CN104101871A - 一种用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，包括：对某一时刻拖线阵声纳采样时阵元接收到的信号作FFT变换，估计窄带干扰的中心频率和干扰频带；对信号滤波，滤波后的信号重构回时域；预设频点补偿总数；将信号做FFT变换以及频域波束形成，对频域波束形成结果进行累加；运动一定时间后，对采样信号做FFT变换以及频域波束形成，对频域波束形成结果进行累加；计算总的相位修正补偿，进而得到扩展虚拟阵列的输出结果；将补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，以对被测目标信号进行检测，当前的频点补偿次数是否是预设的频点补偿总数，否，改变当前频点值的大小，重新执行，直至达到预设的频点补偿总数。

Description

一种用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法及系统

技术领域

本发明涉及声纳领域，特别涉及一种用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法及系统。

背景技术

随着低噪声舰艇和声隐身技术的发展，舰船等航行器的水下辐射噪声和目标强度进一步下降，传统的被动声纳对目标的探测更加困难，且声纳的检测能力随着安静型目标的出现和迅猛发展而受到严重挑战。

随着科技的发展，基于被动合成孔径技术的拖线阵声纳的研究成为水声信号处理领域的研究热点问题。拖曳线列阵声纳由于可以远离本舰自噪声、可以不受孔径限制，并能变深拖曳利用水文条件，被广泛用于水下目标特性的测量，且由小孔径阵列合成虚拟大孔径阵列的方法为解决低频信号大孔径声纳系统的实现提供了有效途径。被动合成孔径声纳正是通过拖曳线列阵运动合成得到比实际孔径大得多的合成孔径阵列，依靠短阵的机动突破阵列孔径的限制，获得更高的增益和更高的方位分辨力。依据水下舰船等目标特性分析得知螺旋桨的桨叶切割海水产生单频信号分量等线谱成分，为合成一个比物理孔径大得多的有效孔径提供了可能。

拖线阵声纳载体通常以匀速直线运动的方式对目标采取运动接收，由于实际水下复杂环境下介质和路径扰动引起的阵列移动偏差，及海浪、潮汐、风等因素的影响，声纳载体在进行孔径合成时，由于水听器阵列接收时与目标存在相对运动，产生多普勒运动频偏，会对目标的检测性能引起下降和处理增益带来损失，因此解决多普勒频偏是被动合成孔径声纳运动相位补偿的主要问题之一。

考虑对弱目标信号检测时，频率未知，在进行目标检测时通常采用较小的步长实现频率搜索补偿，而由于窄带干扰（即单一某频率的干扰，区别于多频率组合的宽带干扰）等因素的存在，导致目标检测时常常会出现误判，因此如何有效抑制窄带干扰，进一步实现被动合成该孔径的频率搜索补偿成为解决问题的一个着手点。现有技术并未有任何有关由于声纳载体与静止/运动目标的多普勒频偏带来的处理增益损失及检测性能的降低且进一步窄带干扰抑制等问题进行处理的技术手段。

拖线阵相对于目标以确定性规律运动是被动合成孔径声纳的基础，现有技术的被动合成孔径声纳算法一般用于理想情况下目标信号的检测和分辨，基于被动合成孔径技术的拖线阵声纳、无人水下航行器等研究成为水声信号处理领域的研究热点问题，考虑实际应用时目标的运动及水声信道等复杂因素影响，被动合成孔径相应算法在处理有关问题时忽略多普勒频偏的补偿，不具有可行性、通用性及实用性，而目前对于窄带干扰抑制技术主要局限于时域的自适应滤波技术，当干扰信号频繁出现时，通过调整滤波器系数很难有效去除干扰，且由于滤波器系数发生微小改变时输出会产生很大的变化，导致在信号处理中实时性、稳定性等无法实现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的窄带干扰抑制技术对于干扰信号频繁出现的情况，很难有效去除干扰，信号处理的实时性、稳定性无法实现等缺陷，从而提供一种抑制窄带干扰方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，包括：

步骤1）、以水下目标的辐射噪声特性分析为基础，构造拖线阵运动时对被测静止或运动目标信号进行声场空间采样的接收模型；以及细化分析各阵元所接收信号，构建直角坐标系；

步骤2）、基于步骤1）所建立的接收模型，对某一时刻拖线阵声纳采样时阵元接收到的信号作FFT变换，将信号由阵元域处理转变为波束域处理，然后估计出窄带干扰的中心频率和干扰频带；

