CN109752707B - 基于正交匹配追踪的多基地声呐系统直达波干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多基地声纳探测系统直达波抑制领域，具体涉及一种基于正交匹配追踪的多基地声呐系统直达波干扰抑制方法。针对干扰导向方向大致范围已知，但不能准确确定情况下的直到波干扰抑制问题，本发明提出了一种基于正交匹配追踪的直达波干扰抑制方法，通过在干扰范围内重构干扰信号，然后从原始信号中减除重构的干扰信号，实现直达波干扰抑制的目的。本发明的有优点在于：一方面避免传统零点抑制波束形成方法对零点方位敏感的缺陷，对干扰方向的波动表现出很好的宽容性，提高了阵列输出新干燥比及抗导向矢量角度失配的能力；另一方面，剪除干扰后所得的信号仍是多通道信号，有利于后续的目标检测、方位估计和定位等处理。

Description

基于正交匹配追踪的多基地声呐系统直达波干扰抑制方法

技术领域

本发明属于多基地声纳探测系统直达波抑制领域，具体涉及一种基于正交匹配追踪的多基地声呐系统直达波干扰抑制方法。

背景技术

随着潜艇降噪技术和声隐身技术的发展，利用被动声纳或收发合置的声纳系统进行潜艇探测的性能急剧下降。基于多基地声纳的探测系统由于采用收发分置的分布式协同探测的方式，具有隐蔽性好、作用距离大、抗干扰能力强、检测概率高等优势，具有很好的反隐身性能。采用水下机器人或水面艇作为搭载探测声纳基阵可组成动态多基地，是未来反潜声纳系统的发展方向。

多基地声纳系统由于发射基地声纳和接收基地声纳分置，因此接收声纳接收到的信号既有来自目标的回波信号，也有来自发射基地的强直达波信号。直达波信号对于多基地探测来说是强干扰信号，对后续多基地目标测向和定位具有非常大的影响，也就是在测向和定位前必须进行直达波抑制。直达波抑制包括时域和空域两类处理方法，在时域主要依靠直达波和回波到达时间的不同来区分，可结合自适应信号检测或直达波到达时间进行处理，要求直达波和回波在时间上的严格隔离，因此对直达波和回波较近的情况下难以处理，同时直达波的到达时间也难以实现确定。

目前直达波干扰抑制主要在空域进行处理。对于静态多基地来说，发射基地位置已知，传统的自适应零点抑制波束形成方法能对直达波进行有效抑制。然而这种方法输出的是波束域数据，不利于后续的测向处理。另外，对于动态多基地来说，各基地处于不断运动变化过程，因此直达波来向不能准确预知，只能知道直达波来向的大致范围，此时传统的自适应零点抑制波束形成方法的性能急剧下降。

发明内容

本发明的目的在于：

为了克服现有直达波抑制方法的不足,提供一种基于正交匹配追踪的多基地声呐系统直达波干扰抑制方法，能够在直达波来向范围大致已知情况下，对直达波进行有效抑制，并输出回波增强的多通道的时域数据，非常适合动态多基地探测系统。本发明主要利用直达波信号和回波信号在空间上的稀疏性，通过OMP即正交匹配追踪方法对直达波干扰信号进行抑制。

本发明的目的是这样实现的：

基于正交匹配追踪的多基地声呐系统直达波干扰抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：已知水平空间中有K_I个干扰目标源，如果声场中只有一个发射源，则K_I＝1，将空间划分为直达波干扰区域和目标回波区域，分别用Θ_I和Θ_S表示，其中Θ_I∪Θ_S＝[-π,π]且Θ_I∩Θ_S＝φ，φ表示空集；

步骤2：将直达波干扰区域Θ_I分成等间隔的K个方向，对应的离散方向角度为Θ＝{θ_k|k＝1,2,…K,θ_k∈Θ_I}；

步骤3：在Θ上构建字典库，即：

G＝{g_k|g_k＝a(θ_k)/||a(θ_k)||,θ_k∈Θ,k＝1,2,...,K}

其中a(θ_k)表示阵列θ_k方向矢量，a(θ_k)∈R^M，M为多基地声呐阵阵元数，g_k表示单位方向矢量；

步骤4：初始化方向矢量索引集合Ι＝φ，初始化G_I＝φ，迭代变量i＝0；

步骤5：令多基地声呐阵输出的多通道时域信号为x(t)，其中包含直达波、回波信号和噪声，且直达波干扰和回波不在同一个方向上；

步骤6：令r(t)＝x(t)，r(t)表示残差信号；

步骤7：在字典库G进行搜索，得到与残差信号r(t)最相关的方向矢量对应的索引k_i，即：

步骤8：将相关性最强的方向矢量对应的索引k_i加入到方向矢量索引集合中，并将对应的方向矢量加入到集合G_I中，即：

步骤9：将阵列输出的信号x(t)向子空间G_I进行正交投影，投影系数为：

α_I＝arg min||x-G_Iα_i||₂

步骤10：更新残差信号：

r＝x-G_Iα_i

I＝i+1

步骤11：如果迭代变量i>K_I，则结束上述迭代过程，进入步骤12，否则转到步骤7；

步骤12：令y＝r，y就是去掉直达波相干干扰后的信号。

本发明的有益效果在于：

本发明方法从干扰抑制的角度出发，将信号向干扰方向进行投影，然后将重构的干扰从原始信号中剪除，实现对直达波干扰抑制。一方面避免传统零点抑制波束形成方法对零点方位敏感的缺陷，对干扰方向的波动表现出很好的宽容性，提高了阵列输出新干燥比及抗导向矢量角度失配的能力；另一方面，剪除干扰后所得的信号仍是多通道信号，有利于后续的目标检测、方位估计和定位等处理。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是圆阵多通道信号第1路信号的时域波形；

