Page 215 - 应用声学2019年第4期
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第 38 卷 第 4 期 周泽民等： 连续波主动声呐的直达波抑制处理方法研究 675
0 引言 阵与目标的几何分布结构。以理想的均匀线列接收
阵为例，设其第一个阵元为坐标原点，阵元数为 M，
随着潜艇技术的发展，安静型潜艇的噪声级已 阵元间距为l，离阵列距离为d T x 的位置布设各向同
降到了海洋环境噪声的水平 [1] 。潜艇辐射噪声级的 性的发射声源，声源方向与阵列法向方向的夹角为
降低，已严重影响到被动声呐的探测距离。在此趋 θ T x 。考虑目标为理想点目标，距离声源和接收阵分
势下，主动声呐将扮演着极为重要的角色。按照信 别为 r T x 和 r Rx ，并且处于接收阵的远场，与阵列法
号的发射方式，主动声呐分为脉冲主动声呐和连续 向方向的夹角为θ 0 。
波主动声呐。脉冲主动声呐的发射信号为脉冲信号，
y
在测量近距离目标时存在目标模糊问题，而在测量 ᄬಖ
远距离目标时需较长的等待时间；脉冲主动声呐通
常需要较高的发射声源级，这对换能器和驱动系统
提出了较高的要求，也不利于隐蔽探测 [2] 。
近年来，随着计算硬件的性能提升，信号处理
θ
相对复杂的连续波主动声呐成为了水声界的研究
θ Tx
热点 [3−10] 。通过连续发射与同时接收信号，该声呐 x
可实现高刷新率探测跟踪，并可利用长持续回波， ଌஆ ܦູ
获得较高的时间增益。该声呐需采用收发分置的形
式，声源发出的探测信号会直达接收阵列，强度一般 图 1 声呐与目标的几何分布示意图
远大于目标回波，使检测目标时会受到直达波的强 Fig. 1 Geometry of the sonar deployment
干扰。因而如何有效减少直达波干扰是连续波声呐 设探测信号为 s(t)e j2πf c t ，其中 s(t)为基带信号
信号处理的关键技术和难题之一。 的复数形式，f c 为信号的载波频率。探测声波与目
在该声呐的实现时，通过在硬件上对声源和接 标作用产生回波，到达第 m 个接收阵元的信号可表
收阵进行指向性设计可部分减少直达波干扰。而针 示为 [17]
对该干扰的抑制处理研究也是重要的研究内容。连
⌣
y (t) = βs((1 + α)(t − (τ T x,Rx + τ m )))
m
续波主动声呐的直达波是由发射信号引起的，还会
× e j2πf c (t−(τ T x,Rx +τ m )) , (1)
与目标回波同时被接收。因此常用的时域处理方
法 [11−12] 在抑制直达波时难免会存在滤掉目标回 式(1)中，β 是复反射系数，α = 2v/(c − v)是多普勒
波信号的现象。目前，针对固定空域的干扰抑制得 缩放因子，c 是声传播速度，τ T x,Rx = (r T x + r Rx )/c
到了较多的研究 [13−15] 。常见的波束形成方法，如常 是声源到目标再到接收阵的声传播时延，τ m =
规波束形成(Conventional beamforming, CBF)、最 l(m − 1) sin(θ 0 )/c 是阵列中第 m 个接收通道相对
小方差无畸变响应 (Minimum variance distortion- 于第1号阵元的时延。
less response, MVDR) 等均可通过施加波束零陷来 在实际处理中，接收信号通常会转换到基带，
抑制干扰方向的信号；而声屏蔽技术可对空间点或 则第m个接收通道的基带信号可表示为
局部区域施加零陷，也可用于干扰抑制 [16] 。在实际
˜ y m (t) = βs((1 + α)(t − (τ T x,Rx + τ m )))e j2πf c τ T x,Rx
应用中，常规波束零陷或声屏蔽技术对强干扰的抑
× e j2πf c τ m . (2)
制能力有限。本文考虑在源点声屏蔽的基础上，结
合常规波束零陷来抑制声源附近方位的能量，以达 根据信号频谱在频率轴上占据的有效宽度的
到更好地消除直达波干扰的目的。仿真分析了上述 不同，信号有窄带和宽带之分。在阵列信号处理领
方法应用于连续波主动声呐的性能，验证了联合抑 域，窄带/宽带信号还与阵列孔径大小有关；若空间
制方法可有效抑制直达波。 入射信号的带宽 BW 远小于信号传播经过阵列孔
径的最大时延的倒数 [18] ，即
1 信号模型
BW < 1/(10 · T array ), (3)
连续波主动声呐的声源和接收端为收发分置 其中，T array = M · l/c，则该信号满足窄带阵列信
的形式。图 1 描述了目标探测时声呐的声源、接收 号条件。在探测信号不满足窄带阵列信号条件时，
