CN105301580A - 一种基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阵列信号处理的水声被动探测领域，具体涉及水下拖曳线列阵探测过程中克服海洋环境噪声干扰的基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法。本发明包括：由声速仪测量声波在水中传播的速度；采用半波间距布放水平均匀直线阵；半波间距直线阵接收声场中各声源的辐射信号；将半波间距M元阵均匀地划分为左子阵和右子阵；对左子阵和右子阵分别同时进行常规波束形成；计算左子阵波束输出与右子阵波束输出的共轭互谱；设置引导方位角，输出加权后的预成多波束图。本发明充分利用分裂阵互谱处理及互谱相位差方差的方位域特征，适用于水声工程中低信噪比条件下克服海洋环境噪声影响提高信噪比增益进而提高拖线阵声呐被动探测的作用距离。

Description

一种基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法

技术领域

本发明涉及阵列信号处理的水声被动探测领域，具体涉及水下拖曳线列阵探测过程中克服海洋环境噪声干扰的基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法。

背景技术

作用距离是衡量声呐性能最重要的战术指标之一，作用距离指在一定条件下能有效发现目标并测量相关参数的最大距离。不同用途声呐对作用距离的要求不同，如警戒声呐比探雷声呐要有更远的作用距离，岸基声呐比舰用声呐的作用距离更远。现代海洋战场上，具有更远作用距离声呐系统的一方占有先机，因此在现有基础上进一步提高声呐的作用距离具有极其重要的现实意义。本发明关注提高拖曳线列阵声呐(被动)的作用距离，关键是改善其在低信噪比条件下的弱目标探测能力。

改善低信噪比条件下的弱目标探测能力，一种途径是基于频域滤波的线谱检测(参见：高精度测频与舰船线谱频率稳定性研究，《海洋技术》，2012,31(2):32-35,44)，相比连续谱成分，感兴趣的目标一般有更强线谱辐射，且线谱频率稳定。另一种途径是提高声呐在低信噪比条件的信噪比增益(处理增益)。低信噪比条件下提高被动声呐的处理增益主要有以下三大思想：一是空域的基于阵列的各种波束形成技术(参见：阵列信号处理中波束形成算法研究，浙江工业大学硕士学位论文，2012:25-33；基于声矢量阵的高分辨方位估计技术研究，哈尔滨工程大学博士论文，2004:15-134)；二也是空域的基于分裂阵的互相关或互谱接收处理(参见：微弱信号源的和波束定向方法与分裂波束定向方法的性能比较，《应用声学》，2007，26(3):129-134)；三是采用时域的平方积分器(参见：《声呐技术》，哈尔滨工程大学出版社等，2010:226-231)。

把线谱检测与其它提高处理增益的方法结合是提高声呐作用距离的必然选择，如选用感兴趣目标辐射线谱的工作频段，采用频率方差加权处理(参见：一种基于频率方差加权的线谱目标检测方法，《声学学报》，2010，35(1):76-80)不仅可以改善低信噪比条件下弱线谱目标探测能力，还能抗其他多目标强干扰(与线谱目标工作频段不重叠)。利用线谱信号的相位起伏小且具有线性斜率而环境噪声相位起伏大且随机分布的差异，基于相位旋转的差分对齐处理(参见：基于目标辐射噪声的信号起伏检测算法研究，《电子与信息学报》，2013，35(4):844-851)可抑制环境噪声提高处理增益。

针对复杂海洋信道、非平稳且极低信噪比的海洋环境，模基信号处理(参见：模基水声信号处理技术的研究现状和展望，《声学技术》，2012，31(3):245-251)引入物理模型且尽可能利用先验信息，先学习再实时调整模型参数，以复杂模型为代价换取处理增益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅抑制无目标方向波束输出，而且增强有目标方向波束输出，此外可应用于水平阵，适合装载在运动平台或海底固定式使用的基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)由声速仪测量声波在水中传播的速度c；

(2)采用半波间距布放水平均匀直线阵，设阵元间距为d，水听器阵元个数为M；

(3)半波间距直线阵接收声场中各声源的辐射信号，接收的信号包括需要探测的弱目标辐射的信号和各阵元接收的本地海洋环境噪声，设目标信号来自θ方向，各阵元接收信号分别为x_i(t)，i为阵元序号，i＝1,…,M；

