孫春艷　申和平　劉乙樂

(北京神州普惠科技股份有限公司　北京　100085)

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兩種干擾抵消方法在拖曳陣應(yīng)用中的對比*

孫春艷申和平劉乙樂

(北京神州普惠科技股份有限公司北京100085)

強(qiáng)干擾抵消是大孔徑光纖拖曳線列陣探測系統(tǒng)中的重要研究內(nèi)容。常見的強(qiáng)干擾抵消方法是基于自適應(yīng)濾波的干擾抵消，需要將干擾信號作為參考輸入，屬于時(shí)域處理方法。基于Bartlett權(quán)的波束零陷形成方法是頻域處理方法，通過在干擾的方向形成零陷對干擾進(jìn)行抑制。論文將這兩種方法用于抵消實(shí)際拖曳數(shù)據(jù)中的近距離強(qiáng)目標(biāo)，對比兩種方法的抵消效果以及應(yīng)用復(fù)雜度，為工程實(shí)踐提供參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于Bartlett權(quán)的波束零陷形成方法實(shí)現(xiàn)簡單，可同時(shí)抵消多個(gè)干擾，且抵消效果更好，更適合工程應(yīng)用。

強(qiáng)干擾抵消;自適應(yīng)濾波;Bartlett波束零陷

Class NumberTB556

1　引言

大孔徑光纖拖曳線列陣關(guān)注的是低頻遠(yuǎn)距離目標(biāo)，但由于減震降噪技術(shù)的發(fā)展，加上遠(yuǎn)距離的傳播，陣列接收到的信號具有極低的信噪比。要成功地實(shí)現(xiàn)對弱目標(biāo)的檢測，光纖拖曳探測系統(tǒng)僅通過加大其陣列的孔徑是不夠的，本艦強(qiáng)干擾和近距離的強(qiáng)目標(biāo)都會影響對弱目標(biāo)的檢測。對于拖線陣，本艦干擾可以通過加長拖纜的長度，使接收陣列遠(yuǎn)離本艦來減弱本艦干擾的影響。而對于近距離的強(qiáng)目標(biāo)，只能通過改進(jìn)信號處理算法來解決。

強(qiáng)干擾抵消方法有很多，比較常用的兩種方法是基于自適應(yīng)濾波的干擾抵消[1]和自適應(yīng)零陷波束形成[2～3]。前者是時(shí)域處理方法，需要將強(qiáng)干擾信號作為參考輸入，進(jìn)行自適應(yīng)濾波后獲得干擾抵消后的輸出。關(guān)鍵問題是參考信號的選取，被動的情況下參考信號未知，需要在干擾方向先進(jìn)行預(yù)成波束，得到對干擾信號的估計(jì)。后者是頻域處理方法，采用零陷權(quán)的方式來抑制干擾。本文研究的基于Bartlett權(quán)的零陷波束形成方法，僅需給定要抵消的干擾方位，在干擾方向上形成零陷，達(dá)到對干擾抵消的目的。

本文旨在尋找一種簡單實(shí)用的干擾抵消方法。利用上述兩種方法分別處理相同的拖曳陣探測數(shù)據(jù)，對比二者的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和抵消效果。

2　頻域塊自適應(yīng)濾波方法

基于自適應(yīng)濾波的干擾抵消算法核心部分是自適應(yīng)濾波，其將干擾信號作為參考輸入進(jìn)行濾波，得到抵消干擾后的輸出。自適應(yīng)濾波器[4]是以最小均方誤差為準(zhǔn)則的最優(yōu)濾波器。傳統(tǒng)的時(shí)域LMS是按點(diǎn)進(jìn)行濾波的，在數(shù)據(jù)量大時(shí)運(yùn)算效率低。頻域塊LMS自適應(yīng)濾波方法使濾波過程一塊一塊的進(jìn)行，改善了計(jì)算的復(fù)雜度，提高了運(yùn)算的速率。這種實(shí)現(xiàn)方式最初是由Clark[5～6]和Ferrara[7～8]各自獨(dú)立提出來的。FLMS算法的主要思想是，將數(shù)據(jù)分成若干塊，每塊含有N個(gè)點(diǎn)。每處理完一塊后修改一次權(quán)值，通過傅立葉變換在頻率域上完成濾波器系數(shù)的自適應(yīng)。同時(shí)，算法中還用到了重疊存儲的方法為快速卷積提供了強(qiáng)有力的工具。在文獻(xiàn)[9]中對FLMS算法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，在此僅給出算法實(shí)現(xiàn)的主要步驟。

在數(shù)據(jù)重疊50%存儲的情況下FLMS算法的步驟如下：

1)初始化權(quán)向量為2M×1維零向量，估計(jì)功率為2M×1維全1向量。

2)輸入信號為2M個(gè)點(diǎn)，每次更新M個(gè)點(diǎn)。對輸入信號濾波：

3)誤差估計(jì)：

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

(3)

(4)

4)估計(jì)功率更新：

P(k)=λP(k-1)+(1-λ)|X(k)|2

(5)

η(k)=1/(1+P(k))

(6)

5)權(quán)值更新：

φ(k)=IFFT[η(k)XH(k)E(k)]的最前M個(gè)元素

(7)