步骤3）、在步骤2）中确定窄带干扰的中心频率和干扰频带后，对步骤2）中经过FFT变换的信号在由所述中心频率与干扰频带所确定的频域内进行滤波；然后将滤波后的信号重构回时域；

步骤4）、预设频点补偿总数；

步骤5）、将步骤3）中滤波后重构回时域的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；

步骤6）、拖曳线列阵声纳在运动一定时间后，拖曳线列阵声纳进行采样操作，然后对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；

其中，所述FFT变换时所涉及的FFT点数与步骤5）中的FFT点数相同；

步骤7）、根据步骤6）所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到阵列移动前后总的相位修正补偿，根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果；

步骤8）、将步骤7）得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后考察当前的频点补偿次数是否已经达到了步骤4）中预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新执行步骤5）—步骤7），直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。

上述技术方案中，在所述的步骤1）中，所述构建直角坐标系包括：将拖曳线列阵中第一个阵元的初始位置作为直角坐标系的原点，将辐射目标作为点声源。

上述技术方案中，在所述的步骤1）中，所述接收模型包括：由拖缆连接的若干个等间距的各向同性水听器形成一线列阵，该线列阵作匀速直线运动，以某一时刻第1号水听器接收到的被测目标信号为参考，其它水听器相对于被测目标均有不同的距离，即其它水听器接收到的被测目标信号相对于1号水听器接收到的被测目标信号有相应的传播时延，运动一定时间间隔后，各个水听器再次对被测目标信号进行接收处理，根据各水听器与运动目标的距离得到各水听器接收的信号。

上述技术方案中，在所述的步骤3）中，所述滤波采用中值滤波的方式。

上述技术方案中，在所述的步骤8）中，对被测目标信号进行检测包括：

将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到的水下目标信号中确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测。

上述技术方案中，在所述的步骤7）中，所述空间移动补偿根据移动的距离得到。

上述技术方案中，在所述的步骤7）中，所述时间延迟补偿根据移动相应距离的时间得到。

上述技术方案中，在所述的步骤2）、步骤5）和步骤6）中，做FFT变换时的FFT点数根据补偿精度要求而定。

本发明还提供了一种用于被动合成孔径的抑制窄带干扰系统，用于包括多个阵元的拖曳线列阵，该系统包括预处理模块、窄带干扰估计模块、滤波模块、频点补偿总数预设模块、信号处理模块、延迟补偿模块、检测模块；其中，

所述的预处理模块以水下目标的辐射噪声特性分析为基础，构造拖线阵运动时对被测静止或运动目标信号进行声场空间采样的接收模型；以及细化分析各阵元所接收信号，构建直角坐标系；

所述的窄带干扰估计模块基于所述预处理模块所建立的接收模型，对某一时刻拖线阵声纳采样时阵元接收到的信号作FFT变换，将信号由阵元域处理转变为波束域处理，然后估计出窄带干扰的中心频率和干扰频带；

所述滤波模块对所述窄带干扰估计模块中经过FFT变换的信号在由所述中心频率与干扰频带所确定的频域内进行滤波；然后将滤波后的信号重构回时域；

频点补偿总数预设模块用于预设频点补偿总数；

信号处理模块将所述滤波模块中滤波后重构回时域的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；以及当拖曳线列阵声纳在运动一定时间后，拖曳线列阵声纳进行采样操作，然后由所述信号处理模块对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；

所述延迟补偿模块根据所述信号处理模块所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到阵列移动前后总的相位修正补偿，根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果；

所述检测模块将所述延迟补偿模块得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后考察当前的频点补偿次数是否已经达到了所述频点补偿总数预设模块预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新启动信号处理模块，直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。

本发明的优点在于：

本发明方法对运动拖线阵阵列检测运动目标进行有效补偿，并抑制了窄带干扰信号，减少了目标检测时误判概率，采用阵列处理将时间处理增益换取空间处理增益，能够有效提高对远距离、安静型弱目标信号的检测能力，且经过搜索频率补偿修正后的被动合成孔径算法在复杂水声环境下对水下弱目标信号检测能力更优异，检测效果更佳，利于运动信号检测及拖船噪声抵消等方法的合理使用，具有一定的工程实用性。