(4)将半波间距M元阵均匀地划分为左子阵和右子阵，若M为偶数，则等效的2元阵间距D为Md/2，若M为奇数，则中间阵元为两子阵共用，间距D为(M-1)d/2；

(5)对左子阵和右子阵分别同时进行常规波束形成，设M为偶数，则左子阵的波束输出为右子阵的波束输出为其中τ为两阵元补偿的时延差，有

(6)计算左子阵波束输出与右子阵波束输出的共轭互谱：式中Y₁(f)和Y₂(f)分别为两子阵波束输出y₁(t)和y₂(t)的傅里叶变换；

(7)取共轭互谱的正实部Re{Y(f)}和互谱相位差ψ，Y(f)＝|Y(f)|e^jψ；

(8)多次计算，统计互谱相位差的方差D(ψ)；

(9)用互谱相位差方差的非负减函数值作为权值对互谱正实部输出加权；

(10)设置引导方位角θ₀，输出加权后的预成多波束图。

本发明的有益效果在于:

本发明充分利用分裂阵互谱处理及互谱相位差方差的方位域特征，适用于水声工程中低信噪比条件下克服海洋环境噪声影响提高信噪比增益进而提高拖线阵声呐被动探测的作用距离，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用。本发明与已有被动探测弱目标方法的不同之处如下：

(1)本发明首次将分裂阵互谱处理用于探测过程。

(2)本发明提出用分裂阵互谱的相位差方差来构造权值。有目标方向的信噪比更高，相位差方差值更小，无目标方向的信噪比更低，相位差方差值更大，因此构造相位差方差的非负减函数作为权值，能在抑制无目标方向噪声功率输出的同时增强有目标方向的波束输出。

举例来说，海况较差时，海洋环境噪声级较高，阵元级的输入信噪比很低，常规波束形成和平方积分处理均能带来一定的信噪比增益，本发明将分裂阵互谱处理和互谱相位差方差加权结合，使得低信噪比条件下无目标波束的噪声功率被抑制，同时有目标波束的信号功率被增强，于是可以提高被动探测的作用距离。可以看出，本发明具有光明的应用前景，且具有极其重要的现实意义。

附图说明

图1为平面波声场中水平均匀直线分裂阵的几何关系图；

图2为分裂阵互谱并取正实部的预成多波束覆盖图；

图3为相位差方差随信噪比变化的理论曲线；

图4为分裂阵互谱相位差方差加权的实现框图；

图5为基于分裂阵互谱相位差方差加权实施被动探测的几何态势图；

图6(a)为互谱法和互谱相位差方差加权法被动线谱检测的预成多波束输出图(信噪比-10dB)；

图6(b)为互谱相位差方差加权法和互谱相位差方差频率方差联合加权法被动线谱检测的预成多波束输出图(信噪比-10dB)；

图6(c)为互谱法和互谱相位差方差加权法被动线谱检测的预成多波束输出图(信噪比-25dB)；

图7(a)为互谱法和互谱相位差方差加权法宽带连续谱检测的预成多波束输出图(信噪比-10dB)；

图7(b)为时互谱法和互谱相位差方差加权法宽带连续谱检测的预成多波束输出图(信噪比-20dB)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

本发明提供的是一种基于分裂阵互谱相位差方差加权以克服低信噪比下非相干海洋环境噪声影响的被动探测方法。按半波间距布阵，接收阵对接收水声信号放大滤波，然后进行数据采集。在数字信号处理器件中处理接收信号：左右子阵分别进行常规波束形成，计算两子阵波束输出的共轭互谱，并取互谱的正实部和相位，根据多次快拍结果统计互谱相位差的方差，取方差的非负减函数对互谱正实部加权，最后给出扫描扇面内的预成多波束输出。本发明充分利用分裂阵互谱处理及互谱相位差方差的方位域特征，适用于水声工程中低信噪比条件下克服海洋环境噪声影响提高信噪比增益进而提高拖线阵声呐被动探测的作用距离，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用。本发明包括：

(1)由声速仪测量声波在水中传播的速度c；

(2)采用半波间距布放水平均匀直线阵，设阵元间距为d，水听器阵元个数为M；

(3)半波间距直线阵接收声场中各声源的辐射信号，接收的信号包括需要探测的弱目标辐射的信号和各阵元接收的本地海洋环境噪声，设目标信号来自θ方向，各阵元接收信号分别为x_i(t)，i为阵元序号，i＝1,…,M；

(4)将半波间距M元阵均匀地划分为左子阵和右子阵，若M为偶数，则等效的2元阵间距D为Md/2，若M为奇数，则中间阵元为两子阵共用，间距D为(M-1)d/2；

(5)对左子阵和右子阵分别同时进行常规波束形成，设M为偶数，则左子阵的波束输出为右子阵的波束输出为其中τ为两阵元补偿的时延差，有

(6)计算左子阵波束输出与右子阵波束输出的共轭互谱：式中Y₁(f)和Y₂(f)分别为两子阵波束输出y₁(t)和y₂(t)的傅里叶变换；

(7)取共轭互谱的正实部Re{Y(f)}和互谱相位差ψ，Y(f)＝|Y(f)|e^jψ；

(8)多次计算，统计互谱相位差的方差D(ψ)；

(9)用互谱相位差方差的非负减函数值(如)作为权值对互谱正实部输出加权；

(10)设置引导方位角θ₀，输出加权后的预成多波束图。

本发明的目的是不仅抑制无目标方向波束的噪声功率输出，同时增强有目标方向波束的信号功率输出。并且本发明可应用于水平阵，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，本发明采取的基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法实现包括如下步骤：

