CN101470201B - 一种多发多收网络干扰抑制系统及干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多发多收网络干扰抑制系统，包括声信号收发节点和控制与处理单元；所述信号收发节点呈等分圆结构布设，所述信号收发节点的个数为不小于3的奇数；所述控制与处理单元用于控制各信号收发节点同步发射两两正交的脉冲编码探测信号，对各信号收发节点接收到的信号进行时域相干处理以抑制直达波干扰。本发明还提供了相应的干扰抑制方法。本发明利用多发多收网络体制，通过网络节点的空间布局和协同发射正交编码信号，可以有效地减少直达波干扰和发射信号相互干扰的影响区域；通过时空抵消方法，能够有效地抑制直达波干扰和发射信号相互干扰强度，从而提高了多发多收网络对目标的探测性能。

Description

一种多发多收网络干扰抑制系统及干扰抑制方法

技术领域

本发明属于水声信号处理技术领域，具体地说，本发明涉及一种多发多收网络干扰抑制系统及干扰抑制方法。本发明主要用于水下目标声探测。

背景技术

水下目标声探测是水声信号处理的一个重要领域。传统的收发共置探测声纳通常采用单发单收的策略，即声纳首先发射一组信号，然后通过接收目标所散射的信号回波来进行目标定位。同时，多基地探测声纳通常也是采用单发单收策略(与收发共置的差别仅在于多基地的发射和接收装置不在一起)，或者单发多收策略，即由一个发射基地发射一组信号，然后其它接收基地接收这组信号被目标散射而来的回波，各个接收基地各自进行目标定位或者通过基地间的数据融合进行目标定位。而多发多收的方式近年来已经出现在通信和雷达领域中。而在声纳探测方面，本申请的发明人在2007年提出了通过多发多收(MIMO)方式进行声纳低截获探测的初步想法(李宇，王彪，黄海宁，李淑秋，张春华，MIMO探测声纳研究，声学技术，26(5)pt.247-48页，2007)。将多发多收应用在声纳探测领域，如果采用传统的声纳信号和发射方式，所面临的一个重要问题就是多发射节点之间相互干扰的问题，因为各个发射节点之间的信号干扰可能会淹没目标的回波信号，从而导致主动探测的失败。因此迫切需要一个解决多发射节点之间相互干扰的问题的方案。

发明内容

本发明的目的是将正交的编码调制技术用于多发多收声纳，通过各网络节点协同发射相互正交的编码调制序列以及采用相应的时空干扰抑制方法，有效地抑制网络间直达波干扰和发射信号相互干扰的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供的多发多收网络干扰抑制系统包括声信号收发节点和控制与处理单元；所述信号收发节点呈等分圆结构布设，所述信号收发节点的个数为不小于3的奇数；所述控制与处理单元用于控制各信号收发节点同步发射两两正交的脉冲编码探测信号，对各信号收发节点接收到的信号进行时域相干处理以抑制直达波干扰。

上述技术方案中，所述信号收发节点包括收发共置换能器阵、节点接收机、节点发射机和无线通信模块。

上述技术方案中，所述控制与处理单元包括无线通信模块、信号处理机和多发多收控制单元。

上述技术方案中，所述信号处理机包括时间干扰抑制单元和空间干扰抑制单元，所述时间干扰抑制单元用于对信号收发节点接收到的阵列信号进行时域相干处理；所述空间干扰抑制单元用于对信号收发节点接收到的阵列信号建立协方差矩阵；对所述协方差矩阵进行奇异值分解，得出特征值矩阵；根据所述特征值矩阵分离出直达波干扰子空间。

