CN113094627B - 加权空域处理拖线阵声纳平台辐射噪声零响应抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水声探测技术领域，涉及到拖线阵声纳信号处理技术，公开了加权空域处理拖线阵声纳平台辐射噪声零响应抑制方法。本发明利用平面波阵列流形、平台辐射噪声拷贝向量、加权系数矩阵设计最优空域矩阵滤波器，通过对加权系数矩阵迭代的方式，实现对平台辐射噪声零响应约束的条件下，空域矩阵滤波器对远场平面波信号各个方位响应均衡的效果。

Description

加权空域处理拖线阵声纳平台辐射噪声零响应抑制方法
技术领域
本发明属于水声探测技术领域，涉及到拖线阵声纳信号处理技术，特别涉及加权空域处理拖线阵声纳平台辐射噪声零响应抑制方法。
背景技术
海洋中的目标探测，主要依靠目标的辐射噪声。利用拖线阵声纳可以实现目标定位，声纳水听器阵列位于舰艇或潜艇后数百至数千米，由电缆相连。虽然舰艇、潜艇平台与水听器阵列之间的距离较远，但由于受各种条件的限制，电缆长度总是有限的，平台的辐射噪声对水听器阵列的影响依然非常严重，会在拖线阵声纳端首方位形成探测盲区，同时影响其他方位的目标探测性能。
利用空域矩阵滤波技术，可以实现拖线阵声纳平台辐射噪声抑制。文献([1]韩东，李启虎，李建，康春玉，黄海宁。拖曳线列阵声纳平台噪声的空域滤波抑制技术。声学学报，39(1):27-34；[2]韩东，张海勇，黄海宁，李启虎。基于远近场声传播特性的拖线阵声纳平台辐射噪声空域矩阵滤波技术。电子学报，42(3):432-438)针对拖线阵声纳平台辐射噪声构成近场强干扰影响声纳弱目标探测的问题，利用近场平台辐射噪声的多途传播特性及远场目标信号的平面波传播特性，将匹配场定位技术和远场平面波目标方位估计技术结合，利用平台辐射噪声到达接收阵的拷贝向量以及远场平面波方向向量，共同设计具有强干扰抑制功能的空域矩阵滤波器，实现近场平台辐射噪声抑制。通过设计两种最优化问题，获得不同的平台辐射噪声抑制效果。第一个最优化问题设计的滤波器对平台噪声拷贝向量的响应为零，从而对远场平面波利用常规波束形成估计目标方位时，消除平台辐射噪声；第二个最优化问题设计的滤波器对平台辐射噪声拷贝向量响应绝对值小于或等于某个设定的特定值，从而实现定量抑制平台辐射噪声的目的。
在对接收的阵列数据进行空域滤波数据处理时，由于平台辐射噪声拷贝向量与远场平面波方向向量之间的相关性，使得空域矩阵滤波器对平台辐射噪声产生作用的同时，也对远场平面波产生一定的作用。尤其是在平台辐射噪声拷贝向量与远场平面波方向向量两者相关性强的一些方位，会对这些方位的远场平面波信号产生一定的抑制作用，影响了这些方位的远场弱目标探测能力。
发明内容
本发明提供了一种加权空域处理拖线阵声纳平台辐射噪声零响应抑制方法，解决的技术问题是处理拖线阵声纳接收的阵列数据，在阵列数据预处理阶段实时跟踪并抑制平台辐射噪声，增强拖线阵声纳目标探测性能。
本发明的技术方案是：
利用平面波阵列流形、平台辐射噪声拷贝向量、加权系数矩阵设计最优空域矩阵滤波器，通过对加权系数矩阵迭代的方式，实现对平台辐射噪声零响应约束的条件下，空域矩阵滤波器对远场平面波信号各个方位响应均衡的效果。
假设空域远场平面波信号入射方位角集合为ΘP，远场平面波信号方向向量构成的阵列流形矩阵为A。
A＝[a(θ1),…,a(θp),…,a(θP)],1≤p≤P,θp∈ΘP
其中a(θp)是远场平面波信号经空域离散化，入射到阵列的第p个方向向量，P对应于远场平面波信号离散化方向向量的总数。
设拖线阵声纳水听器阵元数为N，维数为N×N的空域矩阵滤波器H对远场平面波信号方向向量的响应误差为：
Figure BDA0002959195870000021
令w(θp)为远场平面波信号方向向量响应误差加权系数，则空域矩阵滤波器对远场平面波信号加权总体响应误差为：
Figure BDA0002959195870000022
其中，R1/2为远场平面波信号方向向量加权值的平方根构成的对角矩阵。
Figure BDA0002959195870000023
设V＝[v1,v2,…,vS]是平台辐射噪声干扰经海洋多途到达接收阵的拷贝向量集合，其中v1,v2,…,vS分别是平台在多个位置的辐射噪声拷贝向量。构造最优化问题，使空域矩阵滤波器对平台辐射噪声的响应为0，在此条件下，求空域矩阵滤波器对远场平面波信号总体响应误差加权最小。
即：
Figure BDA0002959195870000031
s.t.HV＝0N×S
空域矩阵滤波器的最优解：
Figure BDA0002959195870000032
此数值解
Figure BDA0002959195870000033
为前述空域矩阵滤波器设计最优化问题的全局最优解。上式中R＝diag[w(θ1),w(θ2),…,w(θP)]为滤波器对远场平面波信号方向向量加权值构成的对角矩阵。