附图说明

图1是利用拖曳线列阵声纳运动下对水下目标的辐射噪声进行检测的简图；

图2是研究窄带干扰信号频域分析归一化频率为非整数示意图；

图3是本发明的用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

在对本发明的方法做详细说明之前，为了便于理解，首先对本发明中所涉及的一些概念做统一的说明。

时间方位历程图：时间方位历程图通过对连续的采样数据进行短时傅里叶变换而构成。将原始信号的采样序列进行分帧处理（如分为100帧，每帧2000个点)，帧间相互重叠50%，然后分别对各帧信号进行波束形成处理，得到各帧对应目标方位，将各帧的时间联合即得到时间方位历程图。采用一张时间方位历程图可以读出目标所在方位，将其方位记录进行后续拟合处理及门限判别，可以实现对目标信号的有效检测。

拖曳线列阵声纳：也称“拖曳阵声纳”，它是将水听器镶嵌在电缆上形成线列阵，由拖曳电缆拖在舰艇尾后水中探测目标的声纳。

时间延迟补偿：反映了拖曳线列阵声纳运动某一时间后，时间变化对不同时间的两次接收时频域波束形成的影响。

空间移动补偿：反映了拖曳线列阵声纳运动某一时间后，空间位置变化对不同时间的两次接收时频域波束形成的影响。

以上是对本发明中所涉及的相关概念的描述。

图1为利用拖曳线列阵声纳运动下对水下目标的辐射噪声进行检测的简图，从该图中可以看出，拖曳线列阵拥有N个等间距为d的同向水听器（这些水听器也被称为阵元），这些水听器在同一水平线上。当舰船或被测目标经过拖曳线列阵时，拖曳线列阵对目标辐射噪声信号进行采样，从而完成对噪声源的检测。具体的说，拖曳线列阵做匀速直线运动，速度为v，然后以t=0时刻第1号水听器阵元接收到的被测目标信号为参考，其它阵元相对于目标均有不同的距离，即与1号阵元接收具有相应的传播时延，运动一定时间间隔后，再次对被测目标信号进行接收处理，根据各阵元与运动目标的距离来得到各阵元接收的信号。

对于N个阵元组成的线列阵，由于拖曳速度的存在，上述检测过程中存在阵列接收到的信号与辐射声源存在频率不一致情况，且相对声源运动接收频率变高，背离声源运动接收频率变低。阵列移动前后有阵元相互重叠，通过相位修正，可以得到虚拟阵元的扩展。拖船继续按速度v运动，可连续不断地将空间信息合成为虚拟阵元，当相位修正因子估计精确时，虚拟得到的合成孔径可以等效为实际阵元构成的物理孔径，所述合成孔径能够实现对目标信号的检测。但在检测过程中，由于窄带干扰的存在，且窄带干扰平均幅值远大于需要传输信号的平均幅值，因此窄带干扰会对目标信号检测的准确性造成很大的影响，本发明的方法需要克服窄带干扰，从而实现对目标信号的检测。

如图3所示，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1）、以水下目标的辐射噪声特性分析为基础，构造拖线阵运动时对被测静止或运动目标信号进行声场空间采样的接收模型；以及细化分析各阵元所接收信号，构建直角坐标系。

其中，在构建直角坐标系时，将拖曳线列阵中第一个阵元的初始位置作为直角坐标系的原点，将辐射目标作为点声源。

步骤2）、基于步骤1）所建立的接收模型，对某一时刻拖线阵声纳采样时阵元接收到的信号作FFT变换，将信号由阵元域处理转变为波束域处理，然后依据干扰频点在某一频带范围内有较大幅值这一特性，估计出窄带干扰的中心频率和干扰频带。其中，做FFT变换时的FFT点数根据补偿精度要求而定。

步骤3）、在步骤2）中确定窄带干扰的中心频率和干扰频带后，对步骤2）中经过FFT变换的信号在由所述中心频率与干扰频带所确定的频域内进行滤波；然后将滤波后的信号重构回时域。

在本实施例中，在频域内的滤波可采用中值滤波的方式，这样做可有效保证时域畸变很小。

步骤4）、预设频点补偿总数。

步骤5）、将步骤3）中滤波后重构回时域的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；

其中，所述当前频点为所要补偿的频率范围内的一个值，在第一次做频点补偿时，当前频点为所要补偿的频率范围的一个端值，例如，补偿在-0.5Hz～0.5Hz上进行，则当前频点为-0.5Hz，在后续的频点补偿操作中，当前频点发生变化，如由-0.5Hz变为-0.4Hz。

