一种基于声起伏特性的水面干扰抑制方法

付留芳，赵国君，张大伟，章新华



一种基于声起伏特性的水面干扰抑制方法

付留芳1,2，赵国君3，张大伟1，章新华1

(1. 海军大连舰艇学院，辽宁大连 116013；2. 中国人民解放军92337部队，辽宁大连 116001； 3. 中国人民解放军91913部队，辽宁旅顺 116041)

利用水面目标和环境噪声起伏较大，而水下目标的声信号起伏较小的特性，可以有效抑制水面干扰，提高水下目标的检测概率。对于单基元频谱分析采用非线性滤波器，进而针对阵列信号处理提出一种基于非线性滤波的连续时间方位历程水面干扰抑制方法。最后，对Swell96的实验数据进行了处理，单基元信号处理结果表明，振幅非线性滤波器和复声压非线性滤波器对于稳定线谱的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)增益可达15 dB和30 dB；阵列信号处理结果显示所提出的方法能够有效抑制水面声源的航迹，提高水下声源的发现概率。

水声；声场起伏；水面干扰抑制；先进的Wagstaff积分抑制求和处理器

0 引言

声场具有起伏性，传统意义上认为这种特性使得水声信道更加复杂，对信号检测构成干扰。但是，有研究表明这种起伏特性可以用于提高对特定信号的检测概率。对于窄带信号，输出功率对于声信号起伏非常敏感，文献[1]、[2]中采用先进的Wagstaff积分抑制求和处理器(AdvancedWISPR (Wagstaff’s Integration Silencing PRocessor) SUMmation，AWSUM)，对WISPR采用了更高阶的滤波，结果表明频谱分辨率和空间分辨率均有很大的提高，并且通过实际数据处理表明对于低起伏的声信号，信噪比增益可达20 dB。声起伏主要来源于：时变空变的热盐结构，湍流，内波，不规则运动的海面产生的反射，声源和接收之间的距离变化，等等，但是这些产生声起伏的声源或机制主要集中在海面附近。因此，水面船只和海面风成噪声的信号具有更加明显的起伏特性。文献[3]将改良的方向性估计技术(Directivity Improved Estimation Technique，DIET)与AWSUM相结合，进一步提高了信噪比和分辨率。一般来说分辨率和信噪比要同时改善是不容易的，而该方法将直接去卷技术应用于AWSUM滤波器，使得信噪比和分辨率同时得到提高；该方法又称为DIET AWSUM。空域分辨率的提高受限于阵列孔径。最典型的例子，在SOFAR(SOund Fixing And Ranging)声道中的声信号是低起伏的声信号，而海面风成噪声是高起伏声信号。这些方法主要旨在解决水下目标稳定线谱的提取，但是实际中很难区分线谱的来源。本文从连续时间目标方位角度出发，对水面干扰进行抑制。

1 声场起伏特性[4]

由于海水介质及其界面的随机不均匀性的散射和折射导致接收点信号波形的变化，称之为声信号起伏[5]。海洋中存在种类繁多的随机不均匀性。海面具有随机时变、空变的波浪；海水中有冷热不均的随机水团，称之为温度微结构；海水中还有随机游动的鱼虾及浮游生物群；海底的地貌及其声学特性也是随机不均匀的，海洋中还存在随机的内波和潮汐。声信号起伏分为两个方面：振幅起伏和相位起伏。信号的振幅起伏是经常出现的现象，通常在声影区较大，在亮区较小。声信号的相位起伏随振幅起伏的增大而增大，通常相位起伏的方差在几十度以内，可以观察到更大的相位起伏，但是这种起伏是十分缓慢的。

信号的振幅起伏对声呐系统的影响是不容忽视的，对于门限检测器来说，在大信噪比时，信号起伏导致漏报概率增加，在小信噪比时，使检测概率增加。但是后者无实际意义，因为这时检测概率很低，远不能达到正确检测目标的目的。对于使用简单的门限检测器的测时系统，信号振幅起伏也导致测时误差增加，在水声通信中，信号起伏也称为信号衰落，导致通信质量时好时坏。文献[1]中分析了一组信号样本，包括水下信号、水面起伏声信号和噪声信号，结果是水下信号方差为，两种水面信号的方差分别为10.0和8.4，噪声数据的方差分别为8.8和7.2。这组数据也从实际观测的角度说明了海洋声信号的起伏特性。

2 基于声场起伏特性的非线性滤波器

2.1 单基元非线性滤波器

通常采用线性平均的方法对一些起伏分量进行抑制，分别从振幅起伏和振幅相位起伏两个方面来介绍非线性滤波器。

2.1.1 振幅非线性滤波器

由第1节可知，噪声和水面信号较水下信号具有更多的不稳定性。通常通过平均处理来抑制掉起伏信息，提高信噪比。基本原理如下：

R. A. Wagstaff提出了一种基于波动起伏的非线性滤波器[2]，可以抑制起伏变化大的频谱信号，比常规平均方法具有更好抑制起伏频谱的性能。基本模型如下：

2.1.2 复声压非线性滤波模型[5]

2.1.1中的方法只考虑了振幅的起伏性，而没有考虑相位的影响，下面定义序列为单水听器接收信号经过FFT变换得到的复声压值。第个复声压值具有如下形式：

其中：表示幅度；是复相位因子。该相位因子具有如下形式：

(4)

(6)

理论上，考虑了相位起伏之后，会进一步增加稳定信号的相干性，使得信噪比的提高较振幅非线性滤波器更加明显。

2.2 阵列非线性滤波器

单基元处理后提取的线谱存在能量较宽带信号弱、难以进行长时间连续观测等问题，这里提出一种进行连续时间方位观测的方法进行直观有效的观测。

被动声呐信号处理中，频域波束形成在每个时刻可以得到一个关于频率与方位的二维矩阵(Frequency Azimuth FRAZ)。这里定义：

(10)