图3是圆阵输出原始信号的常规波束扫描谱；

图4是本发明方法直达波干扰抑制后输出的多通道信号第1路信号的是域波形；

图5是直达波干扰抑制后的信号的常规波束扫描谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

为验证算法有效性，采用阵元数M＝12的均匀圆阵，阵元间距为半波长，期望信号即目标回波方向θ₀＝70°，对应的弧度角为70*π/180，直达波干扰数为1个，干扰信号即直达波的真实方向θ₀＝50°，对应的弧度角为50*π/180，下面的方法假设对这个干扰方位不知道准确的方位，只知道大概范围。目标回波的信噪比SNR＝10dB，直达波的干噪比INR＝30dB，信号频率f＝4kHz，声速c＝1500m/s，采样频率为30kHz，采用正交匹配追踪方法从原始信号中剪除直达波干扰。参照图1，具体步骤如下：

1.初始化直达波干扰数，既令K_I＝1，按照步骤1将水平空间划分为正交的两部分，这里令Θ_I＝[π/6，π/3],Θ_s＝[-π,π/6)∪(π/3，π]；

2.将干扰区间等间隔划分Θ_I，间隔为0.2π/180，获得方集合Θ＝{θ_k|k＝1,2,…K,θ_k∈Θ_I}；

3.按照步骤3在Θ上构建字典，即

G＝{g_k|g_k＝a(θ_k)/||a(θ_k)||,θ_k∈Θ,k＝1,2,...,K}

4.按照步骤4，初始化方向矢量索引集合Ι＝φ，初始化G_I＝φ，迭代变量i＝0；

5.按照如下阵列数据模型，获得阵列输出信号时域数据为：

其中s_j(t)，j＝0,2,...,J表示t时刻的期望信号或干扰信号；θ_j，j＝0,2,...,J表示期望信号或干扰信号的波达方向；a(θ_j)，j＝0,2,...,J表示期望信号或干扰的导向矢量。n(t)表示t时刻的加性高斯白噪声；

6.按照步骤6：令r(t)＝x(t)；

7.按照步骤7：在字典库G进行搜索，得到与残差信号r(t)最相关的方向矢量对应的索引k_i,即：

8.按照步骤8：将相关性最强的方向矢量对应的索引k_i加入到方向矢量索引集合中，并将对应的方向矢量加入到集合G_I中，即：

9.按照步骤9：将阵列输出的信号x(t)向子空间G_I进行正交投影，投影系数为：

α_I＝arg min||x-G_Iα_i||₂

10.按照步骤10：更新残差信号：

r＝x-G_Iα_i

I＝i+1

11.按照步骤11：如果迭代变量i>K_I，则结束上述迭代过程，进入步骤12，否则转到步骤7。

12.按照步骤12：令y＝r，y就是去掉直达波相干干扰后的信号。

本例中，直达波干扰源只有1个，因此只做一次迭代计算，也就是直达波干扰抑制后的信号。

图2表示仿真圆阵多通道信号的第一路信号波形图，横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示信号的幅度。图3为原始的圆阵多通道信号的常规波束扫描谱，横坐标表示水平扫描角，单位为度，纵坐标是归一化扫描谱幅度，单位为dB，可以看出波束图在50度方向具有较高的峰值，是代表直达波干扰方向，在70度方向的目标被直达波覆盖，难以分辨出目标的方位。在上述事例中，已知干扰的大概方向为[30o,60o]，按照上述步骤对直达波干扰信号进行抑制，输出多通道信号的第1路波形如图4所示。对输出的信号y进行常规波束形成，如图5所示，由图可知，波束图在干扰方向上即50度时形成了较深的零陷，而在目标方向即70度时形成了峰值，说明了本发明方法的有效性。

Claims (1)

1.基于正交匹配追踪的多基地声呐系统直达波干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：已知水平空间中有K_I个干扰目标源，如果声场中只有一个发射源，则K_I＝1，将空间划分为直达波干扰区域和目标回波区域，分别用Θ_I和Θ_S表示，其中Θ_I∪Θ_S＝[-π,π]且Θ_I∩Θ_S＝φ，φ表示空集；

步骤2：将直达波干扰区域Θ_I分成等间隔的K个方向，对应的离散方向角度为Θ＝{θ_k|k＝1,2,…K,θ_k∈Θ_I}；

步骤3：在Θ上构建字典库，即：

G＝{g_k|g_k＝a(θ_k)/||a(θ_k)||,θ_k∈Θ,k＝1,2,...,K}

其中a(θ_k)表示阵列θ_k方向矢量，a(θ_k)∈R^M，M为多基地声呐阵阵元数，g_k表示单位方向矢量；

步骤4：初始化方向矢量索引集合Ι＝φ，初始化G_I＝φ，迭代变量i＝0；

步骤5：令多基地声呐阵输出的多通道时域信号为x(t)，其中包含直达波、回波信号和噪声，且直达波干扰和回波不在同一个方向上；

步骤6：令r(t)＝x(t)，r(t)表示残差信号；

步骤7：在字典库G进行搜索,找到与残差信号r(t)最相关的方向矢量对应的索引k_i,即：

步骤8：将相关性最强的方向矢量对应的索引k_i加入到方向矢量索引集合中，并将对应的方向矢量加入到集合G_I中，即：

步骤9：将阵列输出的信号x(t)向子空间G_I进行正交投影，投影系数为：

α_I＝arg min||x-G_Iα_i||₂

步骤10：更新残差信号

r＝x-G_Iα_i

i＝i+1

步骤11：如果迭代变量i>K_I，则结束上述迭代过程，进入步骤12，否则转到步骤7；

步骤12：令y＝r，y就是去掉直达波相干干扰后的信号。

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