步骤6）、拖曳线列阵声纳在运动一定时间后，拖曳线列阵声纳进行采样操作，然后对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；

其中，所述FFT变换时所涉及的FFT点数与步骤5）中的FFT点数相同。

步骤7）、根据步骤6）所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到阵列移动前后总的相位修正补偿，根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果；

其中，所述空间移动补偿根据移动的距离得到，一般预设为阵元重叠数的一半，或者根据实际移动距离作空间移动补偿；所述的时间延迟补偿根据移动相应距离的时间得到。

步骤8）、将步骤7）得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后考察当前的频点补偿次数是否已经达到了步骤4）中预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新执行步骤5）—步骤7），直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。

下面对上述步骤做进一步的描述。

在所述的步骤1）中，以水下目标的辐射噪声特性分析为基础，所述辐射噪声特性分析不仅为水下螺旋桨切割形成线谱信号的被动合成孔径技术奠定基础，而且为后续信号检测处理中对拖船噪声抵消等技术提供了理论参考。

经研究发现：船体的机械噪声、螺旋桨噪声以及水动力噪声是舰船噪声的三种主要来源，其中机械噪声和螺旋桨噪声是舰船噪声的主要声源。机械噪声是航行或行业舰船上的各种机械振动通过船体向水中辐射而形成的噪声，由于各种机械运动形式的不同，其产生的水下辐射噪声性质也就不同，此噪声可以看成是强线谱和弱连续谱的迭加；螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨所辐射的噪声，包括螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动所产生的噪声，往往是舰船辐射噪声高频段的主要部分；水动力噪声由不规则的、起伏的海流流过运动船只表面而形成，是水流动力作用于舰船的结果，在强度方面一般被机械噪声和螺旋桨噪声所掩盖。

水下舰船的辐射噪声谱特性与频率、航速、深度有关，低航速时，谱的低频端主要包括机械噪声和螺旋桨叶片速率谱线，随着频率增高，该谱线不规则地降低；航速较高时螺旋桨空化噪声的连续谱更为重要，掩盖了很多线谱。舰船辐射噪声信号的总的功率谱可以写成宽带连续谱与线谱的和：

G(t,f)＝G_s(f)+G_L(f)+2m(t)m(f)G_s(f)

式中，G_s(f)表示平稳连续功率谱，G_L(f)表示线谱部分，2m(t)m(f)G_s(f)表示非平稳时变谱，m(t)和m(f)分别为调制函数和调制深度谱。对于舰船辐射噪声而言，在给定航速和深度下，谱的主要成分与临界频率有关，通常的舰船临界频率约在100～1000Hz之间，低于此频率时，谱的主要成分时船的机械和螺旋桨的线谱，高于此频率时，谱的主要成分则是螺旋桨空化的连续噪声谱。依据研究表明，舰船辐射噪声的频域特性是宽带连续谱与窄带线谱的迭加，窄带谱线主要集中在1kHz以下，而宽带连续谱则覆盖了多个倍频程。在实际检测时，被动合成孔径声纳感兴趣的信号是目标辐射噪声的线谱成分。因此在后续的步骤中，拖曳线列阵主要对窄带线谱信号进行检测。

在所述步骤1）中所构建的接收模型包括：由拖缆连接的若干个等间距的各向同性水听器形成一线列阵（在线列阵中的水听器也被称为阵元），该线列阵作匀速直线运动，以某一时刻第1号水听器接收到的被测目标信号为参考，其它水听器相对于被测目标均有不同的距离，即其它水听器接收到的被测目标信号相对于1号水听器接收到的被测目标信号有相应的传播时延，运动一定时间间隔后，各个水听器再次对被测目标信号进行接收处理，根据各水听器与运动目标的距离得到各水听器接收的信号。

在步骤2）、步骤5）与步骤6）中，需要对各个水听器所接收到的信号做FFT变换，在FFT变换时所需的点数与补偿精度有关。如补偿精度为0.1Hz时，FFT点数为实际采样率fs的10倍。当补偿精度发生变化，则相应的FFT变换也会对应改变。