上述技术方案中，所述信号处理机还包括波束形成单元，用于对分离出直达波干扰子空间后的阵列信号协方差矩阵进行波束形成处理，得到抑制干扰后的输出。

本发明提供的所述多发多收网络干扰抑制系统的干扰抑制方法，包括如下步骤：

1)各网络节点同步发射两两正交的脉冲编码探测信号；

2)各网络节点接收目标散射的回波信号；

3)对各信号收发节点接收到的信号进行时域相干处理以抑制直达波干扰。

上述技术方案中，所述信号收发节点包括收发共置换能器阵，所述步骤3)中包括时间干扰抑制处理和空间干扰抑制处理，所述时间干扰抑制处理是对信号收发节点接收到的阵列信号进行时域相干处理；所述空间干扰抑制处理包括如下子步骤：

31)对信号收发节点接收到的阵列信号建立协方差矩阵；

32)对所述协方差矩阵进行奇异值分解，得出特征值矩阵；

33)根据所述特征值矩阵分离出直达波干扰子空间。

上述技术方案中，所述空间干扰抑制处理还包括子步骤34)如下：

34)对分离出直达波干扰子空间后的阵列信号协方差矩阵进行波束形成处理，得到抑制干扰后的输出。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明利用多发多收网络体制，通过网络节点的空间布局和协同发射正交编码信号，可以有效地减少直达波干扰和发射信号相互干扰的影响区域；通过时空抵消方法，能够有效地抑制直达波干扰和发射信号相互干扰强度，从而提高了多发多收网络对目标的探测性能。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1表示多发多收网络节点结构框图；

图2表示多发多收网络控制与处理中心结构框图；

图3表示多发多收网络节点的布置示意图(节点为3个)；

图4表示正交编码序列与正交编码信号波形图(8位编码)；

图5表示直达波干扰区域示意图；

图6表示遵循多发多收时空规则时整个多发多收网络时序图(节点数为3)；

图7表示未遵循多发多收时空规则时整个多发多收网络时序图(节点数为3)；

图8表示正交编码序列互相关与自相关图(32位编码)；

图9表示多发多收网络中进行时域相干处理后干扰区域变化示意图(节点数为3)；

图10表示多发多收网络中直达波波达方向示意图(节点数为3)

图11表示经过干扰抑制后的目标探测效果对比图，其中图11(a)表示未经干扰抑制处理的目标探测效果图，图11(b)表示经过干扰抑制处理的目标探测效果图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步地描述。

实施例

本实施例的多发多收网络干扰抑制系统包括声信号收发节点和控制与处理单元；所述信号收发节点呈等分圆结构布设，所述信号收发节点的个数为不小于3的奇数；所述控制与处理单元用于控制各信号收发节点同步发射两两正交的脉冲编码探测信号，对各信号收发节点接收到的直达波和目标回波信号进行数据处理。

本实施例中，所述信号收发节点包括收发共置换能器阵、节点接收机、节点发射机和无线通信模块，如图1所示。本实施例中，所述控制与处理单元包括无线通信模块、信号处理机和多发多收控制单元，如图2所示。

本实施例的信号收发节点可安置在多个潜浮标平台上，也可安置在多基地(一般是以舰艇等大型设施为单位)平台上。

本实施例的网络布设和对接收信号进行干扰抑制处理包括以下步骤：

(1)布放多发多收探测网络节点时，将多方多收网络节点按照等分圆的结构布置(节点个数要求为奇数)；

(2)每个多发多收网络节点分配一组正交编码信号，进行网络化探测时同时发射，通过发射信号的正交性和时空协同发射来减少直达波干扰和发射信号相互干扰的影响区域；

(3)每个多发多收网络节点接收信号回波，并将数据通过无线通信汇集到多发多收网络控制与处理中心，利用信号的正交性，通过时域相干处理和正交空间抵消方法，来抑制直达波干扰和发射信号相互干扰。

本实施例中，所述步骤(1)中多发多收网络节点的布放满足两个条件：一是等分圆布放，二是参与探测的多发多收节点数为奇数(如图3所示，为三个节点的示意图)，这样的空间布放规则可以使相邻接收节点之间的距离相同，每个接收节点所接收到的直达波数为偶数。其数学原理如下：

