結(jié)合式（1），可得模糊度表面的表達(dá)式為：

對式（5）構(gòu)造Lagrange 函數(shù)并求解，得最優(yōu)加權(quán)向量為：

式（6）中wopt即為最優(yōu)加權(quán)向量，該條件下匹配場模糊度函數(shù)對水下聲源目標(biāo)響應(yīng)無失真，對水面干擾聲源響應(yīng)達(dá)到最小值0。

3 仿真分析

利用數(shù)據(jù)仿真對本文提到的三種匹配場處理方法進(jìn)行噪聲抑制測試。水聲信道深度100m，基陣為單節(jié)點(diǎn)陣列，陣元數(shù)量50，間距2m，均勻分布于海面以下1m 到99m 深度。設(shè)置水面干擾聲源等效深度為10m，水下目標(biāo)聲源深度為50m，距離基陣水平距離均為8km。設(shè)置水下目標(biāo)聲源與水面強(qiáng)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(guān)度為1。設(shè)置水面干擾源聲源級比水下目標(biāo)聲源級為10dB。

對上述設(shè)定條件進(jìn)行Matlab 仿真計(jì)算，計(jì)算兩個聲源信號傳播至基陣垂直面上任意點(diǎn)處的聲壓，圖1 為等效10m 深度聲源聲場強(qiáng)度，圖2 為50m 深度聲源聲場強(qiáng)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(qiáng)級為聲源聲強(qiáng)級減去傳播損失。

圖5 最優(yōu)加權(quán)向量抑制噪聲定位模糊面

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

4 結(jié)論

本文討論了CMFP 和DL-MVDR 匹配場定位方法中的加權(quán)向量表達(dá)式，進(jìn)而提出改進(jìn)方法，通過限制對水面干擾聲源的響應(yīng)，同時保持對有效目標(biāo)聲源的響應(yīng)無畸變來求解最優(yōu)加權(quán)向量，使其具備對強(qiáng)干擾聲源的抑制能力。通過數(shù)據(jù)仿真測試，該方法能解決水聲信道中高相關(guān)高強(qiáng)度水面聲源對水下聲源的干擾，實(shí)現(xiàn)對水下弱聲源目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。