CN101335574A - 多途信道中的声屏蔽方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种多途信道中的声屏蔽方法。由声速仪测量水的声速；水平接收阵接收声场中的多个点源的辐射信号，放大滤波，然后进行数据采集；实现球面波声场中阵的声聚焦，得到的权值即为最佳聚焦权；在最佳聚焦权的基础上，增加屏蔽因子，得到最佳聚焦屏蔽权；进行反傅立叶变换可得到输出波形，也可进行频域积分得到输出功率；后续相干处理或输出经声屏蔽、聚焦后的功率。本发明以声屏蔽原理、方法为基础，适用于水声工程中抗多点源相干干扰，并且工程上可采用水平阵，更适合装载在运动平台上或海底固定使适用。

Description

多途信道中的声屏蔽方法

(一)技术领域

本发明涉及利用信号处理技术在水声相干多途信道中分辨多目标，特别是涉及同一方向上多目标的分辨，即探测同一方向上不同距离处的任意声源的方法。

(二)背景技术

基阵视野中若有多个声源，它们将相互干扰而降低对其中任何一个目标的探测能力，称之“多目标相互干扰”。信号处理的理想决策是对有兴趣探测的点源(目标)实施聚焦，对其余声源实施屏蔽。在平面波条件下，既不能实现聚焦，也不能实现屏蔽，所能实现的最优处理是阵处理技术，即将波束对准目标，而将指向性零点对准其余的(干扰)点源。波束零点(或极小值)抑制了多目标干扰，但零点方向也是探测盲区。也就是说，传统的阵处理技术无法分辨同一方向上的两个点源。

在平面波声场中，既不能实现声屏蔽，也不能实现声聚焦，首选的信号处理技术是(传统的)阵处理技术，该技术无法分辨同一方向上的两个点源。

在球面波条件下，可采用聚焦波束形成技术(参见：聚焦波束形成声图测量原理研究，《声学学报》，2007；32(4)：356-361)，在中、近程实现声聚焦。各阵元输出按球面波传播时延作时延差补偿并加权求和，就可得到聚焦输出。聚焦和屏蔽均是基于声场相干性的利用。若按球面波时延并使各通道反相输出进行补偿，如此，各通道反相相加，阵必在屏蔽点输出极小值，从而实现“声屏蔽”。

时间反转镜(Time Reversal Mirror)(参见：Phase conjugation in the ocean：Experimental demonstration of an acoustic time-reversal mirror.《J.Acoust.soc.Am》，1998；103(1)：25-40；用时间反转法在水下波导介质中实现自适应聚焦的研究，《声学学报》，2002，27(6)：541-548；矢量反转镜时空滤波技术研究，《声学学报》，2005，30(3)：271-278。)信号处理能在多途信道(或称波导)中实现声聚焦和声屏蔽。M.A.Kuperman用垂直阵时间反转镜抑制混响并增强回波(参见：Environmentally adaptive reverberation nulling using a time reversal mirror.《Acoust.soc.Am》，August 2004；116(2)：762-768)，称之为“Reverberation Nulling”。海试证明方法是科学的，但要求在目标处设置一PS(Probe Source)源或采用物理时反镜，这不实用，无法在位置未知的非合作目标处加一PS源。但他们的研究有重要的科学价值。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅用于设置零点抗混响，而且用于设置屏蔽区抗相干噪声源干扰，并且可应用于水平阵(或单水听器)，可适合装载在运动平台或海底固定式使用的多途信道中的声屏蔽方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)由声速仪测量水的声速，通过建模预报目标和干扰的信道冲激响应函数，或者通过接收探测声源的发射信号通过拷贝相关估计信道；

(2)水平接收阵接收声场中的多个点源的辐射信号，放大滤波，然后进行数据采集，采集包括需要探测的目标即被聚焦目标的辐射信号和干扰信号即被屏蔽目标的辐射信号；

(3)对接收信号作快速傅立叶变换，在频域采用相移补偿的球面波声场阵聚焦波束形成，或基于步骤(1)估计的信道得到被动时间反转镜(TRM)相位共轭谱，实现球面波声场中阵的声聚焦，得到的权值即为最佳聚焦权；

(4)在最佳聚焦权的基础上，增加屏蔽因子，得到最佳聚焦屏蔽权，寻找该最优权的准则为：在干扰处输出为0，在目标处输出最大；

(5)根据一系列专门的最佳屏蔽权频域矩阵算法，进行反傅立叶变换可得到输出波形，也可进行频域积分得到输出功率；

(6)后续相干处理或输出经声屏蔽、聚焦后的功率。

本发明以声屏蔽原理、方法为基础，适用于水声工程中抗多点源相干干扰，并且工程上可采用水平阵，更适合装载在运动平台上或海底固定使适用。

本发明研究局部空间(而不是扇面内的)的声屏蔽技术，抑制屏蔽区内声源产生的到达信号，改善对该区域外目标的探测性能，甚至可以屏蔽同一方向上不同距离处的任一声源，而有效检测另一声源。

