葉宇麒 丁烽 胡鵬

(第七一五研究所，杭州，310023)

多平臺(tái)主動(dòng)聲吶協(xié)同探測(cè)中，由直達(dá)波導(dǎo)致的的聲吶間互擾對(duì)探測(cè)效果產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[1]。互擾發(fā)生時(shí)，聲吶的有效觀測(cè)區(qū)域中出現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)探測(cè)盲區(qū)，嚴(yán)重的限制了各個(gè)平臺(tái)聲吶的主動(dòng)探測(cè)性能。由于互擾中直達(dá)波能量較強(qiáng)，僅僅利用空時(shí)域自適應(yīng)干擾抑制，無法有效抑制互擾，不能較為徹底的消除互擾產(chǎn)生的雜波，造成嚴(yán)重的虛警。互擾問題極大地限制了聲吶系統(tǒng)的探測(cè)性能，抑制多平臺(tái)主動(dòng)聲吶系統(tǒng)中的互擾是一項(xiàng)非常重要的工作[2-3]。

較為徹底的互擾抑制處理，需通過準(zhǔn)確檢測(cè)并剔除直達(dá)波，阻止直達(dá)波能量在空時(shí)處理中能量的泄露，消除由直達(dá)波產(chǎn)生的雜波。互擾的檢測(cè)方法包括邊緣檢測(cè)和匹配濾波檢測(cè)。邊沿檢測(cè)廣泛用于瞬態(tài)信號(hào)的檢測(cè)，通過對(duì)信號(hào)能量起伏變化的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)信號(hào)的邊沿檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)。邊沿檢測(cè)僅僅利用了互擾的能量信息，時(shí)延估計(jì)精度不高。匹配濾波檢測(cè)利用了信號(hào)的波形知識(shí)，通過信號(hào)相關(guān)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)直達(dá)波到達(dá)時(shí)間的精確估計(jì)[4-5]。但由于聲源發(fā)射組合信號(hào)，以及接收信號(hào)受到多途、混響、多普勒效應(yīng)的影響，匹配濾波檢測(cè)仍難以精確的估計(jì)直達(dá)波到達(dá)時(shí)間。不精確的互擾檢測(cè)結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致互擾抑制不徹底，潛在目標(biāo)信息不能被有效提取的隱患仍然存在。

為更加精確的進(jìn)行互擾抑制，本文研究了一種基于響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)法的多平臺(tái)主動(dòng)聲吶互擾抑制方法。使用自相關(guān)和互相關(guān)兩種函數(shù)，分別計(jì)算相關(guān)函數(shù)與數(shù)據(jù)匹配濾波輸出的范氏距離，衡量相關(guān)函數(shù)響應(yīng)結(jié)構(gòu)與匹配濾波輸出的相似度，精確檢測(cè)互擾[6]。在波束域中利用高斯白噪聲，將互擾區(qū)域白化處理，實(shí)現(xiàn)互擾的抑制，減少由互擾引起的雜波，降低虛警。

1 研究背景與方法

本節(jié)從主動(dòng)聲吶信號(hào)處理的基本流程分析互擾的形成原因與互擾造成的影響，分析與闡明響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)法的原理與處理流程。文中將本船發(fā)射的信號(hào)，稱為信號(hào)；信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后稱為回波；互擾信號(hào)稱為干擾。

1.1 主動(dòng)聲吶互擾形成原理

在常規(guī)的主動(dòng)聲吶信號(hào)處理中，預(yù)處理后的陣元數(shù)據(jù)經(jīng)過常規(guī)波束形成輸出（Beamforming Output，BFO）進(jìn)入匹配濾波處理。BFO與發(fā)射波形的拷貝信號(hào)進(jìn)行匹配，產(chǎn)生匹配濾波輸出（Matched Filter Output, MFO）。MFO經(jīng)過歸一化輸出進(jìn)一步抑制背景噪聲的能量。主動(dòng)聲吶信號(hào)處理流程圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)主動(dòng)聲吶信號(hào)處理流程圖

在互擾情況下，陣元數(shù)據(jù)中直達(dá)波的能量幅度比背景噪聲及目標(biāo)響應(yīng)高約30 dB。直達(dá)波能量在數(shù)據(jù)預(yù)處理、波束形成和匹配濾波后仍有顯著的殘留。在匹配濾波后，互擾產(chǎn)生的雜波與虛警更加凸顯。MFO的計(jì)算原理：

