蘆嘉, 生雪莉,, 凌青, 董偉佳, 伍飛云, 孫筱逸

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱150001；3.復(fù)雜艦船系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100161；4.廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361005)

雙基地聲吶發(fā)射聲屏蔽技術(shù)

蘆嘉1,2, 生雪莉1,2,3, 凌青3, 董偉佳1,2, 伍飛云4, 孫筱逸1,2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱150001；3.復(fù)雜艦船系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100161；4.廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361005)

基線附近區(qū)域?yàn)殡p基地聲吶的探測盲區(qū)，當(dāng)目標(biāo)位于基線區(qū)域時(shí)，目標(biāo)回波與強(qiáng)直達(dá)波干擾同時(shí)同向到達(dá)，基于空域?yàn)V波等的傳統(tǒng)直達(dá)波抑制方法失效。為實(shí)現(xiàn)雙基地聲吶對盲區(qū)內(nèi)目標(biāo)的探測，提出了一種適用于多發(fā)射陣元系統(tǒng)的發(fā)射聲屏蔽技術(shù)。發(fā)射聲屏蔽技術(shù)利用目標(biāo)回波與直達(dá)波相異的多途信道結(jié)構(gòu)特性，自動屏蔽在接收站位置處的直達(dá)波而不影響目標(biāo)回波，且不需接收站進(jìn)行任何后續(xù)處理。在已知回波信道信息時(shí)，發(fā)射聲屏蔽技術(shù)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對回波信號的聚焦，提高信干比。仿真結(jié)果表明，在不同信道條件下發(fā)射聲屏蔽均能有效抑制直達(dá)波干擾。利用發(fā)射聲屏蔽技術(shù)，雙基地聲吶能夠?qū)崿F(xiàn)對基線區(qū)內(nèi)目標(biāo)的檢測。

發(fā)射聲屏蔽；雙基地聲吶；盲區(qū)目標(biāo)探測；直達(dá)波抑制；自屏蔽信號；正交匹配追蹤

雙基地聲吶的發(fā)射站與接收站遠(yuǎn)距離分開，且接收站處于被動工作模式，因而具有良好的隱蔽性，抗干擾能力以及更大的覆蓋范圍[1-2]。然而雙基地聲吶的幾何分布與探測模式使得其基線區(qū)(發(fā)射站與接收站連線附近區(qū)域)成為目標(biāo)探測盲區(qū)[3]。不同于一般的直達(dá)波干擾問題，當(dāng)目標(biāo)位于基線區(qū)時(shí)，目標(biāo)回波與直達(dá)波同時(shí)，同向到達(dá)接收站，二者在時(shí)域、空域均發(fā)生混疊。以空域?yàn)V波[4]為代表的一類直達(dá)波抑制方法盡管能夠?qū)崿F(xiàn)低信干比下的目標(biāo)回波檢測，但是對位于基線區(qū)，尤其是位于基線上的目標(biāo)則無能為力；而基于自適應(yīng)對消器的直達(dá)波抑制方法容易同時(shí)抵消掉目標(biāo)回波。文獻(xiàn)[5]提出了基于巴賓奈特原理的雙基地聲吶前向探測方法，但需要目標(biāo)保持運(yùn)動并穿過雙基地聲吶基線，而且需要較長的累積檢測時(shí)間。

針對雙基地聲吶基線區(qū)的直達(dá)波干擾問題，本文提出了發(fā)射聲屏蔽技術(shù)。發(fā)射聲屏蔽技術(shù)能有效抑制沿直達(dá)信道到達(dá)接收站的直達(dá)波分量而不削弱目標(biāo)回波分量，并且無需接收端再進(jìn)行屏蔽處理。利用發(fā)射聲屏蔽技術(shù)，雙基地聲吶能實(shí)現(xiàn)對基線盲區(qū)內(nèi)目標(biāo)的有效檢測。