(8)

算法中有兩個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，步長μ和遺忘因子λ，一般取值在0～1之間，對于不同的數(shù)據(jù)需要調(diào)節(jié)。

3　基于Bartlett權(quán)的波束零陷方法

當(dāng)有多個(gè)相干聲源同時(shí)存在于測量區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，希望可以找到一種權(quán)，使感興趣的目標(biāo)方位上波束形成輸出功率最大，而強(qiáng)干擾或不感興趣的目標(biāo)波束輸出為零?；贐artlett權(quán)的零陷波束[10～11]形成方法就是基于這一準(zhǔn)則。

上述準(zhǔn)則利用公式進(jìn)行描述，可以表述為

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為待求解的最優(yōu)權(quán)。X(t)為接收數(shù)據(jù)，是發(fā)射信號與目標(biāo)方向的導(dǎo)向矢量的乘積。

式(9)中的權(quán)受下述條件約束：

(10)

式中θ1,θ2,…,θN為干擾的方位。a(θ1),a(θ2),…,a(θN)為干擾的導(dǎo)向矢量，經(jīng)過求解可得波束零陷的最佳權(quán)向量為

(11)

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

得到加權(quán)向量后，利用加權(quán)向量對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，即可得到零陷后的波束輸出。

Popt(θ)=WHRW

(12)

4　拖曳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對2014年在某海域進(jìn)行的海上拖曳陣試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。主要研究兩種方法對近距離強(qiáng)目標(biāo)的抵消效果，以及算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。拖線陣包含128個(gè)基元，間距2.4m。

對某時(shí)段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成處理，得到的方位歷程如圖1所示。

圖1　遠(yuǎn)場波束形成歷程圖

從圖1中可以看到，該時(shí)段在120°附近存在一個(gè)強(qiáng)目標(biāo)。

1)自適應(yīng)干擾抵消方法

針對上述方位歷程中120°方向強(qiáng)目標(biāo)在某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)抵消，不同參數(shù)下的抵消結(jié)果如圖2、3所示。

圖2　抵消113°方向-步長0.8，遺忘因子0.5

圖3　抵消113°方向-步長0.8，遺忘因子0.8

從圖2和圖3中可以看出，在步長為0.8，遺忘因子為0.5時(shí)，113°方向的信號被抵消7.24dB左右，而在步長為0.8，遺忘因子為0.8時(shí)，113°方向的信號僅被抵消2.73dB。說明不同的參數(shù)下抵消效果是不同的，實(shí)際中要想獲得好的抵消效果需要對參數(shù)不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)。

相同的參數(shù)對49°方向的目標(biāo)進(jìn)行抵消，抵消結(jié)果如圖4、5所示。

圖4　抵消49°方向-步長0.8，遺忘因子0.5

圖5　抵消49°方向-步長0.8，遺忘因子0.8

從圖4和圖5中可以看出，對于49°方向的目標(biāo)，兩對參數(shù)下均只能抵消1dB左右，要想獲得較好的抵消效果，還需不斷調(diào)整參數(shù)進(jìn)行嘗試。且對于多個(gè)目標(biāo)不能同時(shí)進(jìn)行抵消，需循環(huán)處理。

2)Bartlett波束零陷

對(1)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行Bartlett波束零陷抵消，分別抵消113°和49°方向的目標(biāo)，抵消結(jié)果如圖6、7所示。

圖6　抵消113°方向

圖7　抵消49°方向

從圖6和圖7中可以看出，抵消前后113°方向目標(biāo)的主瓣下降很多，在15.5dB左右，49°方向的目標(biāo)抵消后也下降9dB左右。該方法沒有需要調(diào)節(jié)的參數(shù)，僅需輸入要抵消的方位即可。應(yīng)用簡單，效果較好。

要想同時(shí)抵消49°和113°的目標(biāo)，只需在要抵消的方位處輸入兩個(gè)角度，就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)抵消。結(jié)果如圖8所示。

圖8　同時(shí)抵消兩個(gè)方位

從圖8中可以看出，同時(shí)抵消與分別抵消效果相同。

5　結(jié)語

本文將兩種抵消方法應(yīng)用于實(shí)際的海試拖曳數(shù)據(jù)處理中，對比在實(shí)際應(yīng)用中兩種方法的可行性。基于自適應(yīng)濾波的干擾抵消方法，需要先在要抵消的方位預(yù)成波束獲得參考輸入，再進(jìn)行抵消。不同的參數(shù)效果差別較大，且同一組參數(shù)并不適用于所有的干擾，調(diào)節(jié)起來較復(fù)雜，效果不佳。而基于Bartlett權(quán)的波束零陷形成算法不需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，且針對多個(gè)干擾可以同時(shí)抵消，抵消效果較好，簡單易行。綜上，基于Bartlett權(quán)的零陷波束形成方法更適合在抑制強(qiáng)干擾檢測弱目標(biāo)的實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用。

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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

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(編號：2013YQ140431)資助。

孫春艷，女，工程師，研究方向：水聲信號處理。申和平，男，高級工程師，研究方向：水聲信號處理。劉乙樂，男，工程師，研究方向：水聲信號處理。

TB556DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.029