一種基于聲起伏特性的水面干擾抑制方法

付留芳，趙國君，張大偉，章新華

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一種基于聲起伏特性的水面干擾抑制方法

付留芳1,2，趙國君3，張大偉1，章新華1

(1. 海軍大連艦艇學院，遼寧大連 116013；2. 中國人民解放軍92337部隊，遼寧大連 116001； 3. 中國人民解放軍91913部隊，遼寧旅順 116041)

利用水面目標和環境噪聲起伏較大，而水下目標的聲信號起伏較小的特性，可以有效抑制水面干擾，提高水下目標的檢測概率。對于單基元頻譜分析采用非線性濾波器，進而針對陣列信號處理提出一種基于非線性濾波的連續時間方位歷程水面干擾抑制方法。最后，對Swell96的實驗數據進行了處理，單基元信號處理結果表明，振幅非線性濾波器和復聲壓非線性濾波器對于穩定線譜的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)增益可達15 dB和30 dB；陣列信號處理結果顯示所提出的方法能夠有效抑制水面聲源的航跡，提高水下聲源的發現概率。

水聲；聲場起伏；水面干擾抑制；先進的Wagstaff積分抑制求和處理器

0 引言

聲場具有起伏性，傳統意義上認為這種特性使得水聲信道更加復雜，對信號檢測構成干擾。但是，有研究表明這種起伏特性可以用于提高對特定信號的檢測概率。對于窄帶信號，輸出功率對于聲信號起伏非常敏感，文獻[1]、[2]中采用先進的Wagstaff積分抑制求和處理器(AdvancedWISPR (Wagstaff’s Integration Silencing PRocessor) SUMmation，AWSUM)，對WISPR采用了更高階的濾波，結果表明頻譜分辨率和空間分辨率均有很大的提高，并且通過實際數據處理表明對于低起伏的聲信號，信噪比增益可達20 dB。聲起伏主要來源于：時變空變的熱鹽結構，湍流，內波，不規則運動的海面產生的反射，聲源和接收之間的距離變化，等等，但是這些產生聲起伏的聲源或機制主要集中在海面附近。因此，水面船只和海面風成噪聲的信號具有更加明顯的起伏特性。文獻[3]將改良的方向性估計技術(Directivity Improved Estimation Technique，DIET)與AWSUM相結合，進一步提高了信噪比和分辨率。一般來說分辨率和信噪比要同時改善是不容易的，而該方法將直接去卷技術應用于AWSUM濾波器，使得信噪比和分辨率同時得到提高；該方法又稱為DIET AWSUM。空域分辨率的提高受限于陣列孔徑。最典型的例子，在SOFAR(SOund Fixing And Ranging)聲道中的聲信號是低起伏的聲信號，而海面風成噪聲是高起伏聲信號。這些方法主要旨在解決水下目標穩定線譜的提取，但是實際中很難區分線譜的來源。本文從連續時間目標方位角度出發，對水面干擾進行抑制。

1 聲場起伏特性[4]

由于海水介質及其界面的隨機不均勻性的散射和折射導致接收點信號波形的變化，稱之為聲信號起伏[5]。海洋中存在種類繁多的隨機不均勻性。海面具有隨機時變、空變的波浪；海水中有冷熱不均的隨機水團，稱之為溫度微結構；海水中還有隨機游動的魚蝦及浮游生物群；海底的地貌及其聲學特性也是隨機不均勻的，海洋中還存在隨機的內波和潮汐。聲信號起伏分為兩個方面：振幅起伏和相位起伏。信號的振幅起伏是經常出現的現象，通常在聲影區較大，在亮區較小。聲信號的相位起伏隨振幅起伏的增大而增大，通常相位起伏的方差在幾十度以內，可以觀察到更大的相位起伏，但是這種起伏是十分緩慢的。