在步骤2）中，窄带干扰的中心频率可按照如下方式获得：

根据窄带干扰信号模型，以频率f采样，共记录n点样值，可得：

其中，i=0,1,…,N-1，T=1/f为采样时间间隔，A_m为幅度，为相位。

N点FFT的频率分辨率为：Δf＝f_s/N，由于FFT变换产生频谱泄露，以信号的第m个分量f_m为例，如图2所示，设归一化频率f_m/f落入第l_m与第l_m+1离散频率之间，则干扰信号的中心频率可以表示为：

f_m＝(l_m+δ_m)×Δf。

所述窄带干扰的干扰频带可按照如下方式获得：将窄带干扰频率所在范围作为干扰频带。

在步骤3）中，为了减少频域置零所带来的影响，采用中值滤波，即对干扰频带内的窄带信号进行插值补偿，从而使得信号在该频带中和其它频段一样是稳定的。假设窄带干扰内有n个点(即：N+1,N+2,...,N+n)被滤掉，则使用与该频段相邻的前n个点(即：N-n+1,N-n+2,…,N)及其相邻该频率段的后n个点(即：N+n+1,N+n+2,…,N+2n)作中值滤波，可有效保证时域波形畸变很小，即：

$S(N+i)=\frac{1}{2}(S(N-n+i)+S(N+n+i)).$

在步骤7）中，分别对时间延迟及空间位置移动进行相位估计，为保持相位一致，分别对空间位置移动及时间延迟变化予以考虑，对运动τ秒后S₁进行补偿，空间移动补偿，运动距离为v·τ，在此v·τ可以为各阵元间距d的非整数倍，

$P_1=S_1\·\exp [-j2\mathrm{\π}(K-1)\frac{\mathrm{fs}}{M}\frac{\mathrm{v\τ}}{d}\mathrm{\Δ\τ}]$

考虑时间延迟补偿，运动τ秒，有：

$P_2=S_1\·\exp [-j2\mathrm{\π}(K-1)\frac{\mathrm{fs}}{M}\mathrm{\τ}]$

联合考虑空间及时间上变化，即时间延迟及空间位置移动相位修正，将P₁和P₂相加，得到阵列移动前后总相位修正补偿：

P₀＝P₁+P₂。

所述的步骤8）具体包括以下步骤：

步骤8-1）、依据虚拟阵列补偿后波束累加获得的输出结果进行处理，结合各时间段信号处理获得时间方位历程图；

步骤8-2）、对整个时间方位历程图输出进行检测，得到目标波束对应方位，具体为：将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到水下目标信号确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测；

步骤8-3）、判断当前的频点补偿次数是否已经达到了步骤4）中预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新执行步骤5）—步骤7），直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。

下面结合一个具体的例子，对本发明方法做进一步说明。

如图1所示，考虑N个等间距为d的各向同性线列阵，基阵做匀速直线运动，速度为v，水下舰船或被测目标经过水平线列阵时，各阵元对噪声信号进行采样，完成对噪声源的检测。对于N个基元组成的线列阵，由于相对运动的存在，使得阵列接收到的信号与辐射声源存在频率不一致情况，且相对声源运动接收频率变高，背离声源运动接收频率变低。R₀与R_N分别表示拖船与1号、N号水听器的距离。

结合图1，以t=0时刻第1阵元接收到舰船辐射噪声信号为参考标准，其它阵元相对于目标均有不同的距离，即与1号阵元接收具有相应的传播时延，则第n阵元接收到信号为

x_n(t_i)＝Aexp[j2πf(t_i-τ_n)]+ξ_n(t_i)

式中A表示幅度；f表示频率；t_i表示第i个采样时间，ξ_n(t_i)表示独立零均值海洋环境噪声，τ_n为第n号水听器阵元相对于第1阵元传播时延(n-1)·Δτ，进一步可写成：

τ_n＝(R_n-R₁)/c

其中，R₁、R_n分别为辐射声源与第1号及第n号接收水听器距离。

依据频率搜索抑制窄带干扰方法要求对干扰信号的中心频率等估计要较为准确，否则不能满足干扰抑制时插值补偿要求，因而如何进行窄带干扰的频域估计得实现是该方案的关键。根据窄带干扰信号模型，以频率f采样，共记录n点样值，可得：

i=0,1,…,N-1式中：T=1/f为采样时间间隔。N点FFT的频率分辨率为：Δf＝f_s/N，由于FFT变换产生频谱泄露，以信号的第m个分量f_m为例，设归一化频率f_m/f落入第l_m与第l_m+1离散频率之间，如图2所示。