(1)由声速仪测量声波在水中传播的速度c；

(2)采用半波间距布放水平均匀直线阵，设阵元间距为d，水听器阵元个数为M；

(3)半波间距直线阵接收声场中各声源的辐射信号，接收的信号包括需要探测的弱目标辐射的信号和各阵元接收的本地海洋环境噪声，设目标信号来自θ方向，各阵元接收信号分别为x_i(t)，i为阵元序号，i＝1,…,M；

(4)将半波间距M元阵均匀地划分为左子阵和右子阵，若M为偶数，则等效的2元阵间距D为Md/2，若M为奇数，则中间阵元为两子阵共用，间距D为(M-1)d/2；

(5)对左子阵和右子阵分别同时进行常规波束形成，设M为偶数，则左子阵的波束输出为右子阵的波束输出为其中τ为两阵元补偿的时延差，有

(6)计算左子阵波束输出与右子阵波束输出的共轭互谱：式中Y₁(f)和Y₂(f)分别为两子阵波束输出y₁(t)和y₂(t)的傅里叶变换；

(7)取共轭互谱的正实部Re{Y(f)}和互谱相位差ψ，Y(f)＝|Y(f)|e^jψ；

(8)多次计算，统计互谱相位差的方差D(ψ)；

(9)用互谱相位差方差的非负减函数值(如)作为权值对互谱正实部输出加权；

(10)设置引导方位角θ₀，输出加权后的预成多波束图。

为简要说明发明方法的物理机理，以8元半波长(λ/2)间距直线阵为例，阐述如下：

图1为平面波声场中水平均匀直线分裂阵的几何关系图。M元均匀直线阵被分为左子阵和右子阵，M为奇数时，中心阵元共用。原阵等效为2元阵，原阵元间距为d，等效2元阵的间距D为：

在频域，两子阵各自常规波束形成的输出共轭相乘即得到互谱。互谱实部的的指向性函数D(θ,θ₀)为(参见：周福洪.水声换能器及基阵[M].北京:国防工业出版社.1984:309-310)：

$D(\mathrm{\θ},{\mathrm{\θ}}_0)={\left\{\frac{\sin \[\frac{M\mathrm{\π}d}{2\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_0)\]}{\frac{M}{2}\sin \[\frac{\mathrm{\π}d}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_0)\]}\right\}}^2\×\cos \[\frac{2\mathrm{\π}D(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_0)}{\mathrm{\λ}}\]---\left(2\right)$

(2)式中c为声速，波长λ＝c/f。θ₀为引导方位角，即波束极大值方向，或简称波束指向。θ为方位角，以基阵法线为0°。其余变量同前。

主瓣宽度Θ/2为(参见：周福洪.水声换能器及基阵[M].北京:国防工业出版社.1984:309-310)：

$\mathrm{\Θ}/2={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2Md}\right)---\left(3\right)$

补偿后的互谱相位差ψ为：

$\mathrm{\ψ}=\frac{2\mathrm{\π}D(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_0)}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

(4)式说明：当引导方位对准目标时，即θ＝θ₀，有ψ＝0。即无干扰时，两个子阵对应波束输出是同相位的，它们的相位差为零。此时互谱为实函数，虚部为零。因此，有非相干干扰时，目标信号能量主要在互谱实部中，虚部的信噪比低，因此要取互谱的实部输出。又因引导方位对准目标时，即θ＝θ₀，分裂阵互谱处理的指向性输出为正，且为最大值；当引导方位没有对准目标时，即θ≠θ₀时，由于项的影响，其指向性输出有正有负，于是取其正实部作为波束输出，把负的输出置零。

图2给出了分裂阵互谱并取正实部的预成多波束覆盖图，相邻波束搭接点的波束响应不小于-3dB，由于波束覆盖是对称的，因此只给出单边0°～90°的情况。

上述推导分析给出了分裂阵互谱处理的接收指向性，并且阐明了取互谱正实部作为波束输出的好处。与全阵处理相较，分裂阵互谱取正实部处理后，主瓣宽度减半，旁瓣水平降低。

考虑随机高斯白噪声中有一个CW信号，互谱输出(CW信号+噪声)可合理地假定近似符合该模型，于是分裂阵互谱相位ψ的概率密度已知为(参见：鞠德航,林可祥,陈捷.信号检测理论导论[M].北京:科学出版社.1977:76)：