信號的振幅起伏對聲吶系統的影響是不容忽視的，對于門限檢測器來說，在大信噪比時，信號起伏導致漏報概率增加，在小信噪比時，使檢測概率增加。但是后者無實際意義，因為這時檢測概率很低，遠不能達到正確檢測目標的目的。對于使用簡單的門限檢測器的測時系統，信號振幅起伏也導致測時誤差增加，在水聲通信中，信號起伏也稱為信號衰落，導致通信質量時好時壞。文獻[1]中分析了一組信號樣本，包括水下信號、水面起伏聲信號和噪聲信號，結果是水下信號方差為，兩種水面信號的方差分別為10.0和8.4，噪聲數據的方差分別為8.8和7.2。這組數據也從實際觀測的角度說明了海洋聲信號的起伏特性。

2 基于聲場起伏特性的非線性濾波器

2.1 單基元非線性濾波器

通常采用線性平均的方法對一些起伏分量進行抑制，分別從振幅起伏和振幅相位起伏兩個方面來介紹非線性濾波器。

2.1.1 振幅非線性濾波器

由第1節可知，噪聲和水面信號較水下信號具有更多的不穩定性。通常通過平均處理來抑制掉起伏信息，提高信噪比。基本原理如下：

R. A. Wagstaff提出了一種基于波動起伏的非線性濾波器[2]，可以抑制起伏變化大的頻譜信號，比常規平均方法具有更好抑制起伏頻譜的性能。基本模型如下：

2.1.2 復聲壓非線性濾波模型[5]

2.1.1中的方法只考慮了振幅的起伏性，而沒有考慮相位的影響，下面定義序列為單水聽器接收信號經過FFT變換得到的復聲壓值。第個復聲壓值具有如下形式：

其中：表示幅度；是復相位因子。該相位因子具有如下形式：

(4)

(6)

理論上，考慮了相位起伏之后，會進一步增加穩定信號的相干性，使得信噪比的提高較振幅非線性濾波器更加明顯。

2.2 陣列非線性濾波器

單基元處理后提取的線譜存在能量較寬帶信號弱、難以進行長時間連續觀測等問題，這里提出一種進行連續時間方位觀測的方法進行直觀有效的觀測。

被動聲吶信號處理中，頻域波束形成在每個時刻可以得到一個關于頻率與方位的二維矩陣(Frequency Azimuth FRAZ)。這里定義：

(10)

其中：表示第個頻率點；表示處理頻段內的最小頻率；表示處理頻段的最大頻率。是非線性濾波器的濾波參數。對頻域波束形成在每個時刻的FRAZ進行非線性濾波可得到其方位歷程圖。

3 非線性濾波器在水面干擾抑制中的應用

美國海洋物理實驗室(Marine Physical Lab)等單位在1996年5月10日至18日于圣迭戈市附近海域開展了SWellEx-96水聲試驗。本文采用此次水聲試驗S5部分的海試數據對非線性濾波器抑制水面干擾的有效性進行驗證。

此次海試發射船共拖有兩個聲源，其中一個聲源為“深”聲源(J-15)，拖曳深度大約為54 m，發射由13個頻率組成帶寬為0~400 Hz的寬帶CW信號；另一個聲源為淺聲源(J-13)，拖曳深度大約為9 m，發射由9個頻率組成帶寬為100~400 Hz的寬帶CW信號，具體情況如表1所示。

表1 不同深度處聲源頻率(Hz)

* 深：54 m；淺：9 m

3.1 單基元處理

對單基元(水聽器)信號進行時頻分析，得到個頻譜，采用式(1)在對不同時刻的頻譜進行處理。

圖1對比了WISPR方法與常規平均方法的結果，由圖1可知，WISPR較AVGPR方法對于穩定線譜的檢測，SNR提高約3 dB。圖2對AWSUM4方法和AVGPR方法進行了對比，對于穩定線譜的SNR增益可達15 dB。而且可以明顯觀察到對于深聲源輻射聲信號的信噪比增益大于淺聲源，尤其以淺聲源輻射的198 Hz的聲信號和深聲源輻射的201 Hz的聲信號對比明顯。通過這些處理說明這種方法對頻譜起伏大的信號具有很好的抑制作用，提高了譜線信噪比增益。