干扰信号频率可以表示为：

f_m＝(l_m+δ_m)×Δf

一般在加有窄带干扰的频率部分，窄带干扰平均幅值远大于需要传输信号平均幅值，在确定窄带干扰及频带后，为了减少频域置零所带来的影响，处理时对干扰频带内的窄带信号进行插值补偿，采用中值滤波，从而使得信号在该频带中和其它频段一样是稳定的，然后再利用IFFT，在时域中获得更好的滤波效果，实际进行频域分析处理时假设窄带干扰内有n个点(即：N+1,N+2,...,N+n)被滤掉，则使用与该频段相邻的前n个点(即：N-n+1,N-n+2,…,N)及其相邻该频率段的后n个点(即：N+n+1,N+n+2,…,N+2n)作中值滤波，可有效保证时域波形畸变很小，即：

$S(N+i)=\frac{1}{2}(S(N-n+i)+S(N+n+i))$

利用IFFT变换，对信号进行重构，将信号从频域转为时域处理，拖线阵以速度v运动τ秒后，第n阵元接收到信号为

x_n(t_i+τ)＝Aexp[j2πf(t_i+τ-τ_n(t_i+τ))]+ξ_n(t_i+τ)

阵列移动前后有阵元相互重叠，通过相位修正，可以得到虚拟阵元的扩展。一般讨论接收阵列对目标辐射信号进行接收时，对应采样时间间隔序列变化，会直接引起接收频率与被测目标辐射信号频率的不一致。在各次做频域波束形成及补偿时采用单频率点进行处理，具体频移可采取搜索补偿的方法，即处理频率f时按依次频移估计修正△f，得到修正后频率f’，考虑采样前后频率点的变化，直接进行相位补偿修正，由此虚拟得到的合成孔径可以等效为实际阵元构成的物理孔径。

利用t=0时刻n阵元接收到信号x_n(t_i)，由阵元域转换为波束域处理，即对于每一个水听器时间序列的傅里叶变换为：

$X_n\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n\left(t_i\right)\exp (-j2\mathrm{\πf}{t}_i)$

即对其做M点FFT，其中M根据具体修正要求选取，如选取补偿为0.1Hz时，做FFT点数应为实际采样率fs的10倍，对应第k阵元为X₀(k,K)，K在1,…,M中取值，进一步作频域波束形成后各阵元输出累加，将各阵元输出作累加将其由阵元域转换为波束域，

$S_0=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_0(k,K)\exp [-j2\mathrm{\π}(K-1)\frac{\mathrm{fs}}{M}*(k-1)\mathrm{\Δ\τ}]$

同样将运动τ秒后的信号x_n(t_i+τ)，对其作M点FFT，对应第k阵元为X₁(k,K)，进一步作频域波束形成后各阵元输出累加，

$S_1=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1(k,K)\exp [-j2\mathrm{\π}(K-1)\frac{\mathrm{fs}}{M}*(k-1)\mathrm{\Δ\τ}]$

为保持相位一致，分别对空间位置移动及时间延迟变化予以考虑，对运动τ秒后S₁进行补偿，空间移动补偿，运动距离为v·τ，在此v·τ可以为各阵元间距d的非整数倍，

$P_1=S_1\·\exp [-j2\mathrm{\π}(K-1)\frac{\mathrm{fs}}{M}*\frac{\mathrm{v\τ}}{d}\mathrm{\Δ\τ}]$

时间延迟补偿，运动τ秒，

$P_2=S_1\·\exp [-j2\mathrm{\π}(K-1)\frac{\mathrm{fs}}{M}\mathrm{\τ}]$

综合考虑空间及时间上变化，将空间移动补偿与时间延时补偿相加，

P₀＝P₁+P₂

累加得到对应合成输出与角度有关，虚拟阵元长度为vτ，即扩展后阵元总长度为Nd+vτ，以此在运动Jτ秒后，N阵元基阵扩展为长度为Nd+vJτ的线列阵。根据补偿后的波束输出累加获得的时间方位历程图对被测目标信号进行检测，按预设频点补偿次数逐次单频点变化，完成各频点的相位补偿，重复上述步骤，直至实现对目标信号的检测。