设多发多收节点数为2K+1(K＝1，2，3，...)，则其相邻节点所对应的圆心角α(如图3所示)为：

$\mathrm{\α}=\frac{360}{2K+1}---\left(1\right)$

其相邻两个节点之间的距离R为：

$R=D\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}---\left(2\right)$

这里，D为圆的直径。

由于是等分圆结构，对于每个接收节点，其它接收节点所在位置都可以看作以该节点所在直径为轴的左右对称结构，而两个对称节点到达该节点的距离是相等的，且这样的节点共有K对，距离范围为： $D>R\≥D\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}.$

本实施例中，所述步骤(2)中，所谓正交编码脉冲信号可以描述为：对于两个包含元素(-1，1)，且编码长度为N的编码序列C_i(n)，C_j(n)，如果满足以下条件：

$\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i\left(n\right),C_j\left(n\right)=0$ i≠j(3)

则称C_i(n)，C_j(n)互为正交的，例如序列(-1，1)和(1，-1)就是最简单的正交编码序列，由正交编码序列调制的高频信号，即称为正交编码脉冲信号，如图4所示，便是两个8位正交编码脉冲串信号(图中C1、C2编码序列，M1、M2表示脉冲串信号)。

在多发多收网络中，分别考虑每组发射信号，其直达波干扰的作用区域为一个椭圆区域，若目标在椭圆区域之内将受到直达波的干扰，在接收节点端表现为时域上目标回波与信号直达波的混叠。如图5所示，其中R表示发射节点A与接收节点0的距离，R1表示发射节点A到目标G的距离，R2表示目标G到接收节点0的距离，C表示声速。

若发射脉冲的宽度为Tc，直达波干扰区域内任意一点需满足以下条件，即：

R1+R2≤R+cTc                                    (4)

则椭圆的长短轴可以表示为：

a＝(R+cTc)/2                                    (5)

$b=\sqrt{a^2-{(R/2)}^2}=1/2\sqrt{\mathrm{Tc}}\sqrt{c^2\mathrm{Tc}+2\mathrm{cR}}---\left(6\right)$

为了分析方便以接收节点0作为坐标原点，则可以得到椭圆区域的解析公式，即：

$\frac{{(x+R)}^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}\≤1---\left(7\right)$

而干扰区域的面积为：

S_d＝πab                                        (8)

通过各个节点在同一时刻协同发射，并结合步骤(1)的空间布放特征，可以保证探测网络中任意一个多方多收网络节点，在接收其它多方多收网络节点的发射时，各发射直达波都是成对地同时到达该节点。因为成对出现的直达波在时间上是完全重合的，所以保证了多发多收体制下每个接收节点在时域上受其他节点发射直达波的影响时间最小，同样也保证了成对出现的发射信号相互干扰的影响时间最小。如果不满足这样的空间布放规则或者节点不在同一时刻协同发射，则直达波干扰和发射信号互干扰对接收节点的影响时间都会变大，图6和图7描述了遵循此时空规则和不遵循此时空规则时，按图3布放的多发多收网络时序图，可以看出对于接收节点而言，当不遵循协同发射时直达波干扰和发射信号互干扰的影响时间扩大了一倍，而对于整个网络而言，它们的影响是原来的3倍。

本实施例中，所述步骤(3)中，当数据汇集到多发多收网络控制与处理中心后，针对每个接收节点，利用对应正交编码信号的正交特性，可以通过时域相干处理使直达波干扰在时间上的影响区域减小，其原理如下：

若设第i个节点发射的正交编码序列为C_i(n)，则该节点发射的正交编码信号为：

$S_i\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i\left(n\right)u(t-n{T}_s)---\left(9\right)$

这里，u(t-nT_s)为码片调制脉冲，T_s为码片脉冲宽度，且T_s＝T_c/N。

时域相干处理所利用的正交特性，主要是指正交编码信号的自相关特性，其自相关谱具有主瓣窄且峰值-均值比高的特点，而信号相互之间的互相关谱峰值-均值比低，并且自相关谱的峰值水平相对于互相关谱的峰值水平的比值较大。如图8所示，是两个32位正交编码脉冲串信号的自相关和互相关图，其中实线表示两个信号之间的互相关，点虚线表示信号的自相关，可以看出正交编码信号自相关具有较高的峰均比而相互之间的互相关水平较低，因此通过相干处理可以将直达波干扰和发射信号互干扰对探测目标的影响削弱。

