运动声纳混响的自适应抑制方法

运动声纳混响的自适应抑制方法

1.引言 http://WwW.LWlM.cOm

在水下反潜领域，为了有效对抗先进的安静型潜艇的威胁，主动声纳的应用又重新受到了人们的重视，而混响干扰及其抑制是主动声纳在实际应用中所必须面对的问题。混响作为水声学中基本物理现象之一，人们对它的研究由来已久[1]，混响理论也已日趋成熟。由于混响具有一系列特殊的性质，使得抗混响一直是困扰声纳信号处理的难题。混响是声纳主动工作方式特有的干扰，也是在近距离时的主要干扰，它是由海洋中大量无规则的散射体对主动声纳发射信号的散射在接收点叠加而形成的。尤其是在浅海环境下，混响强度很大，严重影响了目标的检测和参数的估计。当声纳载体有一定的运动速度时，不同方向的混响具有不同的多普勒频移，这使得混响谱在较大的范围内扩展开，从而使得目标的回波被掩盖在扩展的混响中，给目标的探测增加了难度。 声呐混响的产生机理和部分特性同机载雷达的地物杂波非常相似。1973年Brennan等人首次提出了空时二维自适应处理（STAP）的概念[3]，他们的研究表明，空时二维自适应处理可以有效的补偿雷达的平台运动效应，能获得理想的杂波抑制性能。国内外对STAP的理论研究已经相当成熟，为了使STAP走向实用，人们在降维降秩算法的研究上做了大量的工作，产生了各种各样的降维降秩算法，但这些算法多数都是针对机载雷达。由于声纳的工作环境远比雷达的工作环境复杂[4]，再加上声速远小于光速等原因使得声纳在处理方式上有别于雷达，具有自身的特点。因此，从雷达信号处理中发展成熟起来的STAP算法并不能直接应用到声纳的抗混响中，需要对信号波形以及算法和处理步骤进行优选与改进。

2.空时自适应处理的基本原理

2.1 空时最优处理

Brennan提出的空时二维自适应处理思想实质上是将一维自适应滤波技术推广到时间与空间二维域中。文献[5]对空时最优处理器进行了描述，给出了最优权矢量的求解公式。考虑一N元的等距线阵，时域采样数为K，设xnk（，）表示第n个阵元第k次时域采样的数据，则时空二维采样数据可以表示为，其中表示第k次空间快拍数据，。根据似然比检测理论导出的空时二维联合自适应处理结构，即“最优滤波器”采用了最大化信号干扰加噪声比（SINR）的原则，使得在干扰背景下尽可能地提高有用信号的可见性。该处理器可以描述为如下的线性约束最小化问题：

（1）

其中，表示由接收数据形成的协方差矩阵；表示NK×1维的处理器的权矢量；表示空时二维导向矢量，和分别表示时域和空域导向矢量，和分别为时域和空域角频率，为kronecker乘积符号。通过求解(1)式可以得到空时二维最优处理器的权矢量为：

（2）

其中表示归一化复常数，其大小不影响输出SINR大小。当然的不同代表着不同的约束条件，为了便于检测，对所有方位和频移采用一个恒定的检测阈值，通常采用单位增益的干扰加噪声约束条件，此时。

2.2 空时降维处理

空时二维最优处理器理论上能够得到最佳的处理效果，然而在实际应用中协方差矩阵估计及运算量方面的因素限制了它的实现与应用。后来人们开展了大量降维降秩空时自适应处理方法的研究。

多种降维方法均可描述为一个统一的形式，即通过一个适当的转换矩阵（NK×r维，r＜NK，应满足列满秩条件），使得各量相应转化为

转换后的最佳自适应权为：

（3）

通过这些转换，实现了r维空间上的处理，达到了降维的目的，当然，选择何种降维转换阵是决定性能的关键。

2.3局域联合处理（JDL）

局域联合处理（JDL）[6]由Wang H等人提出，是一种将原始数据变换到角度—多普勒域的降维方法，能够大大降低处理维数。其基本原理为首先对空时二维数据进行二维傅里叶变换，将杂波限制到某一很小的局域范围内，然后在待检测的通道附近选择一个矩形的区域对其进行联合的空时自适应处理。这一做法可以有效地降低系统的自由度，其原理如图1所示。

Wang H的研究表明，通常采用3×3的通道就可以取得较好的检测效果。这意味着不论原始数据包含多少阵元和时域采样数，通过该算法均可以将其进行有效的降维。当存在较大的幅相误差或环境较为复杂时，JDL方法应当适当增加局域处理的大小以便能够得到较好的处理效果。

3.仿真结果 图2为频移为350Hz时，JDL算法在不同方位上的检测输出，图3为相同条件下的常规输出。图4是两种方法在目标所在方位上http://WwW.LWlM.cOm（锥角余弦为0）的输出。需要指出的是，以上各图中JDL和常规算法都进行了恒虚警处理。可以看出，JDL算法大大增强了声纳检测目标的能力，这说明空时二维自适应处理能够有效抑制混响。

4.结论

通过文中的分析可以看出，由于声纳工作环境和工作方式有别于雷达，采用STAP来进行混响的抑制难度要高于雷达杂波的抑制。但是仿真表明，经过适当改造后的空时自适应处理充分利用了混响空时特性，所采用的空时滤波器能与混响的空时分布尽可能地一致，有效滤除了强混响的影响，取得了比常规处理方法更好的检测效果，是一种值得关注的新方法。

本文的分析与讨论多是基于理想情况假设下给出的，如何将STAP方法应用到不同的声纳阵型中和如何采用复杂发射波形是需要进一步讨论的问题。