两种干扰抵消方法在拖曳阵应用中的对比*

孙春艳　申和平　刘乙乐

(北京神州普惠科技股份有限公司　北京　100085)



两种干扰抵消方法在拖曳阵应用中的对比*

孙春艳申和平刘乙乐

(北京神州普惠科技股份有限公司北京100085)

强干扰抵消是大孔径光纤拖曳线列阵探测系统中的重要研究内容。常见的强干扰抵消方法是基于自适应滤波的干扰抵消，需要将干扰信号作为参考输入，属于时域处理方法。基于Bartlett权的波束零陷形成方法是频域处理方法，通过在干扰的方向形成零陷对干扰进行抑制。论文将这两种方法用于抵消实际拖曳数据中的近距离强目标，对比两种方法的抵消效果以及应用复杂度，为工程实践提供参考。实验结果表明，基于Bartlett权的波束零陷形成方法实现简单，可同时抵消多个干扰，且抵消效果更好，更适合工程应用。

强干扰抵消;自适应滤波;Bartlett波束零陷

Class NumberTB556

1　引言

大孔径光纤拖曳线列阵关注的是低频远距离目标，但由于减震降噪技术的发展，加上远距离的传播，阵列接收到的信号具有极低的信噪比。要成功地实现对弱目标的检测，光纤拖曳探测系统仅通过加大其阵列的孔径是不够的，本舰强干扰和近距离的强目标都会影响对弱目标的检测。对于拖线阵，本舰干扰可以通过加长拖缆的长度，使接收阵列远离本舰来减弱本舰干扰的影响。而对于近距离的强目标，只能通过改进信号处理算法来解决。

强干扰抵消方法有很多，比较常用的两种方法是基于自适应滤波的干扰抵消[1]和自适应零陷波束形成[2～3]。前者是时域处理方法，需要将强干扰信号作为参考输入，进行自适应滤波后获得干扰抵消后的输出。关键问题是参考信号的选取，被动的情况下参考信号未知，需要在干扰方向先进行预成波束，得到对干扰信号的估计。后者是频域处理方法，采用零陷权的方式来抑制干扰。本文研究的基于Bartlett权的零陷波束形成方法，仅需给定要抵消的干扰方位，在干扰方向上形成零陷，达到对干扰抵消的目的。

本文旨在寻找一种简单实用的干扰抵消方法。利用上述两种方法分别处理相同的拖曳阵探测数据，对比二者的实现复杂度和抵消效果。

2　频域块自适应滤波方法

基于自适应滤波的干扰抵消算法核心部分是自适应滤波，其将干扰信号作为参考输入进行滤波，得到抵消干扰后的输出。自适应滤波器[4]是以最小均方误差为准则的最优滤波器。传统的时域LMS是按点进行滤波的，在数据量大时运算效率低。频域块LMS自适应滤波方法使滤波过程一块一块的进行，改善了计算的复杂度，提高了运算的速率。这种实现方式最初是由Clark[5～6]和Ferrara[7～8]各自独立提出来的。FLMS算法的主要思想是，将数据分成若干块，每块含有N个点。每处理完一块后修改一次权值，通过傅立叶变换在频率域上完成滤波器系数的自适应。同时，算法中还用到了重叠存储的方法为快速卷积提供了强有力的工具。在文献[9]中对FLMS算法进行了详细的论述，在此仅给出算法实现的主要步骤。

在数据重叠50%存储的情况下FLMS算法的步骤如下：

1)初始化权向量为2M×1维零向量，估计功率为2M×1维全1向量。

2)输入信号为2M个点，每次更新M个点。对输入信号滤波：

3)误差估计：

e(k)=d(k)-y(k)

(3)

(4)

4)估计功率更新：

P(k)=λP(k-1)+(1-λ)|X(k)|2

(5)

η(k)=1/(1+P(k))

(6)

5)权值更新：

φ(k)=IFFT[η(k)XH(k)E(k)]的最前M个元素

(7)

(8)

算法中有两个参数需要设置，步长μ和遗忘因子λ，一般取值在0～1之间，对于不同的数据需要调节。

3　基于Bartlett权的波束零陷方法

当有多个相干声源同时存在于测量区域范围内时，希望可以找到一种权，使感兴趣的目标方位上波束形成输出功率最大，而强干扰或不感兴趣的目标波束输出为零。基于Bartlett权的零陷波束[10～11]形成方法就是基于这一准则。

上述准则利用公式进行描述，可以表述为

max(P1)=max(E[|y(t)|2])=max(WHE[X(t)XH(t)]W)

(9)

式中，max表示取最大值，W为待求解的最优权。X(t)为接收数据，是发射信号与目标方向的导向矢量的乘积。

式(9)中的权受下述条件约束：

(10)

