Page 42 - 《应用声学》2020年第4期

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0 引言
近年来，水下航行器 (Underwater unmanned
vehicle, UUV) 在各国海洋设备中占有了举足轻重
的地位，在海洋环境监测、资源开发、海上救援以及
海底搜索等方面有着广泛而深入的应用
信号处理中，当目标信号弱而干扰噪声强时，目标通
常会被干扰掩盖，不利于微弱信号目标的检测和方
位估计。UUV 是个高噪声平台，近场干扰严重，影
响其工作性能 [2] 。由于自噪声干扰强度大，舷侧阵
阵元接收信号的信干比低，导致舷侧阵对目标的探
测距离大大缩短，削弱了UUV的目标探测能力。
在 UUV 平台噪声干扰抵消中，文献 [3] 采用最
小均方(Least mean square, LMS)自适应滤波器对
机械振动噪声进行干扰抵消；文献 [4] 以阵列多通
道差分方法提供相关参考噪声为前提，利用基于核
函数的非线性自适应滤波算法对 UUV 声呐阵列进
行自适应噪声抵消，而需要准确的不含目标信号的
噪声参考信号，这在实际中往往无法得到。采用逆
波束形成进行干扰抵消是一个常用的方法，且已经
研究多年；Anderson 等 [5] 利用常规波束形成方法，
对远场平面波模型假设下的干扰抵消进行了理论
分析，文献[6–7] 对DICANNE (Digital interference
cancelling adaptive null network equipment) 进行
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
声抵消中，该应用建立在远场平面波的假设下，而本
文中的尾部自噪声源是一个近场噪声源，需要在近
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
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
变化，如果设计空域矩阵滤波器则会带来大量的计
算量，不利于实时处理。因此，探讨适合于 UUV 运
动特性的平台噪声自适应抵消方法是本文的研究
重点。
本文在上述思考的基础上，提出一种平台自噪
声干扰自适应抵消方法，该方法基于 UUV 结构参
数、深度以及航行姿态信息的实时补偿，对平台尾
部干扰噪声传播到舷侧阵的路径建模，从而利用逆
聚焦波束形成法估计出各阵元处所含尾部噪声的
海面反射声，完成尾部自噪声干扰抵消，获得 UUV
平台声呐处理更优良的结果。
2020 年 7 月
1 近场聚焦逆波束形成的噪声抵消原理
和方法
1.1 舷侧阵阵元处平台尾部自噪声逆波束形成抵
消方法
UUV 平台舷侧阵列接收到来自远场的目标信
[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
信号的信噪比很低，特别是平台尾部自噪声的多途
干扰，严重影响 UUV 的目标探测能力，如何有效抑
制各阵元处平台尾部自噪声干扰，成为提高 UUV
舷侧阵声呐探测距离的一个关键问题。为此，在分
析阵列接收目标信号和来自尾部的多途自噪声干
扰模型，以及分析平台参数和平台运动参数影响尾
部自噪声干扰的基础上，提出一种采用近场聚焦逆
波束形成的 UUV 平台噪声自适应抵消方法，以达
到实时有效抑制尾部自噪声干扰的目的。近场聚焦
逆波束形成自适应噪声抵消流程图如图1所示。
由图 1，利用 UUV 平台参数、深度和运动姿态
的实时信息对 UUV 平台尾部自噪声传播到舷侧阵
阵元的路径进行分析，采用近场聚焦波束形成实时
地获取不含目标信号的尾部自噪声，再对获取的自
噪声加以相位向量和幅度向量的补偿，得到各阵元
处的自噪声，从而实现对尾部自噪声源的直达噪声、
海面反射噪声的实时抵消，得到有效抑制平台尾部
自噪声的阵列接收信号。
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图 1 近场聚焦逆波束形成自适应噪声抵消流程图
Fig. 1 Flow chart for adaptive noise cancellation
by focusing inverse beamforming in the near field
1.2 阵列信号接收模型
在近场下，均匀线列阵阵元个数为 M，阵元
间距为 d，以阵中心为原点 O，沿线列阵方向为 x
轴，线列阵垂直方向为 y 轴，建立 O-xy 平面坐标系，
第m 号阵元的坐标为 T m = (−(M − 1)d/2 + (m −
T
T
1)d, 0) ，其中 (·) 表示转置，阵列信号接收模型如
图2所示，其中s(t)是来自于θ 方位的远场平面波目
标信号，s n (t)为近场噪声源信号。