1 雙基地聲吶發(fā)射聲屏蔽技術(shù)

1.1 雙基地聲吶探測盲區(qū)

典型的雙基地聲吶系統(tǒng)由遠(yuǎn)距離分布的發(fā)射站和接收站組成，并基于合作方式對目標(biāo)進(jìn)行探測。雙基地聲吶具有獨(dú)特的探測優(yōu)勢，然而卻難以探測到基線區(qū)內(nèi)的目標(biāo)，使其覆蓋范圍內(nèi)存在探測盲區(qū)。圖1為雙基地聲吶盲區(qū)示意圖，圖中所示為雙基地聲吶發(fā)射站、接收站與目標(biāo)1、目標(biāo)2在水平面的投影位置。目標(biāo)1遠(yuǎn)離虛線區(qū)域，回波1經(jīng)歷的總傳播距離明顯大于直達(dá)波傳播距離，回波1沿不同入射方向，落后于直達(dá)波到達(dá)接收站。目標(biāo)2位于虛線區(qū)域內(nèi)，回波2與直達(dá)波傳播距離幾乎相同，并沿與直達(dá)波幾乎相同入射方向，同時(shí)，同向達(dá)到接收站。當(dāng)目標(biāo)位于虛線區(qū)域中時(shí)，目標(biāo)回波在強(qiáng)直達(dá)波干擾下難以被雙基地聲吶檢測與分辨。虛線所示的雙基地聲吶基線附近區(qū)域即為雙基地聲吶探測盲區(qū)。

圖1 雙基地聲吶探測盲區(qū)示意圖Fig. 1 The dead zone of bistatic sonar

目標(biāo)回波盡管與直達(dá)波波達(dá)方向一致，但二者歷經(jīng)了不同的傳播路徑(信道沖激響應(yīng))，相異的多途信道結(jié)構(gòu)為在直達(dá)波干擾下檢測，分辨目標(biāo)回波提供了可能。

1.2 發(fā)射聲屏蔽

Kuperman等將時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡應(yīng)用于混響抑制與回波增強(qiáng)[6]，該方法被推廣為聲屏蔽。聲屏蔽也被用于屏蔽其他方向干擾源[7]，但其獨(dú)特的優(yōu)勢在于能克服傳統(tǒng)陣列信號處理無法分辨同一方向上的不同聲源的缺陷[8]。當(dāng)期望信號與非期望信號到達(dá)接收站的信道結(jié)構(gòu)存在明顯差異時(shí)，聲屏蔽技術(shù)可在保留期望信號的同時(shí)，屏蔽來自干擾源的非期望信號。上述文獻(xiàn)與應(yīng)用中，聲屏蔽處理均是在接收端進(jìn)行，這里稱其為接收聲屏蔽。利用信道信息的信號處理過程不只可以在接收端進(jìn)行，也可以在發(fā)射端[9]預(yù)先實(shí)現(xiàn)。針對雙基地聲吶存在探測盲區(qū)的缺陷，本文將發(fā)射端預(yù)處理技術(shù)與接收聲屏蔽相結(jié)合，提出了雙基地聲吶發(fā)射聲屏蔽技術(shù)，用來實(shí)現(xiàn)雙基地聲吶盲區(qū)內(nèi)的目標(biāo)探測。

發(fā)射聲屏蔽利用已知的信道狀態(tài)信息對原始發(fā)射信號進(jìn)行預(yù)處理，能夠抑制經(jīng)歷特定傳播路徑到達(dá)接收站的信號成分，即能夠屏蔽發(fā)射站到特定空間位置處的信號傳播。