经过时域相干处理后，直达波干扰的影响集中在一个码片脉冲宽度内，受直达干扰影响的椭圆区域就变为：

$\frac{{(x+R)}^2}{{a1}^2}+\frac{y^2}{{b1}^2}\≤1---\left(10\right)$

这里：

a1＝(R+cTs)/2                                    (11)

$b1=\sqrt{{a1}^2-{(R/2)}^2}=1/2\sqrt{\mathrm{Ts}}\sqrt{c^2\mathrm{Ts}+2\mathrm{cR}}---\left(12\right)$

则干扰面积变为：

S′_d＝πa1b1                                     (13)

因为探测网络一般要求R＞＞cTc，则将T_s＝T_c/N代入式(11)、(12)和(13)后，并整理可以得到：

$S_d^{\′}\≈S_d/\sqrt{N}---\left(14\right)$

干扰区域缩小到原来的约

分之一。如图9所示为进行时域相干处理后干扰区域变化示意图(节点数为3)。

除了时间上的干扰外，由于成对的发射信号直达波同时由不同方向到达，在空间上也存在的发射信号互干扰。利用正交编码信号的正交性，可以通过正交子空间分解与主分量消除的方法，分离并抵消不同方向上的两个直达波信号，从而使直达波干扰在时间上的影响也被削弱。其原理如下：

假设多发多收网络节点数为3，如图10布置。对于接收节点1，假设它使用一个M个阵元且阵元间距为d的水平阵接收，其第m个阵元所接收的复信号可以写做：

$r_m\left(t\right)=a_1{S}_2\left(t\right)e^{j2\mathrm{\πf}(m-1)d\sin {\mathrm{\θ}}_2/c}+a_2{S}_3\left(t\right)e^{j2\mathrm{\πf}(m-1)d\sin {\mathrm{\θ}}_3/c}+\mathrm{aX}\left(t\right)e^{j2\mathrm{\πf}(m-1)d\sin {\mathrm{\θ}}_0/c}+N\left(t\right)---\left(14\right)$

其中，f为信号频率，a₁，a₂，a分别是直达波S₂(t)，S₃(t)和目标回波X(t)的衰减幅度，θ₂，θ₃，θ₀分别为直达波S₂(t)，S₃(t)和目标回波X(t)的波达方向，N(t)为环境噪声。

根据式(14)可以得到接收节点1所用阵列的协方差矩阵：

其中，矩阵中每一个元素可以表示为：

$p_{\mathrm{ij}}=r_i{r}_j^{*}=E\left[r_i\left(t\right)r_j^{*}\left(t\right)\right]---\left(16\right)$

这里，E[]表示数学期望。

通过对协方差矩阵P进行奇异值分解，可得：

P＝U∑V^H        (17)

其中，U，V为特征向量，∑为特征值矩阵，为对角阵，有：

这里，σ₁，σ₂，...，σ_M为按降序排列的特征子空间的特征值。

由于相对于回波信号和噪声信号而言，直达波干扰信号幅度大，且相互正交，所以通过奇异值分解后，将对应特征值最大的两个特征子空间，因此式(17)可以分解成两个子空间，一个干扰子空间P₁和一个回波与噪声子空间P₂，即；

P＝P₁+P₂＝U₁∑₁V₁ ^H+U₂∑₂V₂ ^H        (18)

这里，U₁，U₂，V₁，V₂分别为P₁，P₂对应的子空间特征向量，而且：

因此，通过对主分量特征子空间P₁的估计，可以消除正交信号直达波干扰在空间的影响，即：

P₂＝P-P₁＝P-U₁∑₁V₁ ^H               (20)

