近場寬帶距離深度域矩陣濾波器研究

周敏 劉棱 程一超

【摘 要】由于近海水面艦船較多，形成較強干擾，不利于對水下目標尤其是水下弱目標的探測發(fā)現(xiàn)，本文針對水平陣，基于最小二乘原理，設計了近場寬度距離深度域矩陣濾波器，使其能夠抑制水面干擾，有效探測水下弱目標，并對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行分析對比。

【關鍵字】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： TN713 文獻標識碼： A 文章編號： 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

水下預警根本目在于發(fā)現(xiàn)水下目標，但是由于近海海洋環(huán)境極其復雜，近海海面艦船存在數(shù)量多、種類多的特點，會在海面形成一個個強干擾源，而水下目標則會“隱匿”于這些強干擾源當中，另外，隨著水下目標降噪技術的不斷發(fā)展，如潛艇，使其探測難度大大增加。因此，濾除水面強干擾，有效探測水下弱目標是反潛戰(zhàn)的首要工作任務。提高對水下目標定位檢測的能力，對于我國維護領海主權、航道安全以及港口防御等都具有重大的意義[1-2]。

空域濾波器僅允許空間當中某些區(qū)域的信號通過，同時對其他區(qū)域的噪聲及干擾信號進行抑制[3]。在模擬仿真過程中發(fā)現(xiàn)，聲源頻率對窄帶濾波器的濾波效果影響很大，但在實際的海洋環(huán)境中，水面干擾和水下目標往往都是寬帶的信號，這就需要所設計的特定寬帶距離深度域矩陣濾波器能夠處理寬帶信號，本文旨在設計近場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)能夠抑制預定區(qū)域的水面干擾、有效探測未知位置的水下目標，并與窄帶濾波器的濾波效果進行分析對比。

1 窄帶方位距離域矩陣濾波器的設計

將待觀察海域按距離、深度劃分網(wǎng)格，其中距離域上共M個網(wǎng)格點，深度域上共N個網(wǎng)格點。設一個頻率為f的等效點聲源在此水域中遍歷所有M×N個網(wǎng)格點。則當?shù)刃c聲源的位置為（m，n）時，根據(jù)假想聲源-陣列的幾何關系計算得到各個陣元上的聲壓向量v（m，n，f），即代表第（m，n）個網(wǎng)格點上聲拷貝向量，其中v（ms，ns，f）為阻帶區(qū)域內(nèi)某一網(wǎng)格點（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（mp，np）處的拷貝向量 [4]。

2 寬帶方位距離域矩陣濾波器的設計

矩陣濾波器的設計過程中需要干擾源的線譜信息精確已知的，然后根據(jù)干擾源的頻點來設計矩陣濾波器，然而實際工程應用中，即使根據(jù)頻譜提取出線譜來，實際上無法根據(jù)聲源級的強弱將目標源和干擾源線譜區(qū)分開，也就無法根據(jù)干擾源的線譜來設計矩陣濾波器[6]。因此本文提出一種寬帶矩陣濾波器的設計方法。設計流程如圖2所示。

在實際工程應用中，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系。濾波器的設計間隔精度Δf由頻率分辨率以及實際工程應用的需要所決定。

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)設置如圖3所示，且不隨水平距離和方位的變化而變化。

設水平陣陣深為20m，陣元個數(shù)為20個，陣元間距為15m。設在方位30o的區(qū)域內(nèi)存在水下目標和水面干擾兩個單頻聲源，二者聲頻均為800Hz，其中水面干擾位于深度6m、距離1500m處，其中水下目標位于同距離、深度40m處，水下目標與水面干擾的信干比大約是-7dB，同時海洋環(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的位置，設計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的范圍進行掃描，其中阻帶區(qū)域設置為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)設置和海洋環(huán)境設置不變，圖4是寬帶水聲信號的聲壓頻譜圖，從圖中可以看出水面干擾和水下目標的聲能量主要集中在600-900Hz，設濾波器的掃頻范圍為550-950Hz，其仿真結(jié)果如圖6所示。

分別對比相同方位上的窄帶水聲信號定位檢測結(jié)果和寬帶水聲信號定位檢測結(jié)果可以看出，寬帶矩陣濾波器的幅度響應圖效果和匹配場定位結(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圖可以看出通帶區(qū)域的響應分布更為平均，無明顯的“起伏”，而窄帶濾波器的幅度響應圖相比較而言，通帶區(qū)域內(nèi)響應有輕微“起伏”;從寬帶濾波器濾波后的匹配場定位結(jié)果圖可以看出，除了水下目標和水面干擾外，沒有其他的干擾信號，而窄帶濾波器濾波后的匹配場定位結(jié)果雖然可以明顯的定位出水下目標，但是還存在著許多其他干擾信號，而且在實際的海洋環(huán)境中，聲源信號往往是寬帶的，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，而且具有較廣的應用范圍。

5 結(jié)論

本文針對水平陣，基于最小二乘原理，分別設計了窄帶和寬帶近場距離深度域矩陣濾波器，并分別對窄帶和寬帶水下信號的定位檢測能力進行仿真，其仿真結(jié)果表明：無論是對窄帶還是對寬帶水下信號進行處理，所設計近場距離深度域矩陣濾波器能夠得到比較好的幅度響應效果圖，能夠完成水面目標強干擾下弱目標的檢測定位，具有比較好的濾波效果;從濾波器幅度響應圖和濾波效果看，寬帶濾波器具有更好的濾波性能和更廣的實用性。

【參考文獻】

[1]丁玉薇.被動聲納目標識別技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].聲學技術，2004，23（4）：253-257.

[2]馬遠良.聲納裝備技術現(xiàn)狀既發(fā)展趨勢探討.哈爾濱工程大學建校50周年報告，2003.

[3]Vaccaro R J， Harrison B F. Optimal matrix-filter design[J].IEEE Trans. Signal Processing， 1996，44（3）：705-709.

[6]Ahmad T Abawi.An energy-conserving one-way coupled mode propagation model[J].Acoust.Soc.Am，2002，111（1）：160-167.

[4]劉家軒.水中空域矩陣濾波技術及其應用研究[D].[碩士學位論文].大連：海軍大連艦艇學院， 2012.

[5]劉家軒，章新華，范文濤.距離深度域最小二乘矩陣濾波器的設計與應用[J].應用聲學，2011，30（6）：455-463.

[6]張本輝.抑制海面目標干擾的寬帶矩陣濾波器設計及其應用[D].[碩士學位論文].大連：海軍大連艦艇學院，2013.