設(shè)雙基地聲吶發(fā)射站為M元發(fā)射陣，接收站為單陣元接收。從各發(fā)射陣元到接收站的直達(dá)波干擾所經(jīng)歷的時(shí)域信道可以表示為hi=[hi,1,hi,2,…,hi,M]，從各發(fā)射陣元經(jīng)目標(biāo)反射到接收站的目標(biāo)回波所經(jīng)歷的時(shí)域信道可以表示為hs=[hs,1,hs,2,…,hs,M]。對應(yīng)的，信道在頻域可以表示為Hi=[Hi,1,Hi,2,…,Hi,M],Hs=[Hs,1,Hs,2,…,Hs,M]，其中，Hm=FFT(hm),m=1,2,…,M。

當(dāng)未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)或回波信道信息未知時(shí)，發(fā)射聲屏蔽只用來屏蔽直達(dá)波信號，此時(shí)屏蔽權(quán)為

(1)

式中:I為M×M維單位陣。

利用屏蔽權(quán)對原始信號預(yù)處理后，得到自屏蔽發(fā)射信號:

(2)

式中:S為發(fā)射陣原始發(fā)射信號。

接收信號為

(3)

如式(3)所示，自屏蔽信號經(jīng)直達(dá)信道在接收站處響應(yīng)為零，接收站只接收到本地噪聲。

當(dāng)檢測到目標(biāo)并已獲得回波信道信息時(shí)，發(fā)射聲屏蔽在屏蔽直達(dá)波信號時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對回波信號的聚焦，此時(shí)聚焦屏蔽權(quán)為

(4)

利用聚焦屏蔽權(quán)預(yù)處理原始信號后，得到聚焦自屏蔽發(fā)射信號

(5)

接收信號為

Y=ZHi+ZHs+N=

(6)

根據(jù)式(3)，在理想條件下(完全準(zhǔn)確估計(jì)出信道信息)，發(fā)射聲屏蔽技術(shù)能夠在接收站空間位置處自動形成對直達(dá)信號的屏蔽，完全抑制接收站處對直達(dá)波的響應(yīng)，無需接收站再進(jìn)行任何屏蔽算法的處理。發(fā)射聲屏蔽節(jié)省了接收站屏蔽算法處理的開銷，因而能夠大幅減小接收端的算法處理復(fù)雜度和運(yùn)算量，節(jié)省系統(tǒng)資源。相較于接收聲屏蔽，發(fā)射聲屏蔽適用于各種單陣元接收，或受限于載體尺寸接收陣元較少的水聲信號處理平臺。此外，接收陣中水平陣相對較多，在發(fā)射端采用垂直陣進(jìn)行發(fā)射，有助于提高屏蔽效果。根據(jù)式(6)，發(fā)射聚焦聲屏蔽算法在抑制直達(dá)波的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)回波的聚焦增強(qiáng)。

相比于接收聲屏蔽，發(fā)射聲屏蔽的另一大優(yōu)點(diǎn)在于避免了接收端屏蔽權(quán)對噪聲的放大作用且不會影響噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。發(fā)射聲屏蔽流程如圖2。

圖2 發(fā)射聲屏蔽流程圖Fig. 2 The flow chart of the transmission shielding

1.3 基于正交匹配追蹤的發(fā)射聲屏蔽信道估計(jì)

獲得發(fā)射聲屏蔽的屏蔽權(quán)需要預(yù)先對信道進(jìn)行估計(jì)，信道估計(jì)的質(zhì)量將嚴(yán)重影響對直達(dá)波信號的抑制效果。文獻(xiàn)[10]中給出了一種高干噪比下的接收聲屏蔽屏蔽權(quán)的獲得方法，這里稱其為頻域法，該方法不需估計(jì)出信道，能直接對屏蔽權(quán)進(jìn)行估計(jì)。但該方法對噪聲能量十分敏感，實(shí)際應(yīng)用限制較大。時(shí)反鏡聚焦技術(shù)估計(jì)信道時(shí)常采用的相關(guān)法[11]也與聲屏蔽對信道的估計(jì)需求不匹配。其估計(jì)時(shí)域信道時(shí)，引入的大量增生途徑，破壞了信道的時(shí)域結(jié)構(gòu)與頻域特征。