以上是对本发明方法的详细描述。本发明方法具有下列优点：

一、本发明方法无需知道信号源的方位角、确切频率和准确的拖曳阵速度，通过相位估计修正能够得到虚拟阵列接收数据，采用常规波束形成等技术对虚拟阵列的输出进行相关累加可以得到大孔径阵列的波束输出，通过时间延迟及空间位置移动可获得相位修正补偿因子，被动合成孔径算法应用于信号检测不受孔径位置的约束限制，在波束域代替其在阵元域上进行相位修正，直接用于相位修正补偿；

二、本发明方法在确定干扰的中心频率和干扰带宽后在频域内进行滤波，滤波采用对干扰频带内的信号进行插值补偿而不是简单的置零，而常用滤波方法是在频域开窗，如取某一阈值进行滤波，设定某一滤波阈值，把采样信号各频点超过该阈值的频带假定为干扰将其幅值置零，由此会在频域中产生一定的失真进而引起信号在时域内畸变，而插值补偿使用干扰频段相邻的前后两段做中值滤波，可有效保证时域波形畸变很小；

三、本发明方法充分考虑实际水下复杂环境下介质和路径扰动引起的阵列移动偏差，及海浪、潮汐、风等因素的影响，且声纳载体通常采用匀速直线运动的方式进行孔径合成，由于水听器阵列接收时与目标存在相对运动，产生多普勒运动频偏，会对目标的检测性能引起下降和处理增益带来损失，结合频率搜索，渐次补偿修正的方法解决多普勒频偏带来的影响，不用要求阵元在相邻两次移动是位置完全重合，且由构建的阵列运动接收信号模型可对目标信号接收形式、阵元移动接收等作清晰认识，更加明确被动合成孔径的合成阵列接收信号多普勒频偏及相位修正补偿方法；

四、本发明方法在复杂水声环境下使被动合成孔径声纳对水下弱目标信号检测能力更优异，且检测效果较好，速度较快，即应用较短的基阵获得几倍到几十倍的实际物理孔径阵的增益和分辨力，能够提高对水下远距离、安静型弱目标信号的检测能力，发明针对于本专业领域内的普通技术人员，均可予以实现，具有一定的工程实用性。

总之，本发明公开了一种基于被动合成孔径运动拖线阵阵列频率搜索补偿抑制窄带干扰方法，利用水下舰船等目标辐射噪声特性分析，完成对拖线阵移动下对信号接收模型的构建，解决实际声纳载体采用匀速直线的运动方式进行孔径合成时，由于水听器接收阵与目标存在的相对运动等产生的多普勒频偏，进而在孔径合成时对目标检测性能引起的下降及处理增益带来的损失以及进行目标检测时存在窄带干扰进而导致出现目标检测误判等问题。被动合成孔径用于频率搜索补偿抑制窄带干扰方法对运动拖线阵阵列检测运动目标进行有效补偿，采用阵列处理将时间处理增益换取空间处理增益，并有效抑制了窄带干扰，减少了目标误判概率，提高了方位估计精度，有利于提高对远距离、安静型弱目标信号的检测能力。本发明符合实际水下舰船等运动目标信号的检测条件，利于对水下安静型弱目标信号进行有效检测和分辨。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，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 (9)

1.一种用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，包括：

步骤1）、以水下目标的辐射噪声特性分析为基础，构造拖线阵运动时对被测静止或运动目标信号进行声场空间采样的接收模型；以及细化分析各阵元所接收信号，构建直角坐标系；

步骤2）、基于步骤1）所建立的接收模型，对某一时刻拖线阵声纳采样时阵元接收到的信号作FFT变换，将信号由阵元域处理转变为波束域处理，然后估计出窄带干扰的中心频率和干扰频带；

步骤3）、在步骤2）中确定窄带干扰的中心频率和干扰频带后，对步骤2）中经过FFT变换的信号在由所述中心频率与干扰频带所确定的频域内进行滤波；然后将滤波后的信号重构回时域；

步骤4）、预设频点补偿总数；

步骤5）、将步骤3）中滤波后重构回时域的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；

步骤6）、拖曳线列阵声纳在运动一定时间后，拖曳线列阵声纳进行采样操作，然后对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；

其中，所述FFT变换时所涉及的FFT点数与步骤5）中的FFT点数相同；

步骤7）、根据步骤6）所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到阵列移动前后总的相位修正补偿，根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果；

