周敏 劉棱 程一超

【摘 要】由于近海水面艦船較多，形成較強(qiáng)干擾，不利于對(duì)水下目標(biāo)尤其是水下弱目標(biāo)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)，本文針對(duì)水平陣，基于最小二乘原理，設(shè)計(jì)了近場(chǎng)寬度距離深度域矩陣濾波器，使其能夠抑制水面干擾，有效探測(cè)水下弱目標(biāo)，并對(duì)寬帶距離深度域矩陣濾波器與窄帶距離深度域矩陣濾波器的濾波效果進(jìn)行分析對(duì)比。

【關(guān)鍵字】最小二乘;距離深度域;寬帶矩陣濾波器;干擾抑制

中圖分類號(hào)： TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yù)警根本目在于發(fā)現(xiàn)水下目標(biāo)，但是由于近海海洋環(huán)境極其復(fù)雜，近海海面艦船存在數(shù)量多、種類多的特點(diǎn)，會(huì)在海面形成一個(gè)個(gè)強(qiáng)干擾源，而水下目標(biāo)則會(huì)“隱匿”于這些強(qiáng)干擾源當(dāng)中，另外，隨著水下目標(biāo)降噪技術(shù)的不斷發(fā)展，如潛艇，使其探測(cè)難度大大增加。因此，濾除水面強(qiáng)干擾，有效探測(cè)水下弱目標(biāo)是反潛戰(zhàn)的首要工作任務(wù)。提高對(duì)水下目標(biāo)定位檢測(cè)的能力，對(duì)于我國(guó)維護(hù)領(lǐng)海主權(quán)、航道安全以及港口防御等都具有重大的意義[1-2]。

空域?yàn)V波器僅允許空間當(dāng)中某些區(qū)域的信號(hào)通過，同時(shí)對(duì)其他區(qū)域的噪聲及干擾信號(hào)進(jìn)行抑制[3]。在模擬仿真過程中發(fā)現(xiàn)，聲源頻率對(duì)窄帶濾波器的濾波效果影響很大，但在實(shí)際的海洋環(huán)境中，水面干擾和水下目標(biāo)往往都是寬帶的信號(hào)，這就需要所設(shè)計(jì)的特定寬帶距離深度域矩陣濾波器能夠處理寬帶信號(hào)，本文旨在設(shè)計(jì)近場(chǎng)寬帶距離深度域矩陣濾波器，該濾波器在有效的掃描范圍內(nèi)能夠抑制預(yù)定區(qū)域的水面干擾、有效探測(cè)未知位置的水下目標(biāo)，并與窄帶濾波器的濾波效果進(jìn)行分析對(duì)比。

1 窄帶方位距離域矩陣濾波器的設(shè)計(jì)

將待觀察海域按距離、深度劃分網(wǎng)格，其中距離域上共M個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，深度域上共N個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。設(shè)一個(gè)頻率為f的等效點(diǎn)聲源在此水域中遍歷所有M×N個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。則當(dāng)?shù)刃c(diǎn)聲源的位置為（m，n）時(shí)，根據(jù)假想聲源-陣列的幾何關(guān)系計(jì)算得到各個(gè)陣元上的聲壓向量v（m，n，f），即代表第（m，n）個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上聲拷貝向量，其中v（ms，ns，f）為阻帶區(qū)域內(nèi)某一網(wǎng)格點(diǎn)（ms，ns）處的拷貝向量，v（mp，np，f）為通帶區(qū)域內(nèi)某一網(wǎng)格點(diǎn)（mp，np）處的拷貝向量 [4]。

2 寬帶方位距離域矩陣濾波器的設(shè)計(jì)

矩陣濾波器的設(shè)計(jì)過程中需要干擾源的線譜信息精確已知的，然后根據(jù)干擾源的頻點(diǎn)來設(shè)計(jì)矩陣濾波器，然而實(shí)際工程應(yīng)用中，即使根據(jù)頻譜提取出線譜來，實(shí)際上無法根據(jù)聲源級(jí)的強(qiáng)弱將目標(biāo)源和干擾源線譜區(qū)分開，也就無法根據(jù)干擾源的線譜來設(shè)計(jì)矩陣濾波器[6]。因此本文提出一種寬帶矩陣濾波器的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，矩陣濾波器的工作頻段與海洋環(huán)境參數(shù)、垂直陣的孔徑和陣元間隔等有很大關(guān)系。濾波器的設(shè)計(jì)間隔精度Δf由頻率分辨率以及實(shí)際工程應(yīng)用的需要所決定。