發(fā)射聲屏蔽要求信道估計(jì)算法能準(zhǔn)確估計(jì)多途信道途徑的數(shù)目。Cotter等采用匹配追蹤(matching pursuit，MP)算法對稀疏信道進(jìn)行估計(jì)[12]，驗(yàn)證了MP算法比最小二乘法能更準(zhǔn)確的估計(jì)出多途信道途徑數(shù)目。正交匹配追蹤(orthogonal matching pursuit, OMP)算法[13]加快了MP算法的收斂速度，同時(shí)準(zhǔn)確估計(jì)多途信道途徑數(shù)目的能力強(qiáng)于MP算法。本文采用OMP算法作為發(fā)射聲屏蔽技術(shù)的信道估計(jì)算法。采用OMP算法估計(jì)信道步驟如下。

記信道沖激響應(yīng)函數(shù)h，信道長度為L，字典

第k次迭代時(shí)，從字典中找出與觀測信號相關(guān)系數(shù)最大的原子，得到對應(yīng)的索引:

(7)

更新索引集λk=λk-1∪{λk}，由最小二乘可得

‖y-Sλkh‖

(8)

2 基于發(fā)射聲屏蔽的雙基地聲吶盲區(qū)目標(biāo)檢測

2.1 雙基地聲吶直達(dá)波屏蔽級

如圖3所示，雙基地聲吶的發(fā)射站，接收站與目標(biāo)在同一垂直平面，目標(biāo)位于雙基地聲吶基線上，即目標(biāo)回波與直達(dá)波波達(dá)方向一致。仿真中，發(fā)射站采用四元垂直發(fā)射陣，陣元位置依次為(0,10)，(0,13)，(0,16)，(0,19)，接收站采用單陣元接收，布放位置為(4 000,30)。目標(biāo)位于(1 500,50)。 聲速剖面采用海洋實(shí)際測量數(shù)據(jù)，水深70 m，見圖3。

圖3 探測基線目標(biāo)示意圖及聲速剖面Fig. 3 The model of detecting the target on the baseline and sound speed profile

各發(fā)射陣元到接收陣元的多途信道根據(jù)射線聲學(xué)模型計(jì)算得到，海底為三參數(shù)模型。圖4為發(fā)射站各陣元到接收站的子信道圖。信道擴(kuò)展長度約100 ms。各途徑幅度為以最大途徑幅度歸一化后的相對值(相鄰?fù)緩綍r(shí)延差小于采樣間隔時(shí)，顯示為合成后的等效途徑，其相對幅度可大于1)。原始信號為脈寬500 ms，帶寬1～4 kHz的LFM信號。采樣頻率10 kHz。

考查發(fā)射聲屏蔽技術(shù)對雙基地聲吶直達(dá)波干擾的抑制能力及不同信道估計(jì)方法對其的影響。假定此時(shí)目標(biāo)尚未出現(xiàn)，接收信號中不含有目標(biāo)回波。圖5為發(fā)射原始信號時(shí)的接收信號頻譜。直達(dá)波干擾強(qiáng)于噪聲20 dB，即INR=20 dB(總能量的比)。作為干擾的直達(dá)信號遠(yuǎn)強(qiáng)于背景噪聲。

(a) 子信道1

(b) 子信道2

(c) 子信道3

(d) 子信道4圖4 雙基地聲吶直達(dá)波信道Fig. 4 The direct wave channel of bistatic sonar

圖5 發(fā)射原始信號時(shí)的接收信號頻譜Fig. 5 The frequency spectrum of receiving signals when transmitting the original signal