步骤8）、将步骤7）得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后考察当前的频点补偿次数是否已经达到了步骤4）中预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新执行步骤5）—步骤7），直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。

2.根据权利要求1所述的用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，其特征在于，在所述的步骤1）中，所述构建直角坐标系包括：将拖曳线列阵中第一个阵元的初始位置作为直角坐标系的原点，将辐射目标作为点声源。

3.根据权利要求1所述的用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，其特征在于，在所述的步骤1）中，所述接收模型包括：由拖缆连接的若干个等间距的各向同性水听器形成一线列阵，该线列阵作匀速直线运动，以某一时刻第1号水听器接收到的被测目标信号为参考，其它水听器相对于被测目标均有不同的距离，即其它水听器接收到的被测目标信号相对于1号水听器接收到的被测目标信号有相应的传播时延，运动一定时间间隔后，各个水听器再次对被测目标信号进行接收处理，根据各水听器与运动目标的距离得到各水听器接收的信号。

4.根据权利要求1所述的用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，其特征在于，在所述的步骤3）中，所述滤波采用中值滤波的方式。

5.根据权利要求1所述的用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，其特征在于，在所述的步骤8）中，对被测目标信号进行检测包括：

将不同频带内目标波束对应的检测方位进行记录，将各频带内存储的方位进行二次拟合，根据计算结果计算方位估计方差，将计算的方位估计方差与设定的检测方差门限进行比较，若小于门限，则检测到的水声目标信号结果属实，接收到的水下目标信号中确实含有水声目标信号，否则检测结果为虚警，接收到的信号中不含目标信号，继而完成对目标信号的检测。

6.根据权利要求1所述的用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，其特征在于，在所述的步骤7）中，所述空间移动补偿根据移动的距离得到。

7.根据权利要求1所述的用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，其特征在于，在所述的步骤7）中，所述时间延迟补偿根据移动相应距离的时间得到。

8.根据权利要求1所述的用于被动合成孔径的抑制窄带干扰方法，其特征在于，在所述的步骤2）、步骤5）和步骤6）中，做FFT变换时的FFT点数根据补偿精度要求而定。

9.一种用于被动合成孔径的抑制窄带干扰系统，其特征在于，用于包括多个阵元的拖曳线列阵，该系统包括预处理模块、窄带干扰估计模块、滤波模块、频点补偿总数预设模块、信号处理模块、延迟补偿模块、检测模块；其中，

所述的预处理模块以水下目标的辐射噪声特性分析为基础，构造拖线阵运动时对被测静止或运动目标信号进行声场空间采样的接收模型；以及细化分析各阵元所接收信号，构建直角坐标系；

所述的窄带干扰估计模块基于所述预处理模块所建立的接收模型，对某一时刻拖线阵声纳采样时阵元接收到的信号作FFT变换，将信号由阵元域处理转变为波束域处理，然后估计出窄带干扰的中心频率和干扰频带；

所述滤波模块对所述窄带干扰估计模块中经过FFT变换的信号在由所述中心频率与干扰频带所确定的频域内进行滤波；然后将滤波后的信号重构回时域；

频点补偿总数预设模块用于预设频点补偿总数；

信号处理模块将所述滤波模块中滤波后重构回时域的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；以及当拖曳线列阵声纳在运动一定时间后，拖曳线列阵声纳进行采样操作，然后由所述信号处理模块对采样时各个阵元所接收到的信号做FFT变换以及频域波束形成，接着在当前频点上对各个阵元的频域波束形成的输出结果进行累加；

所述延迟补偿模块根据所述信号处理模块所得到的结果计算空间移动补偿与时间延迟补偿，将空间移动补偿与时间延迟补偿相加，得到阵列移动前后总的相位修正补偿，根据前一次补偿的结果与所述总的相位修正补偿得到扩展虚拟阵列的输出结果；

所述检测模块将所述延迟补偿模块得到的补偿后的扩展虚拟阵列的输出结果进行相干累加，获得时间方位历程图，利用该时间方位历程图对被测目标信号进行检测，然后考察当前的频点补偿次数是否已经达到了所述频点补偿总数预设模块预设的频点补偿总数，如果未达到，改变当前频点值的大小，然后重新启动信号处理模块，直至当前的频点补偿次数达到预设的频点补偿总数。