黃 聰 孫大軍 張殿倫 滕婷婷

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強(qiáng)相干干擾下基于二階錐規(guī)劃的圓弧陣寬帶二維成像

黃 聰 孫大軍*張殿倫 滕婷婷

(哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001)(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

該文針對(duì)水下目標(biāo)2維成像在強(qiáng)相干干擾情況下，目標(biāo)亮點(diǎn)容易被淹沒的問(wèn)題，以及圓弧陣波束的高旁瓣給圖像檢測(cè)帶來(lái)較多虛警的缺陷，提出基于二階錐規(guī)劃的寬帶2維成像優(yōu)化方法。該方法在對(duì)相干干擾抑制的同時(shí)，很好地控制了波束的旁瓣。分析了2維成像算法流程中由于時(shí)域滑窗導(dǎo)致陣列的接收信號(hào)矢量與陣列流形不同，造成二階錐規(guī)劃設(shè)計(jì)的權(quán)值與陣列的接收信號(hào)矢量失配，旁瓣控制和零陷設(shè)計(jì)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的要求。針對(duì)該問(wèn)題提出利用計(jì)算出的滑窗理論陣列的接收信號(hào)矢量代替陣列流形來(lái)進(jìn)行二階錐權(quán)值設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)改進(jìn)的二階錐權(quán)值，將波束優(yōu)化與圓弧陣的2維成像優(yōu)化相結(jié)合。計(jì)算機(jī)仿真和水池實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了該方法的有效性。

聲吶；2維成像；二階錐規(guī)劃；旁瓣控制；干擾抑制

1 引言

水下目標(biāo)定位[1,2]是水下探測(cè)、海岸防御、軌跡導(dǎo)航、目標(biāo)打擊的重要技術(shù)之一，目標(biāo)定位的精準(zhǔn)性很大程度上決定了算法和設(shè)備的性能。2維成像技術(shù)屬于成像聲吶[3,4]的一種，是利用1維陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)距離和方位的2維分辨。通過(guò)實(shí)時(shí)有效的聲學(xué)圖像可以直接對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別。存在強(qiáng)相干干擾時(shí)，聲學(xué)圖像上目標(biāo)亮度將被強(qiáng)干擾源的旁瓣所淹沒，且圓弧陣成像高旁瓣的特性給圖像檢測(cè)造成更多的虛警。

很多旁瓣抑制算法對(duì)陣列模型有要求，無(wú)法直接利用在圓弧陣上，而近場(chǎng)模型的旁瓣控制就更加困難。虛擬線陣技術(shù)[5]利用均勻圓陣的相位模式激勵(lì)理論，轉(zhuǎn)化為虛擬的均勻線陣，再利用較成熟的線陣旁瓣控制算法，但該方法不適用于圓弧陣及其他陣形中。文獻(xiàn)[6-9]提出了增加虛擬干擾源來(lái)計(jì)算權(quán)值的方法，該方法使用自適應(yīng)迭代方式，適用于非均勻陣形，但迭代的收斂性和波束輸出的穩(wěn)健性都不能得到保證。文獻(xiàn)[10]利用最小均方準(zhǔn)則自適應(yīng)設(shè)計(jì)法使設(shè)計(jì)的波束按最小方差準(zhǔn)則逼近期望響應(yīng)，但由于迭代的步長(zhǎng)選取困難，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)誤差。

2 基于二階錐規(guī)劃的圓弧陣波束優(yōu)化

契比雪夫加權(quán)是一種經(jīng)典的波束旁瓣控制方法，但其限制條件是只能用于遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的均勻線陣?；诙A錐規(guī)劃的波束設(shè)計(jì)思想與契比雪夫加權(quán)方法的極大極小準(zhǔn)則相同。由于該約束方法對(duì)陣列模型沒有要求，故可適用于任意陣型中，可看作是契比雪夫加權(quán)在任意陣形上的拓展。

2.1 波束的旁瓣設(shè)計(jì)

若對(duì)波束進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在波束主瓣不失真的情況下，對(duì)波束的旁瓣級(jí)和零陷深度進(jìn)行規(guī)劃，其約束優(yōu)化問(wèn)題可以寫為

圖1 理想情況下圓弧陣波束圖

2.2 方位譜和波束圖的聯(lián)系

3 圓弧陣寬帶2維成像優(yōu)化

3.1 圓弧陣寬帶2維成像算法流程

寬帶2維成像先根據(jù)掃描位置對(duì)脈沖壓縮后的信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行滑窗處理，再對(duì)滑窗內(nèi)截取的信號(hào)進(jìn)行頻域波束形成，得到距離和方位的2維圖像處理結(jié)果，其流程圖如圖2所示。具體步驟如下：

