李楊 康林

（1.海軍研究院，北京，100161；2.中船重工海聲科技有限公司，宜昌，443005）

水聲導航設(shè)備是船舶航行保障的重要裝備，其工作性能直接影響到船舶航行安全。水聲導航設(shè)備通常包括單波束測深儀、多普勒計程儀等，均屬于主動聲吶范疇，具有相似的工作原理[1]。在實際使用環(huán)境中，海洋環(huán)境復雜多變、安裝平臺特性各不相同等因素均可能對水聲導航設(shè)備造成各種干擾，導致設(shè)備工作性能降低。

本文以單波束測深儀為具體研究對象，從干擾源和回波檢測方法兩個方面進行分析研究，提出抗干擾解決方法，通過自編仿真軟件，用航行試驗數(shù)據(jù)進行算法驗證。

1 干擾源分析

測深儀作為主動聲吶設(shè)備，當噪聲為主要背景干擾時，滿足主動聲吶方程[2]15-16：

式中，SL為聲源級，TL為傳播損失，TS為目標強度，NL為工作帶寬內(nèi)噪聲級，DI為換能器指向性，DT為檢測閾值。

當海洋混響為主要背景干擾時，使用混響級RL代替各向同性環(huán)境噪聲干擾（NL–DI），則主動聲吶方程變?yōu)椋?/p>

同時，考慮到在實際應(yīng)用過程中氣泡對設(shè)備的干擾，則影響測深儀工作性能的主要干擾因素為噪聲（NL）、海洋混響（RL）和氣泡等。

1.1 噪聲干擾

典型的噪聲干擾源有兩大類：海洋環(huán)境噪聲和船舶自噪聲[2]162-169。噪聲干擾對設(shè)備接收回波信號的具體影響可參看航行數(shù)據(jù)，高噪聲影響下的回波信號如圖1所示。

圖1 高噪聲背景回波信號

當環(huán)境噪聲增強時，回波時域信號淹沒在環(huán)境噪聲中，信噪比減小，通過現(xiàn)有檢測方法無法提取到有效的回波時延信息，從而影響設(shè)備工作性能。

1.2 海洋混響干擾

混響是海洋中大量的不規(guī)則散射體（如海洋生物、泥沙等）對入射信號產(chǎn)生的散射波在接收點處疊加而形成的。根據(jù)形成原因，可將混響分為三類[2]277-284：體積混響、海底混響和海面混響。當混響成為主要的背景干擾，在海底混響-海面混響的共同作用下，設(shè)備會接收到多次回波信號，如圖2所示。

圖2 混響干擾下接收信號

由于測深儀工作的信號回波源自海底對聲波的散射，所以海底混響直接影響回波信號大小。實測數(shù)據(jù)表明，海底散射強度主要受海底底質(zhì)、掠射角和聲波頻率等因素影響[3]。航行過程中由于海底底質(zhì)的變化和海底坡度起伏，海底散射強度將處于一個實時變化的過程中。根據(jù)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其變化范圍集中在-30～-10 dB，導致設(shè)備接收到的海底反射回波信號幅度是動態(tài)變化的。

1.3 氣泡干擾

船舶在航行過程中，船體與海水的相互作用導致船體底部水流中包含數(shù)量不等的氣泡；船舶系泊時，氣泡會依附在換能器輻射面形成具有屏蔽效果的氣泡層。根據(jù)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，氣泡層集中出現(xiàn)在船舶下方3.5 m以內(nèi)。海水中氣泡對測深儀的影響主要有以下兩個方面。

1.3.1 氣泡對聲波的吸收作用

海水中氣泡在入射聲波的作用下，作受迫振動，并作為次級聲源往周圍輻射能量，這個吸收聲能量的過程，導致入射聲波強度減弱。

1.3.2 氣泡對聲波的散射作用

由于海水中氣泡的存在，聲傳播介質(zhì)會表現(xiàn)出不均勻、不連續(xù)性，聲音在該介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生強烈的散射作用。致使聲波在經(jīng)過氣泡層之后強度減弱。同時由于散射波在換能器接收端的疊加，其作為虛假回波信號出現(xiàn)在接收回波中，將干擾設(shè)備正常工作。

2 回波信號檢測方法

測深儀在發(fā)射脈沖信號后，最主要的任務(wù)就是接收回波信號和回波信號時延的測定。目前常用的回波檢測及時延測定方法主要有能量檢測法和特征參量相關(guān)檢測法[4]。

2.1 能量檢測法

幅度及能量特征是直接反映測深儀接收回波特點的參數(shù)，最簡單最通用的回波檢測方法是能量檢測法[5]，具體包括回波前沿幅度門限檢測、回波幅度極大值檢測和能量中心收斂檢測。這三種檢測方法都是對信號幅度信息進行單次檢測判定，數(shù)據(jù)處理簡單快捷，但對隨機噪聲干擾敏感，需要較高信噪比，在近距離檢測時使用較為理想。在遠距離檢測中，由于存在聲波的傳播損失，距離越遠回波信噪比越低，幅度檢測可靠性也越低。