通过对通带响应误差设置恰当的加权系数w(θp)＝1,p＝1,…,P，即可实现对平台辐射噪声零响应约束的条件下，空域矩阵滤波器对远场平面波信号各个方位响应均衡的效果。给出迭代方式求加权型空域矩阵滤波器的具体方案，此方案的关键在于加权系数的迭代和最优空域矩阵滤波器的计算。
初始值：
w1(θp)＝1,p＝1,…,P,θp∈ΘP
迭代：
Rk＝diag[wk(θ1),wk(θ2),…,wk(θP)]
Figure BDA0002959195870000034
Figure BDA0002959195870000035
Figure BDA0002959195870000041
wk+1(θp)＝[βk(θp)+ο]wk(θp),p＝1,…,P,θp∈ΘP
其中，wk(θp)为第k次迭代过程中，滤波器对远场平面波信号方向向量响应误差加权系数；ο是比较小的数值，防止在某次迭代过程中，wk(θp)为零时，wk+1(θp)也为零；
Figure BDA0002959195870000042
为第k次迭代所得的空域矩阵滤波器，Fk(θp)为滤波器
Figure BDA0002959195870000043
对远场平面波的响应；βk(θp)为第k次迭代对wk(θp)加权值的乘积向量；Rk为第k次迭代所用的加权系数矩阵。
终止条件：
(1)k＝K。此时，迭代K次之后，算法终止；
(2)
Figure BDA0002959195870000044
迭代后，空域矩阵滤波器对所有通带方向向量的响应误差变化率都小于常数
Figure BDA0002959195870000045
算法终止；
可以任选上述其一终止条件即可。
本发明的有益效果为：本发明是利用平面波阵列流形、平台辐射噪声拷贝向量、加权系数矩阵设计最优空域矩阵滤波器，通过对加权系数矩阵迭代的方式，实现对平台辐射噪声零响应约束的条件下，空域矩阵滤波器对远场平面波信号各个方位响应均衡的效果。
附图说明
图1为舰载拖线阵声纳平台辐射噪声传播路径示意图。
图2为本发明所提出的空域矩阵滤波器响应效果图；(a)滤波器响应，(b)滤波器响应误差。
具体实施方式
以下结合方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图1所示，图中声纳阵列位于舰艇平台后方，平台辐射噪声经过多个路径传播到达阵列。声纳阵列探测远场平面波信号，远场平面波信号由水平方向入射。
图1中，x,y,z分别对应三个不同的轴向，d代表声纳阵列的阵元间距，L为平台辐射噪声与阵列第一个阵元之间的距离，h1为平台辐射噪声的深度，h2为声纳阵列的深度。
基于响应加权准则的迭代算法如下：
步骤1：令迭代计数k＝1。
将滤波器对远场平面波信号探测区域离散化为P个方向，对应的平面波入射方位角为θp,p＝1,…,P，利用阵列基本信息求其对应的方向向量a(θp)，以及阵列流形矩阵A。
利用拖线阵阵列位置信息和平台位置，通过匹配场定位技术，计算由平台位置作为声源，到达拖线阵阵列的拷贝向量V。
设定初始加权系数矩阵R1＝(diag[1,1,…,1])P×P，R1是维数为P×P的单位对角矩阵。
设定比较小的数值ο和常数
Figure BDA0002959195870000051
利用公式
Figure BDA0002959195870000052
计算获得初始的空域矩阵滤波器
Figure BDA0002959195870000053
步骤2：计算滤波器在所有的离散化方位θp,p＝1,…,P上的期望响应误差值
Figure BDA0002959195870000054
步骤3：计算下列各式
Figure BDA0002959195870000055
wk+1(θp)＝[βk(θp)+ο]wk(θp),p＝1,…,P,θp∈ΘP
其中，wk(θp)为第k次迭代过程中，滤波器对远场平面波信号方向向量响应误差加权系数。
步骤4：利用公式Rk+1＝diag[wk+1(θ1),wk+1(θ2),…,wk+1(θP)]计算第k+1次迭代所用的加权系数矩阵Rk+1。
步骤5：利用公式
Figure BDA0002959195870000061
计算第k+1次迭代的空域矩阵滤波器
Figure BDA0002959195870000062
步骤6：终止条件判断。可以任选以下某个终止条件即可。
(1)k＝K。此时，迭代K次之后，算法终止；
(2)
Figure BDA0002959195870000063
迭代后，空域矩阵滤波器对所有通带方向向量的响应误差变化率都小于常数
Figure BDA0002959195870000064
算法终止；
步骤7：若迭代终止条件满足，则
Figure BDA0002959195870000065
即为最终的空域矩阵滤波器。否则，令k＝k+1，重复步骤2～6。
