一種基于穩健自適應波束形成的聲隔離技術

肖 軍，蘇 航，曹宦植

（中國人民解放軍 91388部隊，廣東 湛江 524022）

0 引言

現代魚雷自導信號多采用雙脈沖形式，且脈沖間隔不固定，使用存儲轉發方式易導致聲誘餌應答不完全，很容易就被識別為假目標，失去聲誘餌的干擾作用。邊發邊收式聲誘餌可以在發射應答信號的同時不關閉接收機，保證應答完全的同時大大減小了轉發信號的延時，提高了聲誘餌模擬的逼真度。

邊收邊發過程中發射和接收同時工作，轉發信號在發射換能器端面方向存在聲串漏，容易給接收端造成干擾。所以實現邊發邊收的關鍵是如何克服發射換能器端面方向信號及其混響對聲誘餌接收機的干擾。用聲隔離來定義聲誘餌接收機對聲誘餌發射信號的抑制能力。在以往的使用經驗中，實現有效聲隔離的手段主要有3種：1）設計收/發換能器的指向性[1-3]；2）在收/發換能器之間放置隔聲障板[1-4]；3）自適應干擾抵消[3,5]。

本文提出的基于穩健自適應波束形成的聲隔離技術是使用空域濾波對干擾進行抑制。首先建立邊發邊收聲誘餌模型，針對 STMV波束形成器在基陣模型失配情況下容易出現信號自消的現象，研究解決波束形成穩健性的新方法即RCB算法，實現有效的干擾抑制和信號提取。仿真和試驗數據表明，該方法對端射方向干擾具有良好的抑制效果，且能無失真提取出目標信號，為穩健自適應波束形成在聲誘餌邊發邊收中的應用提供了參考。

1 聲隔離原理

1.1 邊發邊收聲誘餌模型

圖1為邊發邊收聲誘餌的組成示意圖。誘餌發射后，懸浮于水中，可近似認為收、發換能器中心在同一垂線上。如圖所示，聲誘餌接收端收到的干擾來自于該垂線方位附近，信號方位與干擾方位不重疊是實現空域濾波的基礎。

圖1 邊發邊收聲誘餌的組成示意圖Fig.1 Compositional diagram of a receivingwhile-emitting acoustic decoy

使用基陣接收完成聲誘餌邊發邊收的信號處理流程如圖2所示。波束形成一般在頻域實現，所以首先將陣列輸出向量通過傅里葉變換從時域轉換到頻域。魚雷尋的信號為窄帶信號，該窄帶信號的頻率在一定帶寬范圍內隨機出現。檢測背景噪聲為寬帶，當信噪比足夠時，在進行波束形成前須進行預檢測估計，找到信號的頻帶范圍后，進行窄帶波束形成，既可以提高信噪比，也可以減小計算量。根據波束形成結果完成信號有無判斷，并提取峰值方位波束信號用于回波生成。

圖2 基陣接收聲誘餌信號處理流程圖Fig.2 Signal processing flow chart of array receiving acoustic decoys

1.2 穩健自適應波束形成

在窄帶波束形成器中，通過設計合適的加權值，可以有選擇地增強某一指定方向的信號，抑制其他方向到達的信號（成為干擾與噪聲），提高輸出信噪比。

常規波束形成器（CBF）的加權向量與輸入信號無關，每個陣元、每個頻點采用相同的值，具有最好的穩健性，但空間增益有限，且旁瓣過高，不能有效抑制來自旁瓣區域的干擾。STMV是一種基于導向協方差矩陣的時空統計的最優波束形成方法，其在保證感興趣方位信號無失真輸出的條件下，使輸出功率最小，最大限度地提高輸出信噪比，該波束形成器具有較強的干擾抑制能力。

通過對不同頻點的互譜密度矩陣進行相干積累，計算一定頻帶的空間譜。STMV可以獲得帶寬增益并減少收斂時間[7]。導向協方差矩陣可表示為

由于實際中精確的互譜密度矩陣和導向向量很難獲得，當快拍數比較少或是存在導向向量誤差時，就會使STMV波束形成器性能下降，甚至出現“自消”現象。

為克服導向向量誤差引起的方向圖性能下降的問題，Li[8]等提出了一種求解穩健性波束形成問題的新方法即RCB算法。

RCB穩健性波束形成的優化問題可以表述為

式中，ε0為設定的導向向量誤差范圍上界，理想情況下ε0=ε。

從式（3）可以看出，RCB方法的主要目的是從功率估計角度出發，在一定的導向矢量誤差范圍下，求解最優as，使其對應的信號功率最大，這是RCB算法的物理意義。

其方法的具體設計步驟如下：

2）運用牛頓迭代法解式：

式中γ1和γM分別是最大和最小的特征值。

加權向量為

對角加載方法對導向向量誤差與協方差矩陣誤差都具有穩健性，RCB方法的信號功率估計能力較好，幾乎能正確指示信號功率。ε0過大或過小都會引起性能下降，ε0越大，計算得到的值越小，對角加載量也就越大，RCB波束穩健性越強。同時，為了保證波束形成器對干擾的抑制能力，ε0應該選擇盡可能小。

