近场宽带距离深度域矩阵滤波器研究

周敏 刘棱 程一超

【摘 要】由于近海水面舰船较多，形成较强干扰，不利于对水下目标尤其是水下弱目标的探测发现，本文针对水平阵，基于最小二乘原理，设计了近场宽度距离深度域矩阵滤波器，使其能够抑制水面干扰，有效探测水下弱目标，并对宽带距离深度域矩阵滤波器与窄带距离深度域矩阵滤波器的滤波效果进行分析对比。

【关键字】最小二乘;距离深度域;宽带矩阵滤波器;干扰抑制

中图分类号： TN713 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）24-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.021

【Abstract】Due to the large numbers of ships on the offshore surface， strong interference is not conductive to the detection of underwater targets ， especially the weak underwater targets. The near field wide band distance-depth domain matrix filter is designed in this paper， which is based on the principle of least square and HLA， It aims to suppress surface interferences and detect underwater targets effectively， The filter effect of the wide band distance-depth domain matrix filter and the narrow band distanc- depth domain matrix filter is analyzed and compared.

【Key words】The principle of least square; Distance-depth domain; Wide band matrix filter; Interference suppression

0 前言

水下預警根本目在于发现水下目标，但是由于近海海洋环境极其复杂，近海海面舰船存在数量多、种类多的特点，会在海面形成一个个强干扰源，而水下目标则会“隐匿”于这些强干扰源当中，另外，随着水下目标降噪技术的不断发展，如潜艇，使其探测难度大大增加。因此，滤除水面强干扰，有效探测水下弱目标是反潜战的首要工作任务。提高对水下目标定位检测的能力，对于我国维护领海主权、航道安全以及港口防御等都具有重大的意义[1-2]。

空域滤波器仅允许空间当中某些区域的信号通过，同时对其他区域的噪声及干扰信号进行抑制[3]。在模拟仿真过程中发现，声源频率对窄带滤波器的滤波效果影响很大，但在实际的海洋环境中，水面干扰和水下目标往往都是宽带的信号，这就需要所设计的特定宽带距离深度域矩阵滤波器能够处理宽带信号，本文旨在设计近场宽带距离深度域矩阵滤波器，该滤波器在有效的扫描范围内能够抑制预定区域的水面干扰、有效探测未知位置的水下目标，并与窄带滤波器的滤波效果进行分析对比。

1 窄带方位距离域矩阵滤波器的设计

将待观察海域按距离、深度划分网格，其中距离域上共M个网格点，深度域上共N个网格点。设一个频率为f的等效点声源在此水域中遍历所有M×N个网格点。则当等效点声源的位置为（m，n）时，根据假想声源-阵列的几何关系计算得到各个阵元上的声压向量v（m，n，f），即代表第（m，n）个网格点上声拷贝向量，其中v（ms，ns，f）为阻带区域内某一网格点（ms，ns）处的拷贝向量，v（mp，np，f）为通带区域内某一网格点（mp，np）处的拷贝向量 [4]。

2 宽带方位距离域矩阵滤波器的设计

矩阵滤波器的设计过程中需要干扰源的线谱信息精确已知的，然后根据干扰源的频点来设计矩阵滤波器，然而实际工程应用中，即使根据频谱提取出线谱来，实际上无法根据声源级的强弱将目标源和干扰源线谱区分开，也就无法根据干扰源的线谱来设计矩阵滤波器[6]。因此本文提出一种宽带矩阵滤波器的设计方法。设计流程如图2所示。

在实际工程应用中，矩阵滤波器的工作频段与海洋环境参数、垂直阵的孔径和阵元间隔等有很大关系。滤波器的设计间隔精度Δf由频率分辨率以及实际工程应用的需要所决定。

3 窄带距离深度域矩阵滤波器仿真结果

设水平阵布放在如图1的海洋环境中，其中水深60m，海水密度为1.03，海底参数设置为：海底声速为1495m/s，海底密度为1.8，海底声衰减为0.6，海底地形平坦，海水声速剖面图和具体参数设置如图3所示，且不随水平距离和方位的变化而变化。

设水平阵阵深为20m，阵元个数为20个，阵元间距为15m。设在方位30o的区域内存在水下目标和水面干扰两个单频声源，二者声频均为800Hz，其中水面干扰位于深度6m、距离1500m处，其中水下目标位于同距离、深度40m处，水下目标与水面干扰的信干比大约是-7dB，同时海洋环境中还存在信噪比为-12dB的背景噪声。

根据水面干扰和水下目标的位置，设计窄带距离深度域矩阵滤波器，该滤波器能够对在距离1000-2000m、水深0-60m的范围进行扫描，其中阻带区域设置为1450-1550m、深度为0-10m，其余区域均为通带区域。仿真结果如图5所示。

4 宽度距离深度域矩阵滤波器仿真结果

保持滤波器参数设置和海洋环境设置不变，图4是宽带水声信号的声压频谱图，从图中可以看出水面干扰和水下目标的声能量主要集中在600-900Hz，设滤波器的扫频范围为550-950Hz，其仿真结果如图6所示。

分别对比相同方位上的窄带水声信号定位检测结果和宽带水声信号定位检测结果可以看出，宽带矩阵滤波器的幅度响应图效果和匹配场定位结果图效果总是好于窄带矩阵滤波器：从宽带滤波器的幅度响应图可以看出通带区域的响应分布更为平均，无明显的“起伏”，而窄带滤波器的幅度响应图相比较而言，通带区域内响应有轻微“起伏”;从宽带滤波器滤波后的匹配场定位结果图可以看出，除了水下目标和水面干扰外，没有其他的干扰信号，而窄带滤波器滤波后的匹配场定位结果虽然可以明显的定位出水下目标，但是还存在着许多其他干扰信号，而且在实际的海洋环境中，声源信号往往是宽带的，这说明相比于窄帶矩阵滤波器，宽带矩阵滤波器不但具有较好的滤波效果，而且具有较广的应用范围。

5 结论

本文针对水平阵，基于最小二乘原理，分别设计了窄带和宽带近场距离深度域矩阵滤波器，并分别对窄带和宽带水下信号的定位检测能力进行仿真，其仿真结果表明：无论是对窄带还是对宽带水下信号进行处理，所设计近场距离深度域矩阵滤波器能够得到比较好的幅度响应效果图，能够完成水面目标强干扰下弱目标的检测定位，具有比较好的滤波效果;从滤波器幅度响应图和滤波效果看，宽带滤波器具有更好的滤波性能和更广的实用性。

【参考文献】

[1]丁玉薇.被动声纳目标识别技术的现状与发展[J].声学技术，2004，23（4）：253-257.

[2]马远良.声纳装备技术现状既发展趋势探讨.哈尔滨工程大学建校50周年报告，2003.

[3]Vaccaro R J， Harrison B F. Optimal matrix-filter design[J].IEEE Trans. Signal Processing， 1996，44（3）：705-709.

[6]Ahmad T Abawi.An energy-conserving one-way coupled mode propagation model[J].Acoust.Soc.Am，2002，111（1）：160-167.

[4]刘家轩.水中空域矩阵滤波技术及其应用研究[D].[硕士学位论文].大连：海军大连舰艇学院， 2012.

[5]刘家轩，章新华，范文涛.距离深度域最小二乘矩阵滤波器的设计与应用[J].应用声学，2011，30（6）：455-463.

[6]张本辉.抑制海面目标干扰的宽带矩阵滤波器设计及其应用[D].[硕士学位论文].大连：海军大连舰艇学院，2013.