2.2 特征參量相關(guān)檢測

當系統(tǒng)的輸出（回波信號）是輸入（發(fā)射信號）作用于系統(tǒng)（聲信道）的結(jié)果時，輸出與輸入將是相關(guān)的，其相關(guān)性由輸入與輸出之間的互相關(guān)函數(shù)RXY(t1,t2)描述[6]55。利用該原理，通過計算回波信號和已知發(fā)射時延信號的互相關(guān)函數(shù)，尋找其峰值，便可獲得回波信號時延。

由于噪聲干擾與回波信號不存在相關(guān)性，互相關(guān)函數(shù)對隨機噪聲具有抑制作用，因此該檢測方法具有較好的抗噪聲干擾能力。由于淺水區(qū)域海面混響、海底-海面混響等為主要背景干擾，具有和海底回波信號相似的特征參量，同發(fā)射信號具有相關(guān)性，所以該檢測方法在近距離測量中效果不理想。

2.3 測深儀回波檢測方法實例

目前某型測深儀的回波檢測同時采用能量檢測法及特征參量相關(guān)檢測法，其具體檢測機制如下：（1）近距離同時使用兩種檢測方法，優(yōu)先選用能量檢測結(jié)果；遠距離使用特征參量相關(guān)檢測法；（2）能量檢測使用幅度判決的同時，增加脈沖寬度判決以降低對噪聲的敏感度。檢測流程如圖3所示。

圖3 回波檢測流程圖

測深儀檢測信號為已知信號，對于已知信號來說，最大信噪比準則下的最佳線性檢測系統(tǒng)為匹配濾波器[7]。匹配濾波器可以在輸出端給出最大瞬時功率信噪比，且只與輸入信號能量E、白噪聲功率譜密度N0/2有關(guān)，即輸出最大信噪比2E/N0。

根據(jù)測深儀工作原理可知，只需檢測回波信號時延信息，即可得到深度結(jié)果，而無需關(guān)注信號的頻率等特性。因此，采用回波包絡(luò)進行匹配濾波就可以完成檢測目的。對包絡(luò)匹配濾波器的濾波效果進行仿真，仿真條件為帶通采樣率16 kHz、長度256 ms、中心頻率20 kHz的單頻脈沖信號，帶通濾波器帶寬為2 kHz，信噪比為-60 dB的白噪聲。加入噪聲的信號先進行平方檢波，然后求得信號包絡(luò)級，對信號包絡(luò)級進行匹配濾波。匹配波形為長度256 ms的方波信號。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 匹配濾波器效果

測深儀設(shè)計過程中為了壓縮動態(tài)范圍，接收機采用時間增益控制技術(shù)[8]（Time Gian Control, TGC）。在整個量程中，接收機輸出的噪聲也會隨著時間的增加而呈逐漸增大之勢。此時，匹配濾波器輸出也會隨噪聲增大而增大，因此存在匹配濾波輸出峰值不是回波真正到達時刻的可能。

圖5 真實回波信號匹配濾波示意圖

3 抗干擾能力提升解決方法

影響測深儀等水聲導航設(shè)備工作性能的主要因素為：（1）海洋環(huán)境噪聲、平臺噪聲、體積混響等均增加了設(shè)備的背景噪聲，降低了回波信號的信噪比；（2）海底底質(zhì)、坡度，以及海水中氣泡的聲波吸收等均可能減弱海底回波信號級；（3）各影響因素的不穩(wěn)定性，導致回波信號幅度大小和信噪比都處于一個動態(tài)變化的過程中；（4）海水中氣泡層的聲波散射可能導致多次回波的出現(xiàn)，能量檢測或相關(guān)檢測都會受到干擾；（5）匹配濾波輸出結(jié)果由于TGC存在與理論不一致的情況（圖5），造成設(shè)備性能降低。通過理論及試驗數(shù)據(jù)分析等途徑，在上述檢測算法基礎(chǔ)上，提出如下抗干擾能力提升解決方法：（1）采用經(jīng)優(yōu)化的匹配濾波器，對回波包絡(luò)進行濾波，優(yōu)化匹配輸出結(jié)果；（2）采用動態(tài)門限檢測技術(shù)，以適應(yīng)設(shè)備工作中信號動態(tài)變化的情況，降低外界干擾影響；（3）采用氣泡窗口抑制技術(shù)，降低氣泡影響；（4）基于曲線擬合技術(shù)，實現(xiàn)海底跟蹤，提高正確檢測率，降低測深誤報率和失捕概率。

3.1 優(yōu)化匹配濾波器

為避免隨時間增大的噪聲使匹配濾波輸出的最大值不是回波真正到達時刻的問題，需將接收機輸出的噪聲背景平穩(wěn)均衡。針對測深儀回波包絡(luò)脈沖，采用優(yōu)化后的匹配濾波器[9]，其沖擊響應(yīng)函數(shù)為：