$P\left(\mathrm{\ψ}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{e}^{-\mathrm{\ξ}}\{1+2\sqrt{\mathrm{\π}\mathrm{\ξ}}cos\mathrm{\ψ}\mathrm{\φ}(\sqrt{2\mathrm{\ξ}}cos\mathrm{\ψ}\left)e^{{\mathrm{\ξcos}}^2\mathrm{\ψ}}\right\}---\left(5\right)$

(5)式中，ξ为输入信噪比(单位：1)，概率积分Φ(x)为标准高斯分布的概率密度函数。互谱相位差ψ的方差可根据其概率密度计算得到(参见：施久玉.概率论与数理统计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.2000:124,130)。

图3给出了相位差方差随信噪比变化的理论曲线，可以看到从高信噪比开始，随着信噪比的降低，相位差方差先是缓慢增加，如信噪比从30dB降至10dB这一区间；随着信噪比的继续降低，相位差方差急剧增加，如信噪比从10dB降至-10dB这一区间；再后来信噪比降低，相位差方差增加的速度逐渐放缓直至几乎不变，如信噪比从-10dB降至-60dB这一区间。

上述推导分析说明了，分裂阵互谱相位差方差与信噪比的对应关系。鉴于有目标方向信噪比高，无目标方向信噪比低，所以取相位方差的非负减函数对各引导方位的波束输出加权，可在进一步抑制无目标方向噪声功率输出的同时增强有目标方向信号功率的输出。

根据上述发明研究成果，本发明采用的技术路线如下：

图4给出分裂阵互谱相位差方差加权的实现框图。结合图4，有一个阵元数目为M的半波长间距均匀直线阵，首先将该直线阵划分为左子阵和右子阵，两子阵各自同时进行常规波束形成，然后计算两子阵波束输出的互功率谱，并取互谱的正实部和相位，根据多次快拍结果统计互谱相位差的方差，去方差的非负减函数对互谱正实部加权，最后给出扫描扇面内的预成多波束输出。

下面以拖曳线列阵在低信噪比情况下克服非相干海洋环境噪声影响实施被动探测为例说明本发明的应用研究，研究表明，分裂阵互谱相位差方差加权的抗非相干海洋环境噪声的效果良好，显著提高了拖曳线列阵被动探测的作用距离。

结合图5，给出基于分裂阵互谱相位差方差加权实施被动探测的几何态势图。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。在数字信号处理器件中处理接收信号：左右子阵分别进行常规波束形成，计算两子阵波束输出的共轭互谱，并取互谱的正实部和相位，根据多次快拍结果统计互谱相位差的方差，去方差的非负减函数对互谱正实部加权，最后给出扫描扇面内的预成多波束输出。

图6是将分裂阵互谱相位差方差加权处理用于被动线谱检测的预成多波束输出结果。其中，half表示分裂阵互谱处理，halfw表示分裂阵互谱相位差方差加权，halfwf表示分裂阵互谱相位差方差频率方差联合加权。这里阵元数目为8，目标方位30°。经对比可以看到，相位方差加权处理果然能在抑制无目标波束的噪声功率输出的同时增强有目标波束信号功率的输出，进而降低预成多波束输出的旁瓣水平。此外，联合频率方差加权效果更好。

图7是将分裂阵互谱相位差方差加权处理用于宽带连续谱检测的预成多波束输出结果。half、halfw的含义及其它参数同图6。经对比可以看到，该加权思想同样适用于宽带连续谱检测。

Claims (1)

1.一种基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)由声速仪测量声波在水中传播的速度c；

(2)采用半波间距布放水平均匀直线阵，设阵元间距为d，水听器阵元个数为M；

(3)半波间距直线阵接收声场中各声源的辐射信号，接收的信号包括需要探测的弱目标辐射的信号和各阵元接收的本地海洋环境噪声，设目标信号来自θ方向，各阵元接收信号分别为x_i(t)，i为阵元序号，i＝1,…,M；

(4)将半波间距M元阵均匀地划分为左子阵和右子阵，若M为偶数，则等效的2元阵间距D为Md/2，若M为奇数，则中间阵元为两子阵共用，间距D为(M-1)d/2；

(5)对左子阵和右子阵分别同时进行常规波束形成，设M为偶数，则左子阵的波束输出为右子阵的波束输出为其中τ为两阵元补偿的时延差，有

(6)计算左子阵波束输出与右子阵波束输出的共轭互谱：式中Y₁(f)和Y₂(f)分别为两子阵波束输出y₁(t)和y₂(t)的傅里叶变换；

(7)取共轭互谱的正实部Re{Y(f)}和互谱相位差ψ，Y(f)＝|Y(f)|e^jψ；

(8)多次计算，统计互谱相位差的方差D(ψ)；

(9)用互谱相位差方差的非负减函数值作为权值对互谱正实部输出加权；

(10)设置引导方位角θ₀，输出加权后的预成多波束图。