3 窄帶距離深度域矩陣濾波器仿真結(jié)果

設(shè)水平陣布放在如圖1的海洋環(huán)境中，其中水深60m，海水密度為1.03，海底參數(shù)設(shè)置為：海底聲速為1495m/s，海底密度為1.8，海底聲衰減為0.6，海底地形平坦，海水聲速剖面圖和具體參數(shù)設(shè)置如圖3所示，且不隨水平距離和方位的變化而變化。

設(shè)水平陣陣深為20m，陣元個(gè)數(shù)為20個(gè)，陣元間距為15m。設(shè)在方位30o的區(qū)域內(nèi)存在水下目標(biāo)和水面干擾兩個(gè)單頻聲源，二者聲頻均為800Hz，其中水面干擾位于深度6m、距離1500m處，其中水下目標(biāo)位于同距離、深度40m處，水下目標(biāo)與水面干擾的信干比大約是-7dB，同時(shí)海洋環(huán)境中還存在信噪比為-12dB的背景噪聲。

根據(jù)水面干擾和水下目標(biāo)的位置，設(shè)計(jì)窄帶距離深度域矩陣濾波器，該濾波器能夠?qū)υ诰嚯x1000-2000m、水深0-60m的范圍進(jìn)行掃描，其中阻帶區(qū)域設(shè)置為1450-1550m、深度為0-10m，其余區(qū)域均為通帶區(qū)域。仿真結(jié)果如圖5所示。

4 寬度距離深度域矩陣濾波器仿真結(jié)果

保持濾波器參數(shù)設(shè)置和海洋環(huán)境設(shè)置不變，圖4是寬帶水聲信號(hào)的聲壓頻譜圖，從圖中可以看出水面干擾和水下目標(biāo)的聲能量主要集中在600-900Hz，設(shè)濾波器的掃頻范圍為550-950Hz，其仿真結(jié)果如圖6所示。

分別對(duì)比相同方位上的窄帶水聲信號(hào)定位檢測(cè)結(jié)果和寬帶水聲信號(hào)定位檢測(cè)結(jié)果可以看出，寬帶矩陣濾波器的幅度響應(yīng)圖效果和匹配場(chǎng)定位結(jié)果圖效果總是好于窄帶矩陣濾波器：從寬帶濾波器的幅度響應(yīng)圖可以看出通帶區(qū)域的響應(yīng)分布更為平均，無明顯的“起伏”，而窄帶濾波器的幅度響應(yīng)圖相比較而言，通帶區(qū)域內(nèi)響應(yīng)有輕微“起伏”;從寬帶濾波器濾波后的匹配場(chǎng)定位結(jié)果圖可以看出，除了水下目標(biāo)和水面干擾外，沒有其他的干擾信號(hào)，而窄帶濾波器濾波后的匹配場(chǎng)定位結(jié)果雖然可以明顯的定位出水下目標(biāo)，但是還存在著許多其他干擾信號(hào)，而且在實(shí)際的海洋環(huán)境中，聲源信號(hào)往往是寬帶的，這說明相比于窄帶矩陣濾波器，寬帶矩陣濾波器不但具有較好的濾波效果，而且具有較廣的應(yīng)用范圍。

5 結(jié)論

本文針對(duì)水平陣，基于最小二乘原理，分別設(shè)計(jì)了窄帶和寬帶近場(chǎng)距離深度域矩陣濾波器，并分別對(duì)窄帶和寬帶水下信號(hào)的定位檢測(cè)能力進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果表明：無論是對(duì)窄帶還是對(duì)寬帶水下信號(hào)進(jìn)行處理，所設(shè)計(jì)近場(chǎng)距離深度域矩陣濾波器能夠得到比較好的幅度響應(yīng)效果圖，能夠完成水面目標(biāo)強(qiáng)干擾下弱目標(biāo)的檢測(cè)定位，具有比較好的濾波效果;從濾波器幅度響應(yīng)圖和濾波效果看，寬帶濾波器具有更好的濾波性能和更廣的實(shí)用性。

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