基于矢量直线阵的声屏蔽聚焦权滤波器技术研究∗

陶 智

（海装装备项目管理中心 北京 100071）

1 引言

舰船等移动平台的自噪声对自身搭载的声纳的产生干扰，限制声纳系统性能的发挥，这是水声工程技术不断发展和广泛应用需要面对的课题。

拖曳线列阵探测目标就是一个典型的在强干扰背景下实现对低信噪比信号探测的问题。近年来水面舰船拖曳声纳得到很大发展，这种声纳的换能器装置能脱离船体通过机电拖缆拖于水中，且可调节拖缆长度改变拖曳体与舰船的距离和下潜深度。因为换能器基阵远离舰体辐射噪声源，于是舰船的自噪声对基阵的影响变小，也避免了舰船尾流对基阵的影响，但拖船噪声仍是基阵的强干扰，是一类相干源干扰，它在阵的端向产生探测盲区，影响拖曳线列阵的测性能，于是抗拖船干扰［1］成为一大难题。

拖船干扰噪声的抵消问题一直以来都是拖曳线列阵信号处理的难题。空间相位差噪声抵消法、双线阵相减处理噪声抵消法和自适应干扰抵消法［2］是目前拖曳线列阵抵消本舰噪声的基本方法。空间相位差噪声抵消法是利用信号和干扰处于不同位置而产生相位差的原理从基阵输出估计期望信号。双线阵相减处理噪声抵消法是利用了双线列阵的偶极子特性，对两阵的输出相减再进行波束形成［3］，从而达到抑制本舰噪声的作用。自适应干扰抵消是将干扰信号抵消掉，具体做法是将接收到混有干扰的信号与参考信号进行比较。因此这种方法的关键问题是参考信号一定要和干扰信号具有一定的相关性，并且不能和要提取的有用信号具有相关性。

本文研究的矢量声屏蔽聚焦权滤波器技术可以屏蔽拖船干扰对矢量拖曳线列阵的影响，从而探测到目标点源。声屏蔽聚焦权滤波器技术可以对相同方位的信号进行屏蔽，探测到同一方向上所需要的目标。矢量声屏蔽技术与标量声屏蔽技术［4～6］相比，它的主旁瓣比更高，更能容易实现对目标的检测，因此屏蔽效果更好。

聚焦就是将能量聚集于一点，来源于光学中我们熟悉的凸透镜使光线聚焦于焦点理论。声聚焦就是把声能聚集到某个区域，从而获得目标的位置实现探测目标的性能。声聚焦的实现方法有相控阵聚焦、声透镜聚焦和球面自聚焦等。声聚焦最先应用于医疗领域的超声聚焦，它将超声波的能量聚焦于体内肿瘤处，通过聚焦的能量让肿瘤细胞坏死，从而实现治愈肿瘤。现在声聚焦被应用到很多领域，比如超声医学成像、超声治疗、水声成像技术、石油开发与探测等。本文研究的是被动声聚焦，它可以实现被动探测目标。

声屏蔽来源于W.A.Kuperman 等［7～9］曾提出过“Reverberation Nulling”，即抑制混响。本文分析的声屏蔽聚焦权滤波器技术是降低对某个区域内的接收响应，从而实现抑制掉干扰源的目的。声聚焦和声屏蔽都可以通过时间反转镜技术来实现。论文研究的矢量声屏蔽聚焦技术是对干扰目标进行屏蔽，对被探测目标实现聚焦。

2 多途信道中矢量声聚焦技术

多途信道模型根据的是射线声学理论，它由一系列的本征声线组成，并且假设本征声线的条数为N 条，而且每条声线均是没有色散的，即点源到阵元的信道冲激响应函数可以用一个延时的δ 脉冲来表示，由多途信道模型，知第i 条本征声线的信道冲激响应函数为Aiδ(τ-τi)，其中Ai和τi是本征声线的的幅度和时延参数。则信道冲激响应函数［10～12］为

对其作傅里叶变换，得到信道的频率响应为

假设有点源S ，辐射信号为s(t)，单水听器接收信号采用时间反转镜技术对基阵接收信号进行处理，输出为

其中:rs为信号的位置，r0为水听器的位置。

Asi和τi分别表示点源到基阵的第i 条本征声线的幅度因子和时延因子，r为扫描点。则有:

当扫描到点源时，即r=r0，τi=τ'i 时，近似得到的结果:

由式（7）可以看出得到了聚焦输出，近似为原信号的波形，仅在幅度上发生了变化。这样便实现了多途到达水听器的接收信号在经过虚拟时间反转镜技术处理后同相迭加，产生了聚焦峰。以上为时间反转镜实现矢量声聚焦的原理。