濾波輸出如圖6所示。這種匹配濾波沖擊響應(yīng)的濾波效果達到了很好的噪聲背景平穩(wěn)作用，經(jīng)過一定時延后，優(yōu)化匹配濾波后輸出的最大值就是脈沖到達時刻。

圖6 優(yōu)化匹配濾波器輸出

3.2 動態(tài)門限檢測

測深儀工作時，由于外界多種干擾源的共同作用，導致接收回波信號信噪比處在一個動態(tài)變化的過程中。采用固定幅度門限不利于海底回波信號的檢測，因此提出采用動態(tài)門限檢測來替代固定門限檢測，從而減低外界干擾的影響[10]。

設(shè)固定幅度門限為DT0，動態(tài)門限為DT0±6，每次檢測閾值的選定滿足：

式中，DT為當前檢測閾值；DT0為初始檢測閾值；SLr為上一次檢測到的海底回波幅度值；50為采用壓縮動態(tài)范圍之后的回波基準值，時間增益不同，取值不同。

3.3 氣泡窗口抑制

針對氣泡干擾，根據(jù)航行中氣泡出現(xiàn)位置的統(tǒng)計特性，引入“氣泡窗口深度”這一概念，作為氣泡識別區(qū)?！皻馀荽翱谏疃取倍x如下：

式中，Ha為換能器輻射面到氣泡層的距離，Hb為氣泡層厚度，Pulse為發(fā)射脈沖寬度等效距離。

當氣泡存在時，根據(jù)氣泡統(tǒng)計特性，其反射回波對應(yīng)深度將大概率的出現(xiàn)在“氣泡窗口深度”以內(nèi)。為了降低氣泡的干擾，則將“氣泡窗口深度”范圍出現(xiàn)的測量結(jié)果置信度降低，優(yōu)先采用“氣泡窗口深度”以外的檢測結(jié)果。

3.4 曲線擬合法

動態(tài)門限檢測法中，當檢測閾值減小時，必定導致虛警概率增加、誤報次數(shù)增加。氣泡窗口抑制方法優(yōu)先檢測“氣泡窗口深度”之外的回波信號，該方法導致設(shè)備在“氣泡窗口深度”范圍內(nèi)檢測靈敏度降低。針對這兩種檢測方法的不足，基于海底基本緩變的特點，充分利用歷史測量數(shù)據(jù)作為先驗數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)擬合[11]，為海底真實回波檢測提供參考。

采用最小二乘法對樣本數(shù)據(jù)進行曲線擬合[6]233?？紤]到海底在變化過程中出現(xiàn)山谷和山峰，即“∨”和“∧”的變化過程，遂擬合方程選用如下二次方程：

給定數(shù)據(jù)（xi，yi）（i=0,1,2，…，n–1），其中n為樣本量，式（6）可表示為：

最小二乘法擬合使得擬合誤差平方和最小，則其擬合誤差平方和[6]234：

上式中xi和yi為歷次測量值。為使上式取值最小，則其關(guān)于的一階導數(shù)應(yīng)為零：

即

根據(jù)上式獲得其增廣矩陣，通過行變化即可求出二次方程的系數(shù)

通過二次曲線擬合預(yù)估深度，再將實測深度與預(yù)估深度比較，實測數(shù)據(jù)與預(yù)估數(shù)據(jù)誤差小于統(tǒng)計樣本方差的1.5倍，則顯示輸出真實測量深度，否則顯示輸出預(yù)估深度。

4 仿真驗證

采用本文抗干擾能力提升解決方法，編制測深儀仿真檢測軟件，并利用實際航行數(shù)據(jù)進行仿真驗證。仿真試驗結(jié)果見表1，統(tǒng)計對比結(jié)果見表2。

表1 航行數(shù)據(jù)仿真試驗結(jié)果對照表

表2 檢測結(jié)果統(tǒng)計表

根據(jù)以上兩個測量結(jié)果統(tǒng)計對比表，從航行數(shù)據(jù)檢測結(jié)果分析得出，正確檢測次數(shù)整體得到提高，提高比率約0.1%到5%；錯誤檢測（虛警）次數(shù)大大降低，降低比率約0.3%到14.4%，統(tǒng)計所有仿真結(jié)果錯誤次數(shù)從17 140次降低到1 016次，虛警降低4.9%；正確檢測次數(shù)得到提高，從307 313次提升到312 752次，提高了1.65%。綜上所述，本文提出的抗干擾能力提升方法可有效提升設(shè)備整體檢測性能。

5 結(jié)論

通過對水聲導航設(shè)備工作原理及干擾源分析研究，結(jié)合測深儀實驗數(shù)據(jù)進行了分析驗證，結(jié)果顯示本文提出的抗干擾能力途徑有效可行。該方法已應(yīng)用于某型設(shè)備，并取得良好測量效果。由于水聲環(huán)境的復雜多樣性，尤其是氣泡干擾在實際使用中對聲學設(shè)備的影響，還有待進一步研究及試驗驗證。