分別采用由真實(shí)信道，頻域法、相關(guān)法、OMP法估計(jì)的信道獲得的屏蔽權(quán)來處理原始發(fā)射信號，得到4組自屏蔽信號。

圖6 發(fā)射聲屏蔽下的接收信號與直達(dá)信號分量

圖6分別為發(fā)射上述4組自屏蔽信號時(shí)的接收信號與純凈的直達(dá)信號分量。根據(jù)圖6(b)，發(fā)射聲屏蔽理論上能夠在接收端完全抑制直達(dá)波信號。根據(jù)圖6(d)、(f)、(h)，發(fā)射聲屏蔽屏蔽效果與信道估計(jì)質(zhì)量有關(guān)，圖示干噪比下，基于OMP法的發(fā)射聲屏蔽能力最佳，基于相關(guān)法的屏蔽能力最差。根據(jù)圖6(c)、(e)、(g)，基于頻域法和相關(guān)法的發(fā)射聲屏蔽，在接收信號中仍可分辨出明顯的直達(dá)波分量，從而引起接收端的虛警；而基于OMP法的發(fā)射聲屏蔽能夠?qū)?qiáng)直達(dá)波壓制到背景噪聲以下，不會造成接收端的虛警。

為了定量衡量發(fā)射聲屏蔽對直達(dá)波的抑制效果，引進(jìn)屏蔽級的概念。屏蔽級:發(fā)射聲屏蔽處理前接收信號中干擾信號的能量指標(biāo)與發(fā)射聲屏蔽處理后該指標(biāo)的比值。屏蔽級越高，表明屏蔽效果越好。

定義最大幅度屏蔽級與平均幅度屏蔽級分別為

(9)

(10)

式中:Po為發(fā)射原始信號時(shí)的接收信號帶內(nèi)頻譜，Ps為發(fā)射自屏蔽信號時(shí)的接收信號帶內(nèi)頻譜。

圖7為采用3種信道估計(jì)方法時(shí)，發(fā)射聲屏蔽對直達(dá)波的屏蔽級隨干噪比變化關(guān)系?？梢钥闯?，相關(guān)法受算法自身局限性，其對應(yīng)的屏蔽能力受干噪比影響較小，在干噪比上升到一定程度后(約10dB)，發(fā)射聲屏蔽對直達(dá)波的抑制能力不再提高。而采用頻域法時(shí)，發(fā)射聲屏蔽對直達(dá)波的抑制能力與干噪比成正相關(guān)變化。采用OMP算法估計(jì)信道時(shí)，發(fā)射聲屏蔽對直達(dá)波的抑制能力隨干噪比增加而顯著增強(qiáng)。盡管在干噪比到達(dá)一定程度后(約20dB)，屏蔽能力趨于穩(wěn)定，但是在常規(guī)的干噪比變化范圍內(nèi)，OMP方法對應(yīng)的屏蔽級均優(yōu)于其他兩種方法。

圖7 不同信道估計(jì)法下的屏蔽級Fig. 7 The shielding magnitude with different channel estimation methods

表1 聲速剖面2

表2、3給出了不同信道條件下，發(fā)射聲屏蔽的平均幅度屏蔽級。聲速剖面1已由圖3給出，聲速剖面2為三亞附近海域的實(shí)測數(shù)據(jù)，如表1所示。聲速剖面1對應(yīng)的發(fā)射陣元深度依次為10、13、16、19 m；聲速剖面2對應(yīng)的發(fā)射陣元深度為10、15、20、25 m。表2為信道隨距離變化時(shí)的平均幅度屏蔽級，此時(shí)聲速剖面1、2對應(yīng)接收深度均為40 m。表3、4為信道隨接收深度變化時(shí)的平均幅度屏蔽級，此時(shí)聲速剖面1、2對應(yīng)傳播距離同為4 km。

根據(jù)表2、3結(jié)果，最小屏蔽級發(fā)生在聲速剖面2，35 m接收深度對應(yīng)情況。此時(shí)發(fā)射聲屏蔽仍能將直達(dá)波壓制到背景噪聲以下，接收端不會發(fā)生虛警情況。綜合分析，發(fā)射聲屏蔽在不同信道條件下，均對直達(dá)波干擾有良好的屏蔽效果。

