主动声纳空时自适应处理算法研究∗

李玉伟 周敏佳（.海军驻上海地区水声导航系统军事代表室上海008）（.海军驻无锡地区军事代表室无锡4000）

主动声纳空时自适应处理算法研究∗

李玉伟1周敏佳2
（1.海军驻上海地区水声导航系统军事代表室上海201108）
（2.海军驻无锡地区军事代表室无锡214000）

为了提高混响背景下声纳的检测性能，十分有必要进行抗混响信号处理算法研究。针对混响抑制的算法很多，论文重点研究了主动声纳空时自适应处理（Space Time Adaptive Processing，STAP）技术，详细分析了空时自适应处理算法的原理和流程。在混响背景下对算法进行了仿真分析，具有较为理想的抗混响效果，为其工程实现奠定了理论基础。

声纳检测；混响抑制；空时自适应

Class Num ber TN911

1 引言

在浅水环境下，混响严重地影响着主动声纳的检测性能。当声纳载体运动时，不同方位的混响具有不同的多普勒频移，使得声纳阵元级的混响在频谱上呈现大幅扩展的现象，采用常规波束形成难以有效消除由旁瓣进入接收机的混响。然而，当目标相对于声纳具有非零的径向速度时，在声纳接收信号的方位/频移二维平面上目标回波同混响是分离的，从理论上讲两者是可以区分开来的［1~2］。

1973年Brennan等首次提出了空时自适应处理（Space Time Adaptive Processing，STAP）的概念，空时自适应处理充分利用运动平台接收混响的空时结构特性，对回波进行空时二维自适应处理，可以有效地补偿雷达的平台运动效应，从而在理论上获得理想的杂波抑制性能，达到最佳的检测效果。声纳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，STAP方法也可以在声纳抗混响处理中发挥作用［3］。

2 空时自适应处理算法研究

2.1 原理说明

STAP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。空时自适应处理器是一个线性滤波器，它将要检测的一个距离门内的所有接收数据组合成一个标量输出，波束形成和多普勒分析同时进行。该方法的出发点是利用了干扰及噪声的平稳性（或局部平稳性），通过对待检数据附近干扰及噪声的统计特性进行估计来给出待检数据的最优加权系数［4］。

图1为空时滤波进行空时杂波抑制的原理。

在图1中可以看到沿方位/多普勒平面对角线运动的杂波谱。采用空时自适应滤波时，空时滤波器工作在整个多普勒/方位平面上，滤波器沿杂波谱的轨迹形成了非常窄的凹槽，使得甚至慢速目标可能落入通带并能被探测到。同时，空时杂波抑制滤波器工作在多普勒/方位平面内，所以空时滤波器具有自身运动补偿能力。

2.2 最佳空时自适应处理

考虑一N元的等距线阵，时域采样点数为K。设xnk表示第n个阵元第k次时域采样的数据，其中n=1，2，…，N，k=1，2，…，K，则空时二维采样数据可以表示为

式中Xs，k=[x1，k，…，xn，k]T表示第k次空间快拍数据，T表示转置。

求解每一次空时采样点xnk的加权系数wnk，然后将所有的空时采样进行复加权并求和输出，可以表示为

最优滤波器描述为如下的线性约束最小化问题。

通过求解式（3），可以得到空时二维最优处理器的权矢量Wopt为

式中：μ=(SHR-1S)-1表示归一化复常数，W表示NK*1维的处理器的权矢量。R=E[XXH]表示由接收数据形成的协方差矩阵。S表示空时二维导向矢量，表达式为S=St(wt)⊗Ss(ws)，即两者的kronecker乘积，wt和ws分别为时域和空域角频率。等距线阵的时域导向矢量St(wt)和空域导向矢量Ss(ws)分别具有以下的形式：

式中wt=2πfd/fs为归一化的时域角频率，fd为多普勒频移，fs为时间采样频率；ws=2πd cosψ/λ为归一化的空域角频率，d为线阵相邻阵元间隔，λ为波长，ψ为探测方向（视角）与线列轴线的夹角，称为锥角。

从式（4）可以看出，表达式由杂波协方差逆矩阵和目标矢量两部分组成，第一部分相当于对杂波进行白化，后一部分相当于对目标信号进行空域的波束形成和时域的匹配滤波，因此，其实质是广义的维纳最优匹配滤波器［5］。

2.3 降维空时自适应处理

最佳空时自适应处理的难点在于计算量巨大，混响背景的估计不准，造成最佳空时自适应处理性能下降，甚至算法无法进行，同时带来了系统复杂程度和成本的增加。十分有必要降维空时处理的研究。本文中重点介绍两种应用前景较大的方法［6］。

1）时空级联自适应处理（TSA）

TSA方法是常规处理方法的扩展，该方法同时涉及信号的时间和空间处理，而且在比较理想的情况下可以取得较好的结果，可以将其视为一种广义的STAP方法。

TSA方法先用深加权的时域滤波器预处理，将接收信号变成一组窄带信号，在时域先抑制大量的杂波，再对窄带信号进行自适应波束形成，用来抑制剩余的杂波。其基本思想就是用一组多普勒滤波器，对混响谱进行窄带分割，使每个多普勒通道输出的混响在空域上仅位于一小锥角区。在非主混响区，小锥角区混响与目标在空域上可分离，后续自适应空域处理将小锥角区的混响有效滤除［7］。

