主动声呐子带融合处理方法

朱建峰

（第七一五研究所，杭州，310012）

1 子带融合处理方法提出

现有的主动声呐朝着宽带方向发展，当前的趋势是发射全部有效带宽，目的是为了通过增加分辨率来抑制混响[1,2]，当声呐带宽增加到一定限度时，目标开始过分辨，声呐性能随带宽增加而下降，当存在多径时，因为多径放大了目标过分辨率，使得带宽限度减小。目标过分辨将导致能量分段，从而降低检测概率，同时，大的带宽改变了混响匹配滤波包络的统计分布，从传统假设的瑞利分布转变为严重拖尾的K分布，将导致更高的虚警概率[1]。

可以利用环境知识和模型来预测最优发射带宽，但当前声呐可能工作在一个固定的频率范围，其可能不是最优形式，在这样条件下，可以通过子带融合处理来利用最优带宽知识，获得更好检测效果。子带处理就是用一组互不相交的子带滤波器，对全带匹配滤波输出进行滤波，再进行适当的融合，这里给出子带融合处理方法。

2 子带融合处理流程

传统的全带处理流程如图1所示，子带融合处理流程如图2所示，子带处理是在全带匹配滤波输出的基础上通过子带滤波器组，子带滤波器组覆盖了发射信号整个带宽，且不重叠，每个滤波器的带宽等于最优带宽，这里最优带宽等于相干带宽，即信道时延扩展倒数，实际在使用时，当相干带宽较小时，处理经验表明可以取最优带宽为相干带宽的5至10倍。

融合检测方法，是利用N路子带输出数据进行联合处理，这里先将每一路数据与门限比较，门限是根据确定的虚警概率由仿真计算得到，当大于门限时则认为该路有信号，否则认为无信号。然后再使用融合门限M/N融合检测，即当N路中有M路以上同时检测到信号时，才认为有目标，否则认为是干扰。融合门限M/N的取值比较关键，其选择根据经验，经验取值为60%～80%之间。

图1 全带处理流程

图2 子带融合处理流程

3 有保护窗归一化方法

归一化，其主要功能是去除背景干扰的时间或距离相干性。对于给定的虚警率，所有序列只使用一个固定的门限。传统的归一化方法取两旁数据时没有保护窗，混响和背景噪声能量平均值用被归一化数据两旁的数据来估计；而有保护窗归一化方法，如图 3，其在被归一化数据两旁加入了保护区域，避免目标能量进入背景噪声计算中，背景噪声功率使用辅助数据段中的数据进行估计。

图3 带保护窗归一化方法

为了适应环境变化，保护段长度将取决于水声信道传播特征，也就是说，时延扩展越大，保护段越宽，保护段可取等于时延扩展宽度，时延扩展的获取可以使用模型仿真或水声信道试验扩展理论进行估计[3]。

使用KRAKEN模型进行仿真，海洋环境参数为：海深H=150 m、海水声速c1=1500 m/s、海底声速c2=1584m/s、海底密度ρ2=1.608 g/cm3和海底衰减系数a2=0.282 dB/λ，收发深度都为海深一半。换能器发射信号脉宽为0.01 s，中心频率为3000 Hz，带宽为500 Hz 的HFM信号。经过模型仿真，时延扩展约为20 ms，所以相干带宽为50 Hz，为了便于实现，取最优带宽为100 Hz，即需要5路子带滤波器，取融合门限为3/5，取虚警概率PFA=1‰。图4为仿真的 ROC曲线，带保护窗子带处理与全带处理 ROC曲线比较可得，子带处理结果要优于全带处理结果，且其可对现有的声呐进行较少的改动，就可以提高检测性能。

图4 子带、全带处理ROC曲线比较

4 湖试数据处理结果

在千岛湖水声实验站，发射中心频率为 2500 Hz，带宽为1000 Hz的LFM信号，脉宽为50 ms，进行全带处理与子带融合处理比较。

4.1 高信噪比下获得信道时延扩展

图5为湖试时发射强信号经过信道传输后接收到的高信噪比波形，信号出现在0.5 s左右，具有很高的信噪比。图6为使用拷贝相关处理后得到的时延扩展图[3]，时延扩展约为 50 ms，则千岛湖湖试试验时，信道相干带宽约为20 Hz，不同试验环境下，信道时延扩展不同。

图5 接收信号波形

图6 时延扩展图

4.2 低信噪比下检测结果比较

图7为发射弱信号经过信道传输后接收到的低信噪比波形，根据时频图分析得接收信号约在 1s处，其他处没有信号，只有噪声，且在6s后有很强摩托艇噪声干扰。

图7 低信噪比下接收波形

在信号检测处理中取虚警概率为 10-4，经Monte Carlo仿真得RC检测器检测门限为18.42，RCI检测器检测门限为8.9，子带检测器检测门限为6.35。

图8为全带RC检测结果，图8(a)为RC检测器直接输出，从中可知，由于环境噪声起伏比较大，需要对其做归一化处理；图8 (b)为带保护窗归一化及检测结果，相关峰值从背景噪声中凸显出来，由于已知信号约在1 s处，所以RC可以检测出信号，但其有一次虚警。

图8 RC检测结果

图 9为子带处理结果，由于时延扩展约为 50 ms，则相干带宽约为20 Hz，最优带宽可取为200 Hz，则需要5路子带滤波器，融合门限取经验值为3/5。图9(a)为5路子带归一化输出，图9(b)前五幅对应于5路子带检测结果，值为1表示检测到信号，最后一幅为5路子带融合后结果。从处理结果看出，在同样的虚警概率下，子带不但可以正确检测出信号，且没有虚警。

图9 子带检测结果

5 结束语

子带融合处理方法，利用环境知识和模型来预测最优发射带宽，在现有装备全带匹配滤波输出数据基础上进行子带滤波、融合检测，结合时延扩展知识，进行有保护窗归一化处理，理论和湖试都取得比常规全带处理更好的结果。

[1] BALDACCI A, HARALABUS G, CORALUPPI S.Sub-band processing:An environmental adaptation strategy applicable to existing navy sonar systems[C]. UDT Europe,2007.

[2] 刘贯领. 浅海主动声呐波形设计和抗混响检测技术研究[D]. 中国舰船研究院, 2007: 25-54.

[3] 朱建峰.水声信道时延扩展分析[J].声学与电子工程，2011, (3):7-10.