值得说明的是，这里估计的含义是：对所接收到的阵列信号，根据式(14)到(19)，计算出主分量特征子空间P₁的值。由于实测信号的计算结果与理论值相比可能存在误差，因此此处称为估计。

经过正交子空间分解与主分量消除后，通过普通波束形成方法可以得到最终的经过干扰抑制处理的输出Ω(θ)，即：

Ω(θ)＝W(θ)*P₂W(θ)              (21)

这里，W(θ)为导向向量，有：

W(θ)＝[w₁，w₂，...，w_M-1，w_M]^T，w_j＝exp(i2πf(m-1)dsinθ/c)(22)

上述推导是在节点数为3，接收节点为节点1的情况下得到的，在不同接收节点以及不同节点数下，只要满足空间布放和协同发射规则，上述结论仍然适用。当节点数为2K+1时，

经过时域相干处理和空间上正交子空间分解与主分量消除处理后，多发多收网络节点的直达波干扰和信号之间的互干扰水平有了明显地抑制，从而提高了对目标回波探测的能力，如图11所示为经过干扰抑制后的探测效果(参考图11(b))，可以看出相对于未进行干扰抑制(参考图11(a))的情况，通过干扰时空抑制后，原来淹没在干扰中的目标回波得以被发现。

本实施例的突出特征在于：

第一，通过发射正交编码信号的正交性和时空协同发射，来减少直达波干扰和发射信号相互干扰的影响区域。

第二，通过时域相干处理和正交空间抵消方法，有效地抑制直达波干扰和发射信号相互干扰强度。

第三，按照等分圆的结构布放多发多收探测网络(节点个数要求为奇数)。

第四，适用于潜浮标网络化探测系统，也适用于舰艇多基地探测系统。

最后所应说明的是，以上仅用以说明本发明理论原理和技术方案而非限制。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种多发多收网络干扰抑制系统，包括声信号收发节点和控制与处理单元；所述信号收发节点呈等分圆结构布设，所述信号收发节点的个数为不小于3的奇数；所述控制与处理单元用于控制各信号收发节点同步发射两两正交的脉冲编码探测信号，对各信号收发节点接收到的信号进行时域相干处理以抑制直达波干扰；所述控制与处理单元包括信号处理机；所述信号处理机包括时间干扰抑制单元，用于对信号收发节点接收到的阵列信号进行时域相干处理；所述信号处理机还包括空间干扰抑制单元，用于对信号收发节点接收到的阵列信号建立协方差矩阵；对所述协方差矩阵进行奇异值分解，得出特征值矩阵；根据所述特征值矩阵分离出直达波干扰子空间；所述信号处理机还包括波束形成单元，用于对分离出直达波干扰子空间后的阵列信号协方差矩阵进行波束形成处理，得到抑制干扰后的输出。

2.根据权利要求1所述的多发多收网络干扰抑制系统，其特征在于，所述信号收发节点包括收发共置换能器阵、节点接收机、节点发射机和无线通信模块。

3.根据权利要求2所述的多发多收网络干扰抑制系统，其特征在于，所述控制与处理单元还包括无线通信模块和多发多收控制单元。

4.利用权利要求1所述的多发多收网络干扰抑制系统的干扰抑制方法，包括如下步骤：

1)各网络节点同步发射两两正交的脉冲编码探测信号；

2)各网络节点接收目标散射的回波信号；

3)对各信号收发节点接收到的信号进行时域相干处理以抑制直达波干扰；

所述步骤3)中包括时间干扰抑制处理，所述时间干扰抑制处理是对信号收发节点接收到的阵列信号进行时域相干处理；

所述步骤3)中还包括空间干扰抑制处理，所述空间干扰抑制处理包括如下子步骤：

31)对信号收发节点接收到的阵列信号建立协方差矩阵；

32)对所述协方差矩阵进行奇异值分解，得出特征值矩阵；

33)根据所述特征值矩阵分离出直达波干扰子空间。

34)对分离出直达波干扰子空间后的阵列信号协方差矩阵进行波束形成处理，得到抑制干扰后的输出。

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