Page 42 - 《应用声学》2020年第4期
P. 42

528                                                                                  2020 年 7 月

                                                               1 近场聚焦逆波束形成的噪声抵消原理
             0 引言                                                 和方法


                 近年来,水下航行器 (Underwater unmanned
                                                               1.1  舷侧阵阵元处平台尾部自噪声逆波束形成抵
             vehicle, UUV) 在各国海洋设备中占有了举足轻重                          消方法
             的地位,在海洋环境监测、资源开发、海上救援以及
                                                                   UUV 平台舷侧阵列接收到来自远场的目标信
             海底搜索等方面有着广泛而深入的应用                   [1] 。在阵列
                                                               号和平台自噪声及海洋环境噪声的干扰,阵元接收
             信号处理中,当目标信号弱而干扰噪声强时,目标通
                                                               信号的信噪比很低,特别是平台尾部自噪声的多途
             常会被干扰掩盖,不利于微弱信号目标的检测和方
                                                               干扰,严重影响 UUV 的目标探测能力,如何有效抑
             位估计。UUV 是个高噪声平台,近场干扰严重,影
                                                               制各阵元处平台尾部自噪声干扰,成为提高 UUV
             响其工作性能       [2] 。由于自噪声干扰强度大,舷侧阵
                                                               舷侧阵声呐探测距离的一个关键问题。为此,在分
             阵元接收信号的信干比低,导致舷侧阵对目标的探
                                                               析阵列接收目标信号和来自尾部的多途自噪声干
             测距离大大缩短,削弱了UUV的目标探测能力。
                                                               扰模型,以及分析平台参数和平台运动参数影响尾
                 在 UUV 平台噪声干扰抵消中,文献 [3] 采用最
                                                               部自噪声干扰的基础上,提出一种采用近场聚焦逆
             小均方(Least mean square, LMS)自适应滤波器对
                                                               波束形成的 UUV 平台噪声自适应抵消方法,以达
             机械振动噪声进行干扰抵消;文献 [4] 以阵列多通
                                                               到实时有效抑制尾部自噪声干扰的目的。近场聚焦
             道差分方法提供相关参考噪声为前提,利用基于核
                                                               逆波束形成自适应噪声抵消流程图如图1所示。
             函数的非线性自适应滤波算法对 UUV 声呐阵列进
                                                                   由图 1,利用 UUV 平台参数、深度和运动姿态
             行自适应噪声抵消,而需要准确的不含目标信号的
                                                               的实时信息对 UUV 平台尾部自噪声传播到舷侧阵
             噪声参考信号,这在实际中往往无法得到。采用逆
                                                               阵元的路径进行分析,采用近场聚焦波束形成实时
             波束形成进行干扰抵消是一个常用的方法,且已经
                                                               地获取不含目标信号的尾部自噪声,再对获取的自
             研究多年;Anderson 等      [5]  利用常规波束形成方法,
                                                               噪声加以相位向量和幅度向量的补偿,得到各阵元
             对远场平面波模型假设下的干扰抵消进行了理论
                                                               处的自噪声,从而实现对尾部自噪声源的直达噪声、
             分析,文献[6–7] 对DICANNE (Digital interference
                                                               海面反射噪声的实时抵消,得到有效抑制平台尾部
             cancelling adaptive null network equipment) 进行
                                                               自噪声的阵列接收信号。
             了数字系统的设计,均表明了其有效性;文献 [8] 则
             将逆波束形成的干扰抵消应用到了拖曳阵的自噪
                                                                     ᤃڤᐑཥᤤฉౌॎੇᒭᤠऄ           ࠄ௑ᄊUUVࣱԼ
             声抵消中,该应用建立在远场平面波的假设下,而本                                 ͥᝠՊ᫼Ћܫࡋᦊᒭ٪ܦູ           Ԡ஝njງएnjᤂү
             文中的尾部自噪声源是一个近场噪声源,需要在近                                  ᄊᄰ᣺٪ܦ֗๒᭧Ԧ࠱٪ܦ           ގগԠ஝ηৌ
             场进行干扰噪声抵消。文献 [9–10] 通过设计空间矩
                                                                                   -
             阵滤波器的方式对近场干扰噪声进行抑制,但其设                                 UUVᓓΟ᫼Պ᫼     +           ࡋᦊ٪ܦખ๗Ց
                                                                      Ћᣥѣ(ᮠ۫)                ᄊ᫼ѵଌஆηՂ
             计干扰噪声抑制的空域范围是固定的,而实际经海
             面反射的自噪声到达舷侧阵的方位随 UUV 姿态而
                                                                  图 1  近场聚焦逆波束形成自适应噪声抵消流程图
             变化,如果设计空域矩阵滤波器则会带来大量的计
                                                                  Fig. 1 Flow chart for adaptive noise cancellation
             算量,不利于实时处理。因此,探讨适合于 UUV 运
                                                                  by focusing inverse beamforming in the near field
             动特性的平台噪声自适应抵消方法是本文的研究
             重点。                                               1.2  阵列信号接收模型
                 本文在上述思考的基础上,提出一种平台自噪                              在近场下,均匀线列阵阵元个数为 M,阵元
             声干扰自适应抵消方法,该方法基于 UUV 结构参                          间距为 d,以阵中心为原点 O,沿线列阵方向为 x
             数、深度以及航行姿态信息的实时补偿,对平台尾                            轴,线列阵垂直方向为 y 轴,建立 O-xy 平面坐标系,
             部干扰噪声传播到舷侧阵的路径建模,从而利用逆                            第m 号阵元的坐标为 T m = (−(M − 1)d/2 + (m −
                                                                              T
                                                                     T
             聚焦波束形成法估计出各阵元处所含尾部噪声的                             1)d, 0) ,其中 (·) 表示转置,阵列信号接收模型如
             海面反射声,完成尾部自噪声干扰抵消,获得 UUV                          图2所示,其中s(t)是来自于θ 方位的远场平面波目
             平台声呐处理更优良的结果。                                     标信号,s n (t)为近场噪声源信号。
   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47