图2(a)是滤波器响应，图中共有两条曲线，其中点划线曲线对应于使用加权系数初始值w1(θp)＝1,p＝1,…,P,θp∈ΘP和由加权系数w1(θp)构成的矩阵R1＝diag[w1(θ1),w1(θ2),…,w1(θP)]所得到的空域矩阵滤波器
Figure BDA0002959195870000066
的响应。虚线曲线对应于经过50次迭代之后的空域矩阵滤波器响应,加权系数矩阵为R50＝diag[w50(θ1),w50(θ2),…,w50(θP)]，对应的空域矩阵滤波器
Figure BDA0002959195870000067
的响应。
图2(b)是滤波器响应误差，其中，点划线曲线是空域矩阵滤波器
Figure BDA0002959195870000068
所对应的响应误差，虚线曲线是空域矩阵滤波器
Figure BDA0002959195870000069
所对应的响应误差。从图2(a)可以看出，迭代50次之后，
Figure BDA00029591958700000610
所对应的滤波器响应在平台辐射噪声方位约-76°左右，响应值比
Figure BDA00029591958700000611
所对应的响应值低，说明迭代之后，滤波器对远场平面波的处理效果要优于初始结果。从图2(b)可以看出，迭代50次之后，
Figure BDA00029591958700000612
所对应的滤波器响应误差，在[-60°,90°]大范围的区域内，均低于
Figure BDA00029591958700000613
的滤波器响应误差，说明迭代之后的滤波器对远场平面波信号的失真更低。

Claims (2)

1.加权空域处理拖线阵声纳平台辐射噪声零响应抑制方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1：令迭代计数k＝1；
将滤波器对远场平面波信号探测区域离散化为P个方向，对应的平面波入射方位角为θp,p＝1,…,P，利用阵列基本信息求其对应的方向向量a(θp)，以及阵列流形矩阵A；
利用拖线阵阵列位置信息和平台位置，通过匹配场定位，计算由平台位置作为声源，到达拖线阵阵列的拷贝向量V；
设定初始加权系数矩阵R1＝(diag[1,1,…,1])P×P，R1是维数为P×P的单位对角矩阵；
设定数值ο和常数
Figure FDA0002959195860000011
利用公式
Figure FDA0002959195860000012
计算获得初始的空域矩阵滤波器
Figure FDA0002959195860000013
步骤2：计算滤波器在所有的离散化方位θp，p＝1，…，P上的期望响应误差值
Figure FDA0002959195860000014
步骤3：计算下列各式
Figure FDA0002959195860000015
wk+1(θp)＝[βk(θp)+ο]wk(θp),p＝1,…,P,θp∈ΘP
其中，wk(θp)为第k次迭代过程中，滤波器对远场平面波信号方向向量响应误差加权系数；
步骤4：利用公式Rk+1＝diag[wk+1(θ1),wk+1(θ2),…,wk+1(θP)]计算第k+1次迭代所用的加权系数矩阵Rk+1；
步骤5：利用公式
Figure FDA0002959195860000021
计算第k+1次迭代的空域矩阵滤波器
Figure FDA0002959195860000022
步骤6：终止条件判断；满足下列一项终止条件即可；
(1)k＝K；此时，迭代K次之后，算法终止；
(2)
Figure FDA0002959195860000023
迭代后，空域矩阵滤波器对所有通带方向向量的响应误差变化率都小于常数
Figure FDA0002959195860000024
算法终止；
步骤7：若迭代终止条件满足，则
Figure FDA0002959195860000025
即为最终的空域矩阵滤波器；否则，令k＝k+1，重复步骤2～6。
2.根据权利要求1所述的加权空域处理拖线阵声纳平台辐射噪声零响应抑制方法，其特征在于，构造最优化问题，使空域矩阵滤波器对平台辐射噪声的响应为0，在此条件下，求空域矩阵滤波器对远场平面波信号总体响应误差加权最小；
即：
Figure FDA0002959195860000026
s.t.HV＝0N×S
空域矩阵滤波器的最优解：
Figure FDA0002959195860000027
此数值解
Figure FDA0002959195860000028
为空域矩阵滤波器设计最优化问题的全局最优解；上式中R＝diag[w(θ1),w(θ2),…,w(θP)]为滤波器对远场平面波信号方向向量加权值构成的对角矩阵；步骤1中所述R1和
Figure FDA0002959195860000029
为R和
Figure FDA00029591958600000210
的初始值。
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