表2 信道隨距離變化時(shí)的平均幅度屏蔽級

表3 不同接收深度下的平均幅度屏蔽級

2.2 基于正交匹配追蹤的發(fā)射聲屏蔽信道估計(jì)

2.2.1 基于發(fā)射聲屏蔽的目標(biāo)回波檢測

如圖3所示，目標(biāo)在雙基地聲吶基線上，位于雙基地聲吶探測盲區(qū)中。此時(shí)目標(biāo)回波為期望信號，直達(dá)波為干擾信號。下面考查雙基地聲吶對盲區(qū)內(nèi)目標(biāo)的檢測能力。

圖8為SIR=-20 dB，分別發(fā)射原始信號與自屏蔽信號時(shí)的信號檢測結(jié)果。圖8(a)、(c)分別為發(fā)射原始信號時(shí)，不含有和含有目標(biāo)回波的接收信號，在未對直達(dá)信號進(jìn)行抑制時(shí)，接收站難以從中檢測出回波信號分量，即無法實(shí)現(xiàn)對盲區(qū)內(nèi)目標(biāo)的檢測。圖8(b)、(d)顯示出，當(dāng)發(fā)射自屏蔽信號時(shí)，直達(dá)信號已經(jīng)被壓制到背景噪聲級以下，而且當(dāng)出現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，已可以從接收信號檢測出目標(biāo)回波。比較圖8(e)、(f)，發(fā)射聲屏蔽技術(shù)只抑制了直達(dá)波而并未削弱目標(biāo)回波信號。

2.2.2 基于發(fā)射聚焦聲屏蔽的目標(biāo)回波檢測

雙基地聲吶在以上實(shí)現(xiàn)對盲區(qū)目標(biāo)探測的過程中，只是利用了直達(dá)波信道結(jié)構(gòu)特性對直達(dá)信號進(jìn)行抑制，并未對回波信號進(jìn)行任何增強(qiáng)處理，屬于純屏蔽抑制。下面考慮在抑制直達(dá)波的同時(shí)，增強(qiáng)回波能量，以提高雙基地聲吶探測盲區(qū)目標(biāo)的能力.假設(shè)接收站已獲知回波信道結(jié)構(gòu)特性，可以采用章節(jié)1.2中的發(fā)射聚焦聲屏蔽技術(shù)。

圖8 發(fā)射原始信號、自屏蔽信號時(shí)的回波檢測結(jié)果

圖9 發(fā)射聚焦自屏蔽信號時(shí)的回波檢測結(jié)果Fig. 9 The echo detection result when transmitting the self-shielding signal

采用發(fā)射聚焦自屏蔽技術(shù)，圖9(a)為不存在目標(biāo)時(shí)的接收信號，圖9(b)為存在目標(biāo)時(shí)的接收信號。比較圖9、圖8，發(fā)射聚焦聲屏蔽能夠增強(qiáng)目標(biāo)回波能量，雙基地聲吶利用發(fā)射聚焦聲屏蔽能進(jìn)一步提高對基線盲區(qū)內(nèi)目標(biāo)的檢測能力。

相對于單純的發(fā)射聲屏蔽，發(fā)射聚焦聲屏蔽還應(yīng)當(dāng)注意：采用的直達(dá)信道為估計(jì)信道，無法達(dá)到理想情況下的完全屏蔽，存在屏蔽殘量，而發(fā)射聚焦聲屏蔽增加了回波信道成分，會影響屏蔽殘量，甚至?xí)糯笃帘螀⒘俊?/p>