綜上所述，RCB算法是基于導向矢量橢圓不確定性的約束條件，從功率估計的角度出發，根據協方差矩陣擬合原理提出的穩健性波束形成算法。該波束形成算法比 STMV有更好的穩健性。

2 仿真與試驗驗證

2.1 仿真分析

選取陣元數為8的均勻線陣，按照30 kHz半波長布陣，采樣頻率160 kHz，單拍處理設置為1 024點。設定目標入射方位為0°，30 kHz單頻信號，背景噪聲為海洋環境噪聲，信號功率為149 dB，信噪比-15 dB。仿真時不存在導向向量誤差，RCB算法設定導向向量誤差上界為0.001。分別進行常規波束形成、STMV波束形成、RCB波束形成，對這 3種方法形成的方位譜的比較，如圖3所示。

圖3 方位譜Fig.3 Azimuth spectrum

從圖3中可以看到，在沒有導向向量誤差的情況下，3種方法均能正確指示信號功率，STMV和RCB波束寬度更窄，旁瓣干擾抑制效果更好，且RCB旁瓣干擾抑制效果略優于STMV。

2.2 試驗驗證

湖試試驗時接收陣采用8元線列陣，按照30 kHz半波長布陣，陣元間距為0.025 m，采樣頻率160 kHz，單拍處理設置為1 024點。信號頻率為30 kHz，接收端標定為148.6 dB，分別從0°，10°，20°，30°，56°，80°，90°方向入射。干擾頻率為20 kHz，接收端標定為155.4 dB，入射角為90°。

考慮RCB對導向向量誤差上界ε0的選取，ε0過大或過小都會引起性能下降，其選取準則是盡可能接近真實導向向量誤差。因此，首先對數據進行預處理，得到0°情況下，不同參數選取對信號功率的影響，如圖4所示。可以看到當參數ε0大于0.3，即可對信號功率進行有效估計，所以0°方向的最佳參數選取值為0.3。運用同樣的方法，分別對10°，20°，30°，56°，80°，90°入射角方向進行預處理，得到各個角度應該選取的最佳參數值，如圖5所示。

圖4 RCB在0°下參數選取與估計功率關系Fig.4 Relationship between parameter selection and power estimation at 0° of RCB

圖5 RCB在不同角度下最佳參數選取Fig.5 Selection of optimal parameters from different angles of RCB

通過圖 5可以看到，隨著入射角度的增大，最佳參數選取值也逐漸增大。因此，參數選取應該隨著從0°～90°逐漸增大。從圖1可以看到，干擾來自于 90°附近，將[80° 90°]范圍內的參數設定小于最佳參數，抑制干擾。將0°信號與90°干擾疊加后，進行常規波束形成、STMV波束形成、RCB波束形成，對這3種方法形成的方位譜進行比較，如圖6所示。

圖6 方位譜Fig.6 Azimuth spectrum

通過圖6可以看到CBF和RCB波束形成都可以對信號功率進行準確估計，估計功率為148.6 dB，但CBF主波束寬，且無法消除干擾信號的影響，方位譜的峰值方位在干擾方位處；STMV無法準確估計信號功率，發生了自消，對信號功率的估計僅為117.5 dB，驗證了實際存在導向向量誤差的情況下，STMV誤將信號視作了干擾進行抑制，產生自消；RCB相比于 CBF，能有效抑制干擾信號的影響，相比于 STMV可以準確指示信號功率，且在根據先驗信息對參數進行合適選取后，可獲得較窄主瓣和低旁瓣。

分別提取CBF和RCB的0°方位波束譜，如圖7所示。可以看到RCB的0°方位波束中20 kHz干擾完全被抑制，產生了較深的零陷；CBF的0°方位波束中干擾仍然存在，相較初始輸入干擾被抑制16 dB。

圖7 方位譜0°方位波束譜Fig.7 Beam spectrum at 0° of azimuth spectrum

對每拍數據提取的CBF和RCB的0°方位波束譜作傅立葉逆變化，用于回波生成，如圖8所示。通過譜分析，可以看到RCB可得到較純凈的目標信號。

圖8 信號提取及分析Fig.8 Signal extraction and analysis

3 結束語

本文針對邊發邊收帶來的發射聲串漏問題和波束形成中導向向量失配問題，研究了一種穩健性自適應波束形成方法。仿真表明該方法可以正確指示信號功率，試驗數據處理結果顯示，其性能不受導向向量誤差的影響，具有較好的穩健性，且可通過對試驗數據預處理制定合理參數選取，抑制干擾對目標信號的影響。本文所研究的方法穩定，計算量小，可為穩健自適應波束形成在聲誘餌邊發邊收中的應用提供參考。