李玉偉 周敏佳（.海軍駐上海地區(qū)水聲導航系統(tǒng)軍事代表室上海008）（.海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室無錫4000）

主動聲納空時自適應(yīng)處理算法研究?

李玉偉1周敏佳2
（1.海軍駐上海地區(qū)水聲導航系統(tǒng)軍事代表室上海201108）
（2.海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室無錫214000）

為了提高混響背景下聲納的檢測性能，十分有必要進行抗混響信號處理算法研究。針對混響抑制的算法很多，論文重點研究了主動聲納空時自適應(yīng)處理（Space Time Adaptive Processing，STAP）技術(shù)，詳細分析了空時自適應(yīng)處理算法的原理和流程。在混響背景下對算法進行了仿真分析，具有較為理想的抗混響效果，為其工程實現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

聲納檢測；混響抑制；空時自適應(yīng)

Class Num ber TN911

1 引言

在淺水環(huán)境下，混響嚴重地影響著主動聲納的檢測性能。當聲納載體運動時，不同方位的混響具有不同的多普勒頻移，使得聲納陣元級的混響在頻譜上呈現(xiàn)大幅擴展的現(xiàn)象，采用常規(guī)波束形成難以有效消除由旁瓣進入接收機的混響。然而，當目標相對于聲納具有非零的徑向速度時，在聲納接收信號的方位/頻移二維平面上目標回波同混響是分離的，從理論上講兩者是可以區(qū)分開來的［1~2］。

1973年Brennan等首次提出了空時自適應(yīng)處理（Space Time Adaptive Processing，STAP）的概念，空時自適應(yīng)處理充分利用運動平臺接收混響的空時結(jié)構(gòu)特性，對回波進行空時二維自適應(yīng)處理，可以有效地補償雷達的平臺運動效應(yīng)，從而在理論上獲得理想的雜波抑制性能，達到最佳的檢測效果。聲納混響的產(chǎn)生機理和部分特性同機載雷達的地物雜波非常相似，STAP方法也可以在聲納抗混響處理中發(fā)揮作用［3］。

2 空時自適應(yīng)處理算法研究

2.1 原理說明

STAP思想實質(zhì)上是將一維自適應(yīng)濾波技術(shù)推廣到時間與空間二維域中。空時自適應(yīng)處理器是一個線性濾波器，它將要檢測的一個距離門內(nèi)的所有接收數(shù)據(jù)組合成一個標量輸出，波束形成和多普勒分析同時進行。該方法的出發(fā)點是利用了干擾及噪聲的平穩(wěn)性（或局部平穩(wěn)性），通過對待檢數(shù)據(jù)附近干擾及噪聲的統(tǒng)計特性進行估計來給出待檢數(shù)據(jù)的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)［4］。

圖1為空時濾波進行空時雜波抑制的原理。

在圖1中可以看到沿方位/多普勒平面對角線運動的雜波譜。采用空時自適應(yīng)濾波時，空時濾波器工作在整個多普勒/方位平面上，濾波器沿雜波譜的軌跡形成了非常窄的凹槽，使得甚至慢速目標可能落入通帶并能被探測到。同時，空時雜波抑制濾波器工作在多普勒/方位平面內(nèi)，所以空時濾波器具有自身運動補償能力。

2.2 最佳空時自適應(yīng)處理

考慮一N元的等距線陣，時域采樣點數(shù)為K。設(shè)xnk表示第n個陣元第k次時域采樣的數(shù)據(jù)，其中n=1，2，…，N，k=1，2，…，K，則空時二維采樣數(shù)據(jù)可以表示為

式中Xs，k=[x1，k，…，xn，k]T表示第k次空間快拍數(shù)據(jù)，T表示轉(zhuǎn)置。

求解每一次空時采樣點xnk的加權(quán)系數(shù)wnk，然后將所有的空時采樣進行復(fù)加權(quán)并求和輸出，可以表示為

最優(yōu)濾波器描述為如下的線性約束最小化問題。

通過求解式（3），可以得到空時二維最優(yōu)處理器的權(quán)矢量Wopt為

式中：μ=(SHR-1S)-1表示歸一化復(fù)常數(shù)，W表示NK*1維的處理器的權(quán)矢量。R=E[XXH]表示由接收數(shù)據(jù)形成的協(xié)方差矩陣。S表示空時二維導向矢量，表達式為S=St(wt)?Ss(ws)，即兩者的kronecker乘積，wt和ws分別為時域和空域角頻率。等距線陣的時域?qū)蚴噶縎t(wt)和空域?qū)蚴噶縎s(ws)分別具有以下的形式：

式中wt=2πfd/fs為歸一化的時域角頻率，fd為多普勒頻移，fs為時間采樣頻率；ws=2πd cosψ/λ為歸一化的空域角頻率，d為線陣相鄰陣元間隔，λ為波長，ψ為探測方向（視角）與線列軸線的夾角，稱為錐角。