最后，進(jìn)行寬帶頻域波束形成，得到距離和方位的2維成像結(jié)果。

3.2 滑窗對(duì)二階錐加權(quán)方位譜的影響

圖2 寬帶2維成像流程圖

3.3 改進(jìn)的二階錐權(quán)值

圖.3 理想情況下的5 m處的方位譜

圖4 固定距離滑窗方式

4 2維成像優(yōu)化仿真及水池驗(yàn)證

4.1 2維成像計(jì)算機(jī)仿真

圖5 無(wú)干擾下5 m處的方位譜

圖6 有干擾下5 m處的方位譜

圖.7 無(wú)干擾下的雙目標(biāo)2 維成像

從圖8(a)可以看出加入強(qiáng)相干干擾后，常規(guī)成像只能估計(jì)出強(qiáng)相干干擾的位置，將圖8(a)調(diào)整colorbar后得到圖8(b)，可以看出5 m處的目標(biāo)已經(jīng)完全淹沒在相干干擾的旁瓣中，5.8 m處的目標(biāo)還可以分辨，但也受到相干干擾距離旁瓣的影響。圖8(c)為二階錐加權(quán)成像結(jié)果，可以看出二階錐加權(quán)在控制旁瓣的同時(shí)，對(duì)相干干擾進(jìn)行了有效的抑制。

4.2 水池驗(yàn)證

圖8 干信比為30 dB時(shí)的2維成像

圖9 水池實(shí)驗(yàn)配置圖

圖10 2.維成像結(jié)果

圖11 3.6 m 處的方位譜

5 結(jié)論

本文利用二階錐規(guī)劃方式對(duì)圓弧陣進(jìn)行波束優(yōu)化，在波束上進(jìn)行旁瓣控制和零陷設(shè)計(jì)，并將波束優(yōu)化的思想與方位譜相相結(jié)合，對(duì)2維成像進(jìn)行優(yōu)化。由于2維成像中對(duì)脈沖壓縮信號(hào)的滑窗處理，方位譜旁瓣區(qū)域內(nèi)的滑窗無(wú)法截取到完整的信號(hào)相關(guān)峰，陣列的接收信號(hào)矢量與利用陣列流形設(shè)計(jì)的二階錐權(quán)值失配，最終導(dǎo)致輸出的方位譜無(wú)法滿足波束的旁瓣和零陷設(shè)計(jì)要求。本文通過(guò)仿真模擬出寬帶2維成像在不同距離上的滑窗過(guò)程，將窗內(nèi)截取的理論陣列的接收信號(hào)矢量代替陣列流形來(lái)進(jìn)行二階錐的權(quán)值設(shè)計(jì)，解決了2維成像滑窗帶來(lái)的二階錐權(quán)值不匹配的問(wèn)題，將二階錐加權(quán)方式成功應(yīng)用于2維成像的優(yōu)化中。在對(duì)相干干擾抑制的同時(shí)很好地控制了目標(biāo)成像的旁瓣，改善了后續(xù)目標(biāo)的圖像檢測(cè)和識(shí)別的性能。

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黃 聰： 男，1988年生，博士生，研究方向?yàn)樗玛嚵行盘?hào)處理.

孫大軍： 男，1972年生，教授，研究方向?yàn)樗滦诺琅c聲吶環(huán)境、水下目標(biāo)探測(cè)與定位.

張殿倫： 男，1967年生，教授，研究方向?yàn)樗暥ㄎ慌c導(dǎo)航.

滕婷婷： 女，1982年生，講師，研究方向?yàn)樗履繕?biāo)定位成像.

Wideband Two-dimensional Imaging with Arc Array Based on Second-order Cone Programming under Strong Coherent Interference

Huang Cong Sun Da-jun Zhang Dian-lun Teng Ting-ting

(,,150001,)(,,150001,)

To solve the problem that in two-dimensional imaging the target under water is easily hidden by the strong coherent interference, and high side lobe of arc array beam pattern causes more false alarm, an optimized two-dimensional imaging method based on second-order cone programming is proposed. Not only the strong coherent interference is suppressed, but also the side lobe is controlled well with the method. The issue that the sliding window in time domain leads to the difference between the steering vector and array manifold is analyzed, which causes the mismatch between the weights computed by the second-order cone programming and steering vector, and the failure to satisfy the side lobe control and null design requirement. To solve the issue, the method using the theoretical steering vector calculated by the sliding window in time domain instead of the array manifold to design the second-order cone programming weights is proposed, and the optimizations of the beam pattern and the arc array two-dimensional imaging are combined by the improved second-order cone programming weights .The validity of the proposed method is demonstrated by computer simulation and the pool experiment.

Sonar; Two-dimensional imaging; Second-order cone programming; Side lobe control; Interference suppression

U666.72; TN911.7

A

1009-5896(2014)11-2633-07

10.3724/SP.J.1146.2013.01796

孫大軍 sundajun@hrbeu.edu.cn

2013-11-14收到，2014-07-03改回

國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(9140C200406110C2001)，國(guó)家部委基金和國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA090901-4)資助課題