3 矢量声屏蔽技术

研究利用时间反转镜技术来实现矢量声屏蔽的算法。若环境中有两个点源，分别为s 和sn，期望检测到s，即在该点实现聚焦，而屏蔽掉sn，两个信号的信道频率响应分别为

即在声压信道基础上增加了x方向和y方向上振速信道的冲激响应频谱，在海洋波导中，铅直方向为驻波，只考察水平方向的振速，因此只应用水平方向振速信道频率响应。

其中:声压的、x 方向振速的、y 方向振速的信道冲激响应频谱分别为

式中:N 为阵元数。

在多途信道中，最佳屏蔽聚焦权应在聚焦权的基础上增加一个屏蔽聚焦因子，且有:

其中I 为3N×3N 维的单位矩阵，令Wc为屏蔽权，为

矢量声屏蔽聚焦的原理框图如图1 所示，该屏蔽权相当于一个空间滤波器，它对矢量阵接收到的信号作傅里叶变换，然后与屏蔽权相乘，即对接收到的信号进行滤波，最后得到的输出便信号就会使得干扰被屏蔽掉了，并且对目标信号实现了聚焦，从而实现在干扰中实现对目标的探测。

图1 矢量声屏蔽的原理框图

则该滤波器的输出信号为

其中:

是目标信号通过该滤波器得到的输出。而

因此，干扰信号通过该滤波器后输出为零。即

从式（17）中可以看出Yn=0，说明sn这个干扰确实被屏蔽掉了，并且式（18）中的第一项为时间反转镜聚焦输出，并且第二项为一个小量。当时，就只有第一项，为时间反转镜聚焦输出，达到最优的声屏蔽聚焦效果。

从上面的分析可以说明矢量声屏蔽的基本原理，就是在在聚焦权的基础上增加一个屏蔽因子。对其加上一个归一化因子后屏蔽权表示为

4 矢量声聚焦技术仿真分析

仿真条件:海深50m，5阵元等间距水平直线矢量阵，阵元间距为4m，基阵等深度布放，深度为45m，等声速梯度分布，声速取1450m/s。采样频率取20kHz，积分时间为1s。目标的深度为10m，干扰与目标等深。运用多途信道声线模型，目标位置为（470，10）m，即目标距离一号阵元的水平距离为350m，干扰位置为（350，10）m。

图2 不同频带下矢量声聚焦仿真结果

当目标信号与干扰信号等功率大小时，在不同的频率范围时矢量声聚焦仿真结果如图2 所示，通过仿真不同阵元数下聚焦的图像可以发现，其中图（a）为200Hz～1200Hz 带宽，图（b）为2200Hz～3200Hz 带宽，图（c）为4200Hz～5200Hz 带宽，图（d）为200Hz～9600Hz。图3 为阵元数为8 和11 两种情况下的声聚焦仿真结果。

图3 不同阵元数下矢量声聚焦仿真结果

当阵元间距不变，改变阵元数时，阵元个数越多，主旁瓣比就越高，当带宽一样时，如果频率越高则主旁瓣比也越高，聚焦峰的宽度越窄，即分辨率越高。

5 单干扰声屏蔽聚焦权滤波器技术仿真分析

如图4 所示，图（a）为信号与噪声等功率，即0dB 时的声聚焦仿真结果，图（b）为信噪比为-20dB时的声聚焦仿真结果。

从图4 可以发现，当信噪比较大时，声聚焦可以同时对目标和干扰进行检测。但是当信噪比比较低时，如-20dB时，如图4（b）所示，由仿真图像可以看出目标信号无法被检测到，而是完全被淹没在了干扰信号中。在信噪比较低的情况下，声屏蔽聚焦技术就能解决这个问题，从而实现对干扰目标的屏蔽，于是被用来实现对强干扰中对弱目标的检测。

图4 不同信噪比情况下对干扰和目标均聚焦仿真结果

图5 对目标聚焦对干扰屏蔽仿真结果

运用了声屏蔽聚焦权后的仿真结果如图5 所示，从仿真图像可以看出，当在低信噪比-20dB 时，运用了声屏蔽聚焦技术后，实现了对干扰进行屏蔽，从而在该处形成了零陷，对目标信号进行聚焦。对比分析声压阵和矢量阵，可以发现，在阵元数、阵元间距、信号相同的条件下，图5（b）为矢量阵运用声屏蔽聚焦技术的仿真结果，图5（a）为声压阵仿真的结果，可以发现矢量阵仿真的结果其旁瓣低于声压阵，从而更加有利于探测到目标。

6 结语

声聚焦技术的原理与普通的波束形成的本质是一样的，都是进行时延或相移补偿。本文分析研究了利用虚拟时间反转镜技术也可以实现阵的空间矢量声聚焦，从时域对多途信道中的矢量聚焦波束形成进行了介绍，然后从频域分析研究了矢量阵利用时间反转镜技术实现声聚焦的原理，再从频域出发研究了声屏蔽聚焦权滤波器的基本原理，就是在聚焦权的基础上增加一个屏蔽因子，从而实现对干扰的屏蔽。最后通过计算机仿真研究，验证了矢量直线阵的声屏蔽聚焦权滤波器抑制干扰的性能。