2）局域联合处理（JDL）

局域联合处理（JDL）是由Wang H等提出，是一种将原始数据变换到角度-多普勒域的降维方法，能够大大降低处理的维数。其基本原理是：首先对空时二维数据进行二维傅里叶变换，将杂波限制在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。这一做法可以有效降低系统的自由度，Wang H的研究表明，通常采用3´3的通道就可以达到较好的检测效果。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方法可以通过增加局域处理的大小，以便能够得到较好的处理效果［7］。

3 空时自适应处理仿真结果

使用水声学中广泛应用的单元散射模型对CW信号混响进行仿真，CW信号的中心频率f0= 3KHz，脉宽T=40ms，且仿真目标回波的方位为65°，频移为30Hz，目标的运动速度15节，信混比为-10dB。图2和图3给出了CW信号混响仿真数据常规处理与空时自适应处理的对比图。

3.1 常规处理

常规处理为对回波信号进行空域的常规波束形成，再进行时域上的匹配滤波，以获得回波的方位和速度信息［8~9］。

3.2 空时自适应处理

对于同样的仿真数据，使用空时自适应算法进行处理，空域和时域的处理同时进行，并根据背景信息实时的给出最优加权系数（数据量小时，进行全维处理以取的最佳处理效果；数据量大时，为保证运算效率，采取降维处理的措施），加权到空时导向向量，作用于回波数据，在减小混响的干扰的同时，保证目标信息不受损失，从而更有效地提取到目标的方位和速度信息。

从图4和图5的仿真结果可以看出，在混响背景下检测，进行常规处理时，信号存在强混响的干扰，因而十分有必要进行混响的抑制。在进行空时自适应处理后，混响得到一定的滤除，目标的方位、速度信息更易提取，目标的检测能力得到很大的提升。

4 结语

本文详细分析了空时自适应处理算法的原理和流程。全维空时自适应处理算法运算量巨大，无法满足实时性要求。本文详细介绍了水声领域比较有应用前景的降维空时自适应处理算法，进行了混响背景下目标信号检测的仿真工作，对比常规处理，取得了一定的抗混响效果。

实际海洋环境的波动剧烈，辅助样本的不准确，将会使算法性能下降甚至失效，因此论文后续将继续研究稳健自适应算法研究，提高算法的稳定性，为其工程实现提供有益的支撑。

［1］王永良，彭应宁著.空时自适应信号处理［M］.北京：清华大学出版社，1999.

［2］王磊，朱埜，孙长瑜.空时处理及在混响抑制中的应用［J］.1994-2014 China Academ ic Journal Electronic Pub⁃lishing House，2003，15（3）：185-187.

［3］Richard Klemm著，南京电子技术研究所译，空时自适应处理原理［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［4］Reed IS，MalletJd，BrennanLE，Rapid coverage rate in adaptivearrays［J］.IEEETrans.AES，1974：135-146.

［5］张林让，廖桂生，保铮.利用空间平滑提高小快拍数时的自适应波束形成性能［J］.西安电子科技大学学报，1997，24（2）：133-139.

［6］Wang H，LiuKJR，Anderson H.spatial smoothing for ar⁃rays with arbitrary geometry［J］.IEEE Trans ASSP，1994：256-263.

［7］陈建文，王永良.空时自适应处理典型方法综合性能评估［J］.系统工程与电子技术，2000，22（1）：42-46.

［8］鄢社峰，马远良著.传感器阵列波束优化设计及应用［M］.北京：科学出版社，2009.

［9］张小飞，汪飞，徐大专.阵列信号处理的理论和应用［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［10］Reed I，MallettJ，Brennen L.rapid convergence rate in adaptive arrays［J］.IEEE Transaction on aerospace and electronic systems，1998：145-148.

Space Tim e Adap tive Processing A lgorithm for Active Sonar

LIYuw ei1ZHOU M ingjia2
（1.Navy Representative Office of Acoustic Navigation System in ShanghaiArea，Shanghai 201108）（2.Navy RepresentativeOffice inWuxiArea，Wuxi 214000）

In order to improve the detection effect of the sonar，itƳs necessary to research the anti-reverberation algorithm of signalprocessing.Thispaper focuseson technology ofspace timeadaptive processing（STAP）ofactive sonar.The principleand pro⁃cess of the algorithm of STAP are analyzed in detail.Simulation work of STAP is carried at under background of reverberation，Com⁃pared with traditionalmethod，STAPhas advantage in anti-reverberation and achieves a certain effect，and lays theoretical founda⁃tion forengineering implementation.

sonar detection，anti-reverberation algorithm，space time adaptive processing

TN911 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.030

2016年11月7日，

2016年11月20日

李玉伟，男，硕士，助理工程师，研究方向：水声信号处理技术与应用。