圖3是采用復聲壓非線性濾波器和常規平均方法分別得到的功率譜密度。可見，復聲壓非線性濾波方法較常規平均方法，信噪比提高可達30 dB。

3.2 陣列處理

對水平陣的15個基元接收聲信號，截取1小時的數據進行處理。處理結果如圖4和圖5所示。

圖4是采用常規平均方法所得的結果，其中方位跨度大的是“淺”聲源的航跡，方位基本不變的是“深”聲源的航跡。通過圖4可見，“淺”聲源是一個強干擾，在其影響下，“深”聲源的航跡很不明顯，水下目標受到水面干擾的嚴重影響。采用2.2節的方法，對頻域波束形成在每個時刻的FRAZ采用AWSUM4處理所得的結果如圖5所示。圖5中“淺”聲源的影響被完全抑制，說明該方法有效抑制了水面強干擾。

4 結論

聲起伏一般來說對水聲探測是有害的，本文利用水面目標和環境噪聲起伏較大，而水下目標的聲信號起伏較小的特性，采用非線性濾波器，可以有效抑制水面干擾，提高水下目標的檢測概率。文中采用非線性濾波方法對Swell96的實驗數據進行了處理，驗證了該方法的有效性。

[1] Wagstaff R A. The AWSUM filter: A 20-dB gain fluctuation-based processor[J]. IEEE journal of Oceanic Engineering, 1997, 22(1): 110-118.

[2] Wagstaff R A. The Wagstaff’s integration silencing processor filter: A method for exploiting fluctuation to achieve improved sonar signal processor performance[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1998, 104(5): 2915-2924

[3] Gardner S D, Wagstaff R A. DIET AWSUM: A fluctuation-based deconvolution technique for enhancing signal-to-noise ratio and resolution[J]. IEEE journal of Oceanic Engineering, 1997, 22(1): 119-127.

[4] 惠俊英, 生雪莉. 水下聲信道[M]. 北京: 國防工業出版社. 2007.HUI Junying, SHENG Xueli. Underwater acoustic channel[M]. Beijing: National Defense Industry Press. 2007

[5] Wagstaff R A. Exploiting phase fluctuations to improve temporal coherence[J]. IEEE journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(2): 498-510.

A method of surface interference suppression based on acoustic fluctuation

FU Liu-fang1,2, ZHAO Guo-jun3, ZHANG Da-wei1, ZHANG Xin-hua1

(1. Dalian Naval Academy,Dalian116013, Liaoning, China; 2. Unit 92337 of PLA, Dalian116031, Liaoning, China,3. Unit 91913 of PLA, Lüshun 116041, Liaoning,China)

Clutter signals from ships and noise from the wind and sea surface have relatively high fluctuation characters, but the signals from the sources submerged can be more stable. This phenomenon can be used to suppress the surface interference and to improve the detection probability of the submerged target. The nonlinear filter is used to analyze the spectrum for a single hydrophone, and a method of surface interference suppression for consecutive course is presented in the paper for array processing. Then, the experimental data of Swell96 are processed to prove the effectiveness of the method. The data processing for a single hydrophone shows that the SNR gain for stable line spectrum can be 15 dB and 30 dB with amplitude nonlinear filter and complex sound pressure nonlinear filter respectively. Array processing illustrates that the bearing time track of surface source can be suppressed to improve the detection probability of submerged source.

underwater acoustics; acoustic fluctuation; surface interference suppression; AdvancedWISPR (Wagstaff’s Integration Silencing PRocessor) SUMmation (AWSUM)

TB533

A

1000-3630(2016)-03-0214-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.005

2015-07-01;

2015-10-10

國家重大安全基礎研究項目(613220030101b), 大連艦艇學院科研發展基金(DJYKYKT2015-09)資助。

付留芳(1989－), 女, 河南洛陽人, 碩士, 講師, 研究方向為水聲信號處理。

付留芳, E-mail:fuliufanghenan@126.com