式中，τ是時(shí)間步長(zhǎng)，r（t）為已知理想信號(hào)的拷貝信號(hào)，s（t）為BFO，作為匹配濾波輸入。

在匹配濾波的頻域處理中，互擾能量通過時(shí)域數(shù)據(jù)卷積，泄漏到鄰近處理單元，在卷積計(jì)算中互擾的頻點(diǎn)能量使匹配輸出增大。這使得MFO的背景能量在互擾影響區(qū)域的起始時(shí)間提前，擴(kuò)大了互擾影響的區(qū)域。圖2為理想仿真條件下，信號(hào)與干擾在白噪聲背景中BFO、MFO和NRM的仿真結(jié)果。圖中設(shè)定信號(hào)脈沖起始時(shí)刻為第8 s，信號(hào)拷貝脈寬1 s，干擾脈沖起始時(shí)刻為第10 s，干擾拷貝脈寬2 s，兩者均為中心頻率1 500 Hz、帶寬500 Hz的HFM信號(hào)。比較BFO和MFO序列，信號(hào)在匹配濾波后出現(xiàn)尖峰，BFO中干擾區(qū)域第10～12 s比背景能量顯著提升約30 dB，但整體干擾區(qū)域延長(zhǎng)，在MFO中約在第9～12 s，整體影響時(shí)間約為3 s，背景能量幅度在干擾信號(hào)真實(shí)到達(dá)之前1 s開始上升，在第9 s時(shí)高于背景幅度約15 dB。BFO中的干擾區(qū)域在匹配濾波處理后向前延伸。比較MFO和NRM，在背景歸一化之后干擾區(qū)域的響應(yīng)幅度受到一定抑制，但干擾區(qū)域中仍然存在不同于背景噪聲的起伏，實(shí)際情況中這一區(qū)域會(huì)出現(xiàn)小的尖峰，產(chǎn)生大量雜波，在檢測(cè)目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生虛警，影響目標(biāo)的檢測(cè)。因此，常規(guī)的主動(dòng)聲吶信號(hào)處理并不能有效的抑制干擾。

圖2 波束形成、匹配濾波、背景歸一化結(jié)果

1.2 互擾的影響

互擾產(chǎn)生于多平臺(tái)主動(dòng)聲吶系統(tǒng)中非合作聲源發(fā)送的脈沖直達(dá)波。由于直達(dá)波能量較強(qiáng)，波束形成不能提供足夠的抑制，強(qiáng)烈的干擾導(dǎo)致 BFO中幾乎每個(gè)波束都存在互擾。主動(dòng)聲吶自發(fā)自收工作條件下，在以接收端為原點(diǎn)的極坐標(biāo)方位圖中，不同波束的互擾形成圓環(huán)形互擾區(qū)域。理想互擾模型如圖3所示，模型以高斯白噪聲模擬混響?；_在聲源方向及其附近的波束中較為顯著，不同波束受到互擾影響的程度不同。因此，互擾的抑制需要對(duì)不同波束進(jìn)行差異化的處理，減少抑制處理對(duì)潛在目標(biāo)的回波信息造成損失[7]。

通?；_及其產(chǎn)生的混響能量幅度高于背景噪聲15～30 dB，存在掩蓋潛在目標(biāo)的隱患。圖2的BFO中，假設(shè)目標(biāo)處于10～12 s間互擾區(qū)域時(shí)，由于信干比較低，被掩蓋部分的信號(hào)在后續(xù)處理中無法檢測(cè)到，這一區(qū)域在極坐標(biāo)方位圖中為互擾的環(huán)帶主體區(qū)域，如圖3所示。環(huán)帶主體區(qū)域的內(nèi)側(cè)是雜波區(qū)域。在圖2的BFO中，互擾在第10 s到達(dá)，第9～10 s間背景能量較為平坦。經(jīng)過匹配濾波后，MFO在第9～10 s間響應(yīng)幅度比第6～9 s間背景噪聲高約10 dB，在方位圖中形成雜波區(qū)域。雜波區(qū)域是干擾經(jīng)過匹配濾波產(chǎn)生的，徹底的抑制 BFO中的干擾，可以消除MFO中由干擾產(chǎn)生的雜波。因此互擾抑制的關(guān)鍵在于檢測(cè)準(zhǔn)確性以及徹底剔除直達(dá)波信號(hào)。

圖3 理想信號(hào)仿真互擾示意圖

為準(zhǔn)確的計(jì)算受到互擾影響的時(shí)間長(zhǎng)度，繪制理想條件下信號(hào)自相關(guān)、干擾自相關(guān)以及信號(hào)干擾互相關(guān)函數(shù)如圖4所示。圖中自相關(guān)函數(shù)時(shí)間長(zhǎng)度為信號(hào)脈寬的兩倍，互相關(guān)波形時(shí)間長(zhǎng)度為信號(hào)與干擾的脈寬之和。相關(guān)函數(shù)與匹配濾波的卷積計(jì)算過程是一致的，因此通過相關(guān)函數(shù)類比分析，在圖2的MFO中，干擾導(dǎo)致匹配濾波失配的時(shí)間為干擾與信號(hào)脈寬之和，互擾影響時(shí)間共計(jì)3 s。

