水下声源匹配场定位强相关水面噪声抑制方法*

舒 剑

（集美大学 信息工程学院，福建 厦门 361021）

1 概述

在海洋等水声被动探测中，匹配场定位性能主要取决于信号处理方法，主要采用波束形成技术和匹配场处理来实现定位[1]。波束形成技术是将阵列接收信号经过延时、加权、增益加权相加使得某个方向的输出增大，结合功率谱实现方位估计。匹配场定位一般采用垂直阵或水平阵，采用多阵元以获得足够的声场信息，其基本原理是求得远端声源信号传导至接收阵后在各阵元上的协方差函数，然后与假定深度和距离的声源按传播模型推导出的协方差函数对比，通过相关处理求出实际声源的距离和深度。但实际海洋水声环境复杂，利用匹配场处理技术对声源定位不仅受到环境背景噪声干扰，对目标附近存在的区别于背景噪声的点状强干扰噪声声源尤其敏感，当干扰源与目标强相关时，定位准确性和可靠性将大幅下降直至失去探测能力[2-3]。海洋环境下常见的强干扰源为水面舰艇等较大型船舶。

2 强相关干扰声源的匹配场抑制方法

根据水声信道参数以及单节点接收阵几何参数，通过声场模型求解水声信道内任意坐标点声源到达单节点接收阵列的拷贝向量，将接收阵实际接收声场信号与拷贝向量匹配得到的能量输出称为模糊度表面，定义为[4-5]：

式（1）中 φ 表示声源的距离和深度信息（r，z），R 为接收阵输出数据的协方差矩阵，H 表示共轭转置。w（φ）为搜索向量，对于水面干扰源情况可采用线性匹配场处理器（CMFP），其加权向量表示为：

为有效抑制CMFP 旁瓣和干扰，提高分辨能力，实际中常使用对角加载的最小方差无畸变响应匹配场处理器（DL-MVDR），其加权向量表示为：

式（3）中I 为单位矩阵，δd为采样矩阵对角加载因子。

图1 等效10m 深度声源声场强度

图2 50m 深度声源声场强度

图3 CMFP 定位模糊面

图4 DL-MVDR 定位模糊面

干扰的抑制问题可归纳为搜索向量w（φ）的优化问题，设计一个最优加权向量，基于本文背景，使其对水面噪声源的响应最小，对水下声源目标响应保持不变，此约束条件表述为：

式（4）中 n（φ）为水面干扰源声场拷贝向量，a（φ）水下声源目标声场拷贝向量，结合式（1），可得模糊度表面的表达式为：

对式（5）构造Lagrange 函数并求解，得最优加权向量为：

式（6）中wopt即为最优加权向量，该条件下匹配场模糊度函数对水下声源目标响应无失真，对水面干扰声源响应达到最小值0。

3 仿真分析

利用数据仿真对本文提到的三种匹配场处理方法进行噪声抑制测试。水声信道深度100m，基阵为单节点阵列，阵元数量50，间距2m，均匀分布于海面以下1m 到99m 深度。设置水面干扰声源等效深度为10m，水下目标声源深度为50m，距离基阵水平距离均为8km。设置水下目标声源与水面强干扰声源为同源带限白噪声信号，中心频率300Hz，带宽10Hz，频带完全重合，相关度为1。设置水面干扰源声源级比水下目标声源级为10dB。

对上述设定条件进行Matlab 仿真计算，计算两个声源信号传播至基阵垂直面上任意点处的声压，图1 为等效10m 深度声源声场强度，图2 为50m 深度声源声场强度，可见声源大致位于水平距离8km 处。声源在传播过程存在损失，基阵接收到的声强级为声源声强级减去传播损失。

图5 最优加权向量抑制噪声定位模糊面

利用最优加权向量法，使匹配场处理器对水面噪声源的响应最小，对水下声源目标响应保持不变。由图3 和图4 可见，由于水面干扰声源声场强度远高于水下目标声源，CMFP 和DL-MVDR 定位结果受到严重干扰，只能定位水面干扰声源，水下目标声源完全不可见，失去定位能力。图5 给出了最优加权向量法的匹配场定位结果，可以看出该方法抑制了水面强干扰信号的影响，准确定位出水下目标声源的距离和深度。

4 结论

本文讨论了CMFP 和DL-MVDR 匹配场定位方法中的加权向量表达式，进而提出改进方法，通过限制对水面干扰声源的响应，同时保持对有效目标声源的响应无畸变来求解最优加权向量，使其具备对强干扰声源的抑制能力。通过数据仿真测试，该方法能解决水声信道中高相关高强度水面声源对水下声源的干扰，实现对水下弱声源目标的准确定位。