其中：表示第个频率点；表示处理频段内的最小频率；表示处理频段的最大频率。是非线性滤波器的滤波参数。对频域波束形成在每个时刻的FRAZ进行非线性滤波可得到其方位历程图。

3 非线性滤波器在水面干扰抑制中的应用

美国海洋物理实验室(Marine Physical Lab)等单位在1996年5月10日至18日于圣迭戈市附近海域开展了SWellEx-96水声试验。本文采用此次水声试验S5部分的海试数据对非线性滤波器抑制水面干扰的有效性进行验证。

此次海试发射船共拖有两个声源，其中一个声源为“深”声源(J-15)，拖曳深度大约为54 m，发射由13个频率组成带宽为0~400 Hz的宽带CW信号；另一个声源为浅声源(J-13)，拖曳深度大约为9 m，发射由9个频率组成带宽为100~400 Hz的宽带CW信号，具体情况如表1所示。

表1 不同深度处声源频率(Hz)

* 深：54 m；浅：9 m

3.1 单基元处理

对单基元(水听器)信号进行时频分析，得到个频谱，采用式(1)在对不同时刻的频谱进行处理。

图1对比了WISPR方法与常规平均方法的结果，由图1可知，WISPR较AVGPR方法对于稳定线谱的检测，SNR提高约3 dB。图2对AWSUM4方法和AVGPR方法进行了对比，对于稳定线谱的SNR增益可达15 dB。而且可以明显观察到对于深声源辐射声信号的信噪比增益大于浅声源，尤其以浅声源辐射的198 Hz的声信号和深声源辐射的201 Hz的声信号对比明显。通过这些处理说明这种方法对频谱起伏大的信号具有很好的抑制作用，提高了谱线信噪比增益。

图3是采用复声压非线性滤波器和常规平均方法分别得到的功率谱密度。可见，复声压非线性滤波方法较常规平均方法，信噪比提高可达30 dB。

3.2 阵列处理

对水平阵的15个基元接收声信号，截取1小时的数据进行处理。处理结果如图4和图5所示。

图4是采用常规平均方法所得的结果，其中方位跨度大的是“浅”声源的航迹，方位基本不变的是“深”声源的航迹。通过图4可见，“浅”声源是一个强干扰，在其影响下，“深”声源的航迹很不明显，水下目标受到水面干扰的严重影响。采用2.2节的方法，对频域波束形成在每个时刻的FRAZ采用AWSUM4处理所得的结果如图5所示。图5中“浅”声源的影响被完全抑制，说明该方法有效抑制了水面强干扰。

4 结论

声起伏一般来说对水声探测是有害的，本文利用水面目标和环境噪声起伏较大，而水下目标的声信号起伏较小的特性，采用非线性滤波器，可以有效抑制水面干扰，提高水下目标的检测概率。文中采用非线性滤波方法对Swell96的实验数据进行了处理，验证了该方法的有效性。

[1] Wagstaff R A. The AWSUM filter: A 20-dB gain fluctuation-based processor[J]. IEEE journal of Oceanic Engineering, 1997, 22(1): 110-118.

[2] Wagstaff R A. The Wagstaff’s integration silencing processor filter: A method for exploiting fluctuation to achieve improved sonar signal processor performance[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1998, 104(5): 2915-2924

[3] Gardner S D, Wagstaff R A. DIET AWSUM: A fluctuation-based deconvolution technique for enhancing signal-to-noise ratio and resolution[J]. IEEE journal of Oceanic Engineering, 1997, 22(1): 119-127.

[4] 惠俊英, 生雪莉. 水下声信道[M]. 北京: 国防工业出版社. 2007.HUI Junying, SHENG Xueli. Underwater acoustic channel[M]. Beijing: National Defense Industry Press. 2007

[5] Wagstaff R A. Exploiting phase fluctuations to improve temporal coherence[J]. IEEE journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(2): 498-510.

A method of surface interference suppression based on acoustic fluctuation

FU Liu-fang1,2, ZHAO Guo-jun3, ZHANG Da-wei1, ZHANG Xin-hua1

(1. Dalian Naval Academy,Dalian116013, Liaoning, China; 2. Unit 92337 of PLA, Dalian116031, Liaoning, China,3. Unit 91913 of PLA, Lüshun 116041, Liaoning,China)

Clutter signals from ships and noise from the wind and sea surface have relatively high fluctuation characters, but the signals from the sources submerged can be more stable. This phenomenon can be used to suppress the surface interference and to improve the detection probability of the submerged target. The nonlinear filter is used to analyze the spectrum for a single hydrophone, and a method of surface interference suppression for consecutive course is presented in the paper for array processing. Then, the experimental data of Swell96 are processed to prove the effectiveness of the method. The data processing for a single hydrophone shows that the SNR gain for stable line spectrum can be 15 dB and 30 dB with amplitude nonlinear filter and complex sound pressure nonlinear filter respectively. Array processing illustrates that the bearing time track of surface source can be suppressed to improve the detection probability of submerged source.

underwater acoustics; acoustic fluctuation; surface interference suppression; AdvancedWISPR (Wagstaff’s Integration Silencing PRocessor) SUMmation (AWSUM)

TB533

A

1000-3630(2016)-03-0214-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.005

2015-07-01;

2015-10-10

国家重大安全基础研究项目(613220030101b), 大连舰艇学院科研发展基金(DJYKYKT2015-09)资助。

付留芳(1989－), 女, 河南洛阳人, 硕士, 讲师, 研究方向为水声信号处理。

付留芳, E-mail:fuliufanghenan@126.com