圖4 理想信號(hào)自相關(guān)、信號(hào)干擾互相關(guān)、干擾自相關(guān)波形

1.3 基于響應(yīng)波形法的互擾抑制方法

響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)法衡量理想相關(guān)函數(shù)和MFO間的相似性。比較圖4中自相關(guān)互相關(guān)函數(shù)與圖2的MFO波形，理想條件下，互相關(guān)函數(shù)響應(yīng)的波形結(jié)構(gòu)與匹配波形非常相似，兩者都是以信號(hào)與干擾進(jìn)行卷積的計(jì)算結(jié)果。在MFO波形中，本文中以信號(hào)作為拷貝的匹配濾波結(jié)果稱為 O-MFO（Origin Signal Matched Filter Output），以干擾作為拷貝的匹配濾波結(jié)果稱為 I-MFO（Interference Signal Matched Filter Output）。響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)法中衡量相似度的基本方程為

式中，d為sx(t)和s0(t)的范氏距離；∈ ［t,t+T］，∈ ［0,T］；T是窗口長(zhǎng)度，由sx(t)確定；t是窗口內(nèi)的時(shí)間序列，為時(shí)域MFO數(shù)據(jù)時(shí)間窗口，為理想的互相關(guān)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)度，n是時(shí)間序列；s0(t)是MFO的結(jié)果，sx(t)是理想的相關(guān)函數(shù)。式（2）的目的是對(duì)歸一化后MFO和相關(guān)函數(shù)進(jìn)行波形比較，衡量相似程度。在獲得相關(guān)函數(shù)響應(yīng)結(jié)構(gòu)的比較結(jié)果后，進(jìn)行Lp范數(shù)的變換：

式中，p是范數(shù)階數(shù)，通過式（2）、（3）作為統(tǒng)一的相似度衡量標(biāo)準(zhǔn)，展開比較O-MFO與信號(hào)干擾互相關(guān)、I-MFO與干擾自相關(guān)、O-MFO與信號(hào)自相關(guān)、I-MFO與信號(hào)干擾互相關(guān)四種波形相似程度。四個(gè)分量評(píng)價(jià)因子的計(jì)算方法為

其中，式（4）、（5）描述了數(shù)據(jù)與干擾的相似程度，式（6）、（7）描述了數(shù)據(jù)與信號(hào)的相似程度。綜合四個(gè)因子項(xiàng)，評(píng)價(jià)特定時(shí)間序列與干擾信號(hào)產(chǎn)生的響應(yīng)結(jié)構(gòu)相似性[8]。響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)判別式為

式中，Dp是響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)的結(jié)果，Dl為門限。通過Dp的零點(diǎn)檢測(cè)，估計(jì)干擾到達(dá)時(shí)間。響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)法比匹配濾波檢測(cè)考察了更多信號(hào)與干擾的檢測(cè)信息，從信號(hào)失配、干擾匹配角度衡量數(shù)據(jù)段與干擾的相似程度。將自相關(guān)、互相關(guān)兩種結(jié)構(gòu)模型作為對(duì)比對(duì)象，計(jì)算四項(xiàng)范式距離結(jié)果，更加全面的評(píng)估互擾到達(dá)的時(shí)間。當(dāng)信號(hào)與干擾頻帶重疊時(shí)，鄰近互擾的目標(biāo)仍然可以得到有效的檢測(cè)。目前，該方法能基本滿足工程實(shí)際需要，因范數(shù)對(duì)距離d的變化較敏感，范數(shù)的階數(shù)與門限之間的具體關(guān)系后續(xù)還要進(jìn)一步研究。

準(zhǔn)確評(píng)估 BFO中每個(gè)波束干擾到達(dá)時(shí)刻后對(duì)干擾進(jìn)行白化處理。將干擾信號(hào)替換成高斯白噪聲，白噪聲的方差由較為平穩(wěn)的背景噪聲的方差評(píng)估所得。白化后的 BFO具有良好的隨機(jī)相位特性，在匹配濾波后抑制結(jié)果較為平滑，利于進(jìn)一步的目標(biāo)檢測(cè)。在改進(jìn)方法中，抑制處理的時(shí)間根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了補(bǔ)償和擴(kuò)展，對(duì)混響區(qū)域與艏艉盲區(qū)也利用白噪聲進(jìn)行了擴(kuò)展抑制。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，后向延伸的抑制時(shí)間長(zhǎng)度大約是干擾脈寬的1.25～1.5倍。當(dāng)干擾信號(hào)是組合信號(hào)時(shí)，不同階段信號(hào)在換能器起振和停止的瞬間都會(huì)引起能量泄漏，產(chǎn)生寬帶噪聲，相應(yīng)的替換時(shí)間設(shè)置也會(huì)隨之改變。本文研究的互擾抑制方法處理流程如圖5所示。