式中θ1,θ2,…,θN为干扰的方位。a(θ1),a(θ2),…,a(θN)为干扰的导向矢量，经过求解可得波束零陷的最佳权向量为

(11)

式中，B=[I-H(HHH)-1HH]，在B中H=[a(θ1),a(θ2),…,a(θN)]。

得到加权向量后，利用加权向量对接收数据进行加权，即可得到零陷后的波束输出。

Popt(θ)=WHRW

(12)

4　拖曳实验数据处理

对2014年在某海域进行的海上拖曳阵试验数据进行处理。主要研究两种方法对近距离强目标的抵消效果，以及算法实现的复杂程度。拖线阵包含128个基元，间距2.4m。

对某时段的实验数据进行波束形成处理，得到的方位历程如图1所示。

图1　远场波束形成历程图

从图1中可以看到，该时段在120°附近存在一个强目标。

1)自适应干扰抵消方法

针对上述方位历程中120°方向强目标在某一时刻的数据进行自适应抵消，不同参数下的抵消结果如图2、3所示。

图2　抵消113°方向-步长0.8，遗忘因子0.5

图3　抵消113°方向-步长0.8，遗忘因子0.8

从图2和图3中可以看出，在步长为0.8，遗忘因子为0.5时，113°方向的信号被抵消7.24dB左右，而在步长为0.8，遗忘因子为0.8时，113°方向的信号仅被抵消2.73dB。说明不同的参数下抵消效果是不同的，实际中要想获得好的抵消效果需要对参数不断进行调节。

相同的参数对49°方向的目标进行抵消，抵消结果如图4、5所示。

图4　抵消49°方向-步长0.8，遗忘因子0.5

图5　抵消49°方向-步长0.8，遗忘因子0.8

从图4和图5中可以看出，对于49°方向的目标，两对参数下均只能抵消1dB左右，要想获得较好的抵消效果，还需不断调整参数进行尝试。且对于多个目标不能同时进行抵消，需循环处理。

2)Bartlett波束零陷

对(1)节的数据进行Bartlett波束零陷抵消，分别抵消113°和49°方向的目标，抵消结果如图6、7所示。

图6　抵消113°方向

图7　抵消49°方向

从图6和图7中可以看出，抵消前后113°方向目标的主瓣下降很多，在15.5dB左右，49°方向的目标抵消后也下降9dB左右。该方法没有需要调节的参数，仅需输入要抵消的方位即可。应用简单，效果较好。

要想同时抵消49°和113°的目标，只需在要抵消的方位处输入两个角度，就可以实现同时抵消。结果如图8所示。

图8　同时抵消两个方位

从图8中可以看出，同时抵消与分别抵消效果相同。

5　结语

本文将两种抵消方法应用于实际的海试拖曳数据处理中，对比在实际应用中两种方法的可行性。基于自适应滤波的干扰抵消方法，需要先在要抵消的方位预成波束获得参考输入，再进行抵消。不同的参数效果差别较大，且同一组参数并不适用于所有的干扰，调节起来较复杂，效果不佳。而基于Bartlett权的波束零陷形成算法不需要进行参数调节，且针对多个干扰可以同时抵消，抵消效果较好，简单易行。综上，基于Bartlett权的零陷波束形成方法更适合在抑制强干扰检测弱目标的实际中进行应用。

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[11]梅继丹,王新勇,惠俊英等.近场声聚焦波束形成与波束零陷研究[J].大连海事学报,2009,35(3):21-24.

Contrast of Two Interference Cancellations in the Application of Towed Array

SUN ChunyanSHEN HepingLIU Yile

(Appsoft Technology Co.Ltd,Beijing100085)

Strong interference cancellation is an important research aspect in the detection system of large-scale optical towed linear array.As a processing method in time domain,interference cancellation based on adaptive filtering,which is used commonly,requires interference signals as reference inputs.And as a processing method in frequency domain,null-forming based on Bartlett weight can restrain interference by null-forming in the direction of interference.In this article,both of two methods mentioned above are applied to cancel nearby strong target in practical data of towed array,the effects and application complexities of both methods are contrasted,and the results provide a reference for engineering practice.The experiment results show that null-forming based on Bartlett weight,which is able to cancel multiple targets simultaneously and more effectively,is more suitable for engineering application.

strong interference cancellation,adaptive filtering,Bartlett null-forming

2016年3月12日,

2016年4月28日

国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(编号：2013YQ140431)资助。

孙春艳，女，工程师，研究方向：水声信号处理。申和平，男，高级工程师，研究方向：水声信号处理。刘乙乐，男，工程师，研究方向：水声信号处理。

TB556DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.029