從式（4）可以看出，表達式由雜波協(xié)方差逆矩陣和目標矢量兩部分組成，第一部分相當于對雜波進行白化，后一部分相當于對目標信號進行空域的波束形成和時域的匹配濾波，因此，其實質(zhì)是廣義的維納最優(yōu)匹配濾波器［5］。

2.3 降維空時自適應(yīng)處理

最佳空時自適應(yīng)處理的難點在于計算量巨大，混響背景的估計不準，造成最佳空時自適應(yīng)處理性能下降，甚至算法無法進行，同時帶來了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本的增加。十分有必要降維空時處理的研究。本文中重點介紹兩種應(yīng)用前景較大的方法［6］。

1）時空級聯(lián)自適應(yīng)處理（TSA）

TSA方法是常規(guī)處理方法的擴展，該方法同時涉及信號的時間和空間處理，而且在比較理想的情況下可以取得較好的結(jié)果，可以將其視為一種廣義的STAP方法。

TSA方法先用深加權(quán)的時域濾波器預(yù)處理，將接收信號變成一組窄帶信號，在時域先抑制大量的雜波，再對窄帶信號進行自適應(yīng)波束形成，用來抑制剩余的雜波。其基本思想就是用一組多普勒濾波器，對混響譜進行窄帶分割，使每個多普勒通道輸出的混響在空域上僅位于一小錐角區(qū)。在非主混響區(qū)，小錐角區(qū)混響與目標在空域上可分離，后續(xù)自適應(yīng)空域處理將小錐角區(qū)的混響有效濾除［7］。

2）局域聯(lián)合處理（JDL）

局域聯(lián)合處理（JDL）是由Wang H等提出，是一種將原始數(shù)據(jù)變換到角度-多普勒域的降維方法，能夠大大降低處理的維數(shù)。其基本原理是：首先對空時二維數(shù)據(jù)進行二維傅里葉變換，將雜波限制在某一很小的局域范圍內(nèi)；然后在待檢測的通道附近選擇一個矩形的區(qū)域?qū)ζ溥M行聯(lián)合的空時自適應(yīng)處理。這一做法可以有效降低系統(tǒng)的自由度，Wang H的研究表明，通常采用3′3的通道就可以達到較好的檢測效果。這意味著不論原始數(shù)據(jù)包含多少陣元和時域采樣數(shù)，通過該算法均可以將其進行有效的降維。當存在較大的幅相誤差或環(huán)境較為復(fù)雜時，JDL方法可以通過增加局域處理的大小，以便能夠得到較好的處理效果［7］。

3 空時自適應(yīng)處理仿真結(jié)果

使用水聲學中廣泛應(yīng)用的單元散射模型對CW信號混響進行仿真，CW信號的中心頻率f0= 3KHz，脈寬T=40ms，且仿真目標回波的方位為65°，頻移為30Hz，目標的運動速度15節(jié)，信混比為-10dB。圖2和圖3給出了CW信號混響仿真數(shù)據(jù)常規(guī)處理與空時自適應(yīng)處理的對比圖。

3.1 常規(guī)處理

常規(guī)處理為對回波信號進行空域的常規(guī)波束形成，再進行時域上的匹配濾波，以獲得回波的方位和速度信息［8~9］。

3.2 空時自適應(yīng)處理

對于同樣的仿真數(shù)據(jù)，使用空時自適應(yīng)算法進行處理，空域和時域的處理同時進行，并根據(jù)背景信息實時的給出最優(yōu)加權(quán)系數(shù)（數(shù)據(jù)量小時，進行全維處理以取的最佳處理效果；數(shù)據(jù)量大時，為保證運算效率，采取降維處理的措施），加權(quán)到空時導向向量，作用于回波數(shù)據(jù)，在減小混響的干擾的同時，保證目標信息不受損失，從而更有效地提取到目標的方位和速度信息。

從圖4和圖5的仿真結(jié)果可以看出，在混響背景下檢測，進行常規(guī)處理時，信號存在強混響的干擾，因而十分有必要進行混響的抑制。在進行空時自適應(yīng)處理后，混響得到一定的濾除，目標的方位、速度信息更易提取，目標的檢測能力得到很大的提升。

4 結(jié)語

本文詳細分析了空時自適應(yīng)處理算法的原理和流程。全維空時自適應(yīng)處理算法運算量巨大，無法滿足實時性要求。本文詳細介紹了水聲領(lǐng)域比較有應(yīng)用前景的降維空時自適應(yīng)處理算法，進行了混響背景下目標信號檢測的仿真工作，對比常規(guī)處理，取得了一定的抗混響效果。

實際海洋環(huán)境的波動劇烈，輔助樣本的不準確，將會使算法性能下降甚至失效，因此論文后續(xù)將繼續(xù)研究穩(wěn)健自適應(yīng)算法研究，提高算法的穩(wěn)定性，為其工程實現(xiàn)提供有益的支撐。

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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，it?s 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

李玉偉，男，碩士，助理工程師，研究方向：水聲信號處理技術(shù)與應(yīng)用。