圖5 常規(guī)信號(hào)處理流程圖

2 海試數(shù)據(jù)處理結(jié)果

實(shí)驗(yàn)方案如下：試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)包括本船、三艘目標(biāo)船和一艘干擾船。節(jié)點(diǎn)初始位置及運(yùn)動(dòng)方向如圖6所示，本船位于坐標(biāo)的原點(diǎn)，自發(fā)自收，干擾船發(fā)射波形已知。目標(biāo)的回波信號(hào)是期望接收與識(shí)別的對(duì)象。干擾的直達(dá)波信號(hào)是需要抑制的對(duì)象。

信號(hào)與干擾的相關(guān)信息如下：本船發(fā)射 1 s HFM脈沖，帶寬500 Hz，中心頻率1 500 Hz。干擾船發(fā)射HFM脈沖，脈沖長(zhǎng)度2 s，帶寬、中心頻率和本船相同。干擾源最初距本船約28 km，并以6 m/s的恒定速度移動(dòng)。目標(biāo)T1的初始位置距本船10.5 km，設(shè)定航速為6 m/s。目標(biāo)T2的初始位置距本船15 km，設(shè)定航速為6 m/s。目標(biāo)T3的初始位置距本船13.5 km，設(shè)定航速為4 m/s。

干擾信號(hào)抑制處理前掃描結(jié)果如圖7所示，抑制處理后的掃描結(jié)果如圖8所示。通過疊加13幀快拍數(shù)據(jù)來展示連續(xù)處理結(jié)果，觀察目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡與抑制處理的效果。

圖6 干擾聲源、目標(biāo)、本船初始位置示意圖

圖7中，T1作為理想實(shí)驗(yàn)參考目標(biāo)，在干擾抑制處理之前運(yùn)動(dòng)軌跡清晰。T1回波在直達(dá)波前到達(dá)，極坐標(biāo)方位圖中位于直達(dá)波產(chǎn)生的環(huán)形干擾區(qū)域內(nèi)側(cè)，互擾抑制沒有削弱T1的檢測(cè)效果。T2朝向本船運(yùn)動(dòng)，在抑制處理前，運(yùn)動(dòng)軌跡被虛警掩蔽，無法辨識(shí)。干擾抑制后，雜波區(qū)域消失，T2的軌跡重新出現(xiàn)。比較T1與T2的軌跡，T2亮度較暗，這是由于 T2的部分回聲信息被干擾區(qū)域覆蓋，在互擾抑制過程中T2的回聲信息有所損失。T3的運(yùn)動(dòng)軌跡無法與雜波分辨。T3的回波信息與干擾信號(hào)有較多時(shí)間重疊，在部分快拍中，由于信號(hào)與干擾在時(shí)間上完全重疊，抑制處理后目標(biāo)仍然不可見。隨著 T3位置的變化，亮度逐漸變暗，軌跡出現(xiàn)中斷，僅部分快拍中可以辨識(shí)。比較T2與T3的抑制結(jié)果，經(jīng)過互擾抑制處理，可以更有效的觀察到互擾鄰近區(qū)域中原本被雜波掩蓋的目標(biāo)。從三個(gè)目標(biāo)綜合來看，針對(duì)不同波束互擾進(jìn)行差異化的抑制處理，可有效保護(hù)互擾較弱波束中的信息，保留互擾環(huán)帶內(nèi)側(cè)區(qū)域的目標(biāo)信息。

實(shí)驗(yàn)表明方法可行，干擾得到有效抑制。在受干擾影響的區(qū)域中，目標(biāo)可以重現(xiàn)。在信號(hào)和干擾時(shí)間相鄰、頻帶重疊時(shí)仍然可以進(jìn)行互擾的檢測(cè)與抑制。

圖7 互擾抑制前13幀海試仿真結(jié)果

圖8 互擾抑制后13幀海試仿真結(jié)果

3 總結(jié)

本文研究了多平臺(tái)主動(dòng)聲吶系統(tǒng)中的互擾抑制問題。利用響應(yīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法與高斯白噪聲替換干擾區(qū)域的方法，實(shí)現(xiàn)了較好的抑制效果。在抑制互擾的同時(shí)，波束域處理較陣元域處理更好的保留了目標(biāo)回波的信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在頻帶完全重疊的情況下，該方法在信號(hào)與干擾時(shí)間鄰近條件下仍具有良好的互擾檢測(cè)性能，抑制處理干擾，有效減少了互擾引起的雜波，目標(biāo)得到更好的辨識(shí)效果。