本发明所谓的声屏蔽是：利用信号处理技术可在选定的局部区域内抑制其中的声源产生的相干干扰，从而改善对屏蔽区外目标的探测性能。

举例来说，拖船干扰是拖曳线列阵声纳的主要干扰，在拖船方向常造成约±20°的强干扰扇面，采用自适应波束形成技术可抑制该干扰，但在该扇面内仍是探测盲区。声屏蔽技术可在拖船区域设置屏蔽区，从而抑制拖船干扰，但在该扇面内屏蔽区外仍能有效探测目标。此例说明了本发明的声屏蔽技术与传统的阵处理技术的本质差别，声屏蔽技术可有效抗多目标干扰。

本发明有广泛的应用前景。例如，多种主动式和被动式水声设备在同频段同时工作时，会相互干扰，以致不能同时有效工作，可用于屏蔽拖船干扰，使拖曳线列阵声纳能有效消除拖船方向的探测盲区。

(四)附图说明

图1(a)和图1(b)为球面波声场中四元阵声屏蔽及声聚焦几何图。

图2为多途信道中水平阵声屏蔽及聚焦系统框图。

图3为抗拖船干扰声屏蔽几何态势图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明的目的是不仅用于设置零点抗混响，而且用于设置屏蔽区抗相干噪声源干扰。并且本发明可应用于水平阵(或单水听器)，可适合装载在运动平台或海底固定式使用，从而应用更方便。

为实现本发明的目的，本发明采取的多途信道中的声屏蔽及声聚焦实现包括如下步骤：

(1)由声速仪测量水的声速，通过建模预报目标和干扰的信道冲激响应函数，或者通过接收探测声源的发射信号通过拷贝相关估计信道。

(2)水平接收阵接收声场中的多个点源的辐射信号，放大滤波，然后进行数据采集，包括需要探测的目标(被聚焦目标)的辐射信号，和干扰信号(被屏蔽目标)的辐射信号。

(3)对接收信号作快速傅立叶变换，在频域采用相移补偿的球面波声场阵聚焦波束形成，或基于步骤(1)估计的信道得到被动时间反转镜(TRM)相位共轭谱，两种方法是异曲同工的，均实现了球面波声场中阵的声聚焦，此时得到的权值即为最佳聚焦权。

(4)在最佳聚焦权的基础上，增加屏蔽因子，即得到最佳聚焦屏蔽权，寻找该最优权的准则为：在干扰处输出为0，在目标处输出最大，从而实现抗干扰的同时，对目标聚焦。

(5)根据一系列专门的最佳屏蔽权频域矩阵算法，进行反傅立叶变换可得到输出波形，也可进行频域积分得到输出功率。

(6)允许后续相干处理，从而提高水声系统的探测能力。也可输出经声屏蔽、聚焦后的功率。

为简明说明发明方法的物理机理，以球面波声场中四元水平阵的声聚焦及声屏蔽为例述如下。

图1(a)和图1(b)为球面波声场中四元阵声屏蔽及声聚焦几何图。声场中若有两个点源S₁和S₂，它们的辐射信号分别为z_s(t)和z_n(t)。希望探测z_s(t)，而屏蔽z_n(t)，即屏蔽点设置在S₂处，而聚焦点在S₁处。

各阵元输出信号的相位差是由球面波传播时延T决定的。r_si为S₁到第i阵元的距离，r_ni为S₂到第i阵元的距离，c为声速。T_si和T_ni为传播时延。

对各阵元输出进行相位差(或者时延差)补偿后加权相加即得到聚焦输出。可表述为：

H_s＝[H_s1，H_s2，H_s3，H_s4]^T    H_n＝[H_n1，H_n2，H_n3，H_n4]^T    (1)

可求得相应的聚焦峰的功率。从而得到聚焦输出的频谱，即时间反转镜(TRM)相位共轭谱表示法。换而言之，TRM实现了球面波声场中阵的声聚焦。

在多途信道中，(由Experimental demonstration of adaptive reverberationnulling using time reversal.《J.Acoust.soc.Am》，september 2005；118(3)：1381-1387可知，)对S₂屏蔽，且对S₁聚焦的最佳权W_op为：

$W_{\mathrm{op}}=[I-{H_n^{*}\left(H_n^T{H}_n^{*}\right)}^{-1}{H}_n^T]H_s^{*}---\left(2\right)$