2.2.3 目標(biāo)回波模型說明

目標(biāo)位于雙基地基線上，與發(fā)射站、接收站處于同一垂直面內(nèi)。由射線聲學(xué)模型計(jì)算出發(fā)射陣到達(dá)目標(biāo)的本征聲線及相應(yīng)的入射角、時(shí)延、衰減等信息。將每一根入射到目標(biāo)的聲線，視為在垂直面內(nèi)，以一定俯仰角入射到目標(biāo)的獨(dú)立平面波束，其在垂直面內(nèi)的散射分布服從目標(biāo)的散射函數(shù)。同樣根據(jù)射線聲學(xué)模型，計(jì)算該散射波達(dá)到接收站的本征聲線，最終模擬得到回波信道。仿真中，散射函數(shù)為硬球指向性函數(shù)，見[14]，其中ka=4，a為小球半徑，k為介質(zhì)中的聲波波數(shù)，k=2π/λ，λ為波長。

圖10為該仿真條件下，發(fā)射站到接收站回波信道結(jié)構(gòu)。本文的研究重點(diǎn)為對直達(dá)波的抑制，對回波模型、回波信道的仿真精確度要求較低，根據(jù)前文結(jié)果，當(dāng)回波信道與直達(dá)波信道不具有高相關(guān)性時(shí)，發(fā)射聲屏蔽均適用于雙基地聲吶的盲區(qū)目標(biāo)探測。

(a) 子信道1

(b) 子信道2

(c)子信道3

(d) 子信道4圖10 雙基地聲吶回波信道Fig. 10 The echo channel of bistatic sonar

仿真結(jié)果表明基于OMP法的發(fā)射聲屏蔽在常規(guī)干噪比范圍內(nèi)可以將直達(dá)波抑制到背景噪聲級以下,在不引起接收站虛警情況下，實(shí)現(xiàn)對盲區(qū)內(nèi)目標(biāo)的回波信號檢測。在已知回波信道條件下，發(fā)射聲聚焦屏蔽能獲得對目標(biāo)回波的聚焦增益，進(jìn)一步提高對盲區(qū)目標(biāo)的探測能力。

3 結(jié)束語

通過本文研究得出以下結(jié)論。發(fā)射聲屏蔽技術(shù)無需接收端處理，就能夠在強(qiáng)直達(dá)波干擾下檢測到同向目標(biāo)回波，實(shí)現(xiàn)雙基地聲吶對基線盲區(qū)內(nèi)的目標(biāo)檢測。在已知回波信道條件下，發(fā)射聲聚焦屏蔽能獲得對目標(biāo)回波的聚焦增益，進(jìn)一步提高對盲區(qū)目標(biāo)的探測能力。發(fā)射聲屏蔽技術(shù)對信道估計(jì)精度要求較高，如何在低信道估計(jì)精度下保證屏蔽效果將是下一步的工作重點(diǎn)。

[1]ZHAO Kexin, LIANG Junli, KARLSSON J, et al. Enhanced multistatic active sonar signal processing[J]. J Acoust Soc Am, 2013, 134 (1): 300-311.

[2]SHENG Xueli, LU Jia, DONG Weijia, et al. The research on the coverage area of multistatic sonar in various working modes[C]// Proceedings of Meetings on Acoustics. Providence, USA, 2014: 075005.

[3]NALUAI N K, LAUCHLE G C, GABRIELSON T B. Bi-static sonar applications of intensity processing[J]. J Acoust Soc Am, 2007, 121 (4): 1909-1915.

[4]鄒吉武. 多基地聲吶關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué),2012: 38-52. ZOU Jiwu. Study on multistatic sonar key echnologies[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012: 38-52.

[5]雷波,楊坤德,馬培鋒. 基于巴賓奈特原理的雙基地聲吶前向探測方法[J]. 探測與控制學(xué)報(bào), 2010, 32(2): 21-26. LEI Bo, YANG Kunde, MA Peifeng. Forward detection for bistatic sonar based on the babinet's principle[J]. Journal of Detection & Control, 2010, 32(2): 21-26.