时空滤波器W_op的输出为：

$y=y_s+y_n=Z_s{H}_s^T[I-{H_n^{*}\left(H_n^T{H}_n^{*}\right)}^{-1}{H}_n^T]H_s^{*}+Z_s{H}_n^T[I-{H_n^{*}\left(H_n^T{H}_n^{*}\right)}^{-1}{H}_n^T]H_s^{*}---\left(3\right)$

其中被屏蔽分量y_n为：

$y_n=Z_n[H_n^T-{H_n^T{H}_n^{*}\left(H_n^T{H}_n^{*}\right)}^{-1}{H}_n^T]H_s^{*}=Z_n[H_n^T-H_n^T]H_s^{*}=0---\left(4\right)$

上式说明S₂辐射的Z_n(t)，它确实被屏蔽了。

聚焦输出y_s，由(3)式可知：

$y_s=Z_s[H_s^T{H}_s^{*}-{H_s^T{H}_n^{*}\left(H_n^T{H}_n^{*}\right)}^{-1}{H}_n^T{H}_s^{*}]---\left(5\right)$

上式右边第一项即TRM共轭相位谱输出，它是聚焦输出；第二项为小量。只要与S₁和S₂相联系的信道频率响应H_s和H_n相差较大，即二者的互谱较小，甚至二者是正交的，则(5)式可达到良好的聚焦效果。

H_sH_n＝0    (6)

当(6)式成立时，(5)式达到最佳效果。

上述说明了声屏蔽及声聚焦的原理。在图1(b)的情况下，两个点源均在阵的端向连线上，在球面波条件下无法区分S₁和S₂，但在多途信道中H_s和H_n的差别很大，二者的相关性很小，可以分别实现对S₁聚焦，对S₂屏蔽；或反之。

根据上述发明研究成果，本发明采用下述技术路线：

结合图2。考察多途信道中有两个点源S₁和S₂，分别辐射Z_s(t)和Z_n(t)，二者互相独立。用一个水平基阵屏蔽Z_n(t)，而对Z_s(t)聚焦，阵元数为N。

H_s1，H_s2，......，H_sN为S₁到各阵元间的信道频率响应。

H_n1，H_n2，......，H_nN为S₂到各阵元间的信道频率响应。

n₁(t)，n₂(t)，......，n_N(t)为各阵元接收的各向同性干扰噪声，它们互相独立。

图2中的最佳权W_op为：

$W_{\mathrm{op}}=[I-{H_n^{*}\left(H_n^T{H}_n^{*}\right)}^{-1}{H}_n^T]H_0^{*}---\left(7\right)$

上式中的H₀为搜索信道矢量，当搜索点与S₁位置重合时有：

H₀＝H_S    (8)

此时得到的声屏蔽及声聚焦输出在形式上同(4)式和(5)式。

这里以拖曳阵抗拖船干扰为例进行的说明本发明的研究应用，研究表明声屏蔽抗拖船干扰效果良好，可以消除拖船方向的探测盲区。

结合图3。跟前面所述一致，S₁为需要探测的目标(聚焦目标)，而S₂为拖船产生的干扰(屏蔽目标)，将其视为一点源，目标和干扰都在水平阵的端射方向。

把目标S₁辐射的信号与干扰S₂辐射的信号的功率比取分贝形式定义为“相干信噪比”，记为SNR；把目标S₁、干扰S₂辐射的信号与本地噪声的功率比取分贝形式定义为“非相干信噪比”，简称“信噪比”，分别记为snr1和snr2。

由声速仪测量水的声速。接收阵对接收水声信号放大滤波，然后进行数据采集。用拷贝相关器估计信道的冲击响应，它的Fourier变换即为H_s和H_n，在PC机中按(7)式做声屏蔽及聚焦分析。

Claims (1)

1、一种多途信道中的声屏蔽方法，其特征是：

(1)由声速仪测量水的声速，通过建模预报目标和干扰的信道冲激响应函数，或者通过接收探测声源的发射信号通过拷贝相关估计信道；

(2)水平接收阵接收声场中的多个点源的辐射信号，放大滤波，然后进行数据采集，采集包括需要探测的目标即被聚焦目标的辐射信号和干扰信号即被屏蔽目标的辐射信号；

(3)对接收信号作快速傅立叶变换，在频域采用相移补偿的球面波声场阵聚焦波束形成，或基于步骤(1)估计的信道得到被动时间反转镜(TRM)相位共轭谱，实现球面波声场中阵的声聚焦，得到的权值即为最佳聚焦权；

(4)在最佳聚焦权的基础上，增加屏蔽因子，得到最佳聚焦屏蔽权，寻找该最优权的准则为：在干扰处输出为0，在目标处输出最大；

(5)根据一系列专门的最佳屏蔽权频域矩阵算法，进行反傅立叶变换可得到输出波形，也可进行频域积分得到输出功率；

(6)后续相干处理或输出经声屏蔽、聚焦后的功率。

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