[6]SONG H C, HODGKISS W S, KUPERMAN W A, et al. Experimental demonstration of adaptive reverberation nulling using time reversal[J]. J Acoust Soc Am, 2005, 118 (3): 1381-1387.

[7]惠俊英, 王大宇, 張光普, 等. 聲屏蔽水下多址接入研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2010,31(6): 703-709. HUI Junying, WANG Dayu, ZHANG Guangpu. Research on underwater multiple access based on acoustic shielding[J]. Acta Armamentarii, 2010,31(6): 703-709.

[8]惠俊英, 余赟, 惠娟, 等. 多途信道中聲屏蔽及聲聚焦[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 30(3): 209-306. HUI Junying, YU Yun, HUI Juan, et al. Acoustic shielding and acoustic focusing[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2009, 30(3): 209-306.

[9]THIERRY D, MARYLINE H, PIERRE S, et al. Efficient MISO system combining time reversal and OFDM/OQAM[C]// 20th European Wireless Conference, EW 2014. Barcelona, Spain, 2014: 499-503.

[10]鮑習(xí)中. 垂直陣時(shí)反被動定位及噪聲抑制技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué),2008: 30-31. BAO Xizhong. Research on time reversal mirror passive localization and noise suppression technology basedon vertical array[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2008: 30-31.

[11]生雪莉, 蘆嘉, 凌青, 等. 多基地空時(shí)碼探測信號設(shè)計(jì)及時(shí)反相關(guān)檢測技術(shù)[J]. 物理學(xué)報(bào),2014, 63(5): 054303. SHENG Xueli, LU Jia, LING Qing, et al. Design of multistatic sonar space-time code detection signal and time reversal copy-correlation detection technology[J]. Acta Phys Sin, 2014, 63(5): 054303.

[12]COTTER S F, RAO B D. Sparse via matching pursuit with application to equalization[J]. IEEE Transactions on Communications, 2002, 50(3): 374-377.

[13]XU Xiaoka, ZHOU Shengli, MOROZOY A K, et al. Per-survivor processing for underwater acoustic communications with direct-sequence spread spectrum[J]. J Acoust Soc Am, 2013, 133 (5): 2764-2754.

[14]汪德昭,尚爾昌. 水聲學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 1987：352-355. WANG Dezhao, SHANG Erchang. Underwater acoustics[M]. Beijing: Science Press, 1987:352-353.

Transmission shielding technology for bistatic sonar

LU Jia1,2,SHENG Xueli1,2,3, LING Qing3,DONG Weijia1,2,WU Feiyun4,SUN Xiaoyi1,2

(1.Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3.Science and Technology on Complex Ship Systems Simulation Laboratory, Beijing 100161, China; 4.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technique of the Ministry of Education, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

The area near the baseline is a dead zone for bistatic sonar. The echo and the strong direct wave will arrive in the same place simultaneously when the target is in the baseline area and the direct wave suppression method based on a spatial filter will fail. To detect targets in the dead zone, a transmission shielding method for a multi-element transmit system is proposed. The transmission shielding automatically suppresses the direct wave at the receiving station utilizing structural differences in multiple channels between the echo and the direct wave. The transmission shielding further focuses on the echo, so as to improve the Signal-Noise Ratio, using known echo channel information. The simulation results show the transmission shielding method can suppress direct wave interference for different multipath channels. Bistatic sonar can detect targets in the baseline area utilizing the transmission shielding method.

transmission shielding; bistatic sonar; target detection; dead zone; direct wave suppression; self-shielding signal; orthogonal matching pursuit

2015-03-27.

時(shí)間：2015-07-28.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179034)；海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))資助項(xiàng)目(1211).

蘆嘉(1987-), 男, 博士研究生； 生雪莉(1977-), 女, 副教授.

生雪莉, E-mail：shengxueli@aliyun.com.

10.3969/jheu.201503084

TB332

A

1006-7043(2015)09-1177-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20150728.1414.005.html