单矢量水听器抑制高速相干干扰
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摘要：已知的高速运动相干声源会对矢量水听器的方位估计造成干扰，瞬时相关积分可修正线谱信号的频带展宽，但无法修正多普勒频移，不能通过固定参数滤波器抑制其干扰。将矢量水听器组合振速做为参考输入的自适应抵消器可抑制相干声源干扰，通过仿真验证此方法有效可行。
中图分类号：TN911.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0231-02
1 引言
矢量水听器可以同时测量声场中某点的声压和振速，即单矢量水听器能形成传统水压水听器阵才能完成的波束指向，目前已经广泛应用于各种水声探测设备中[1]。在水声信号处理中背景干扰信号包括相干信号和非相干信号。相干干扰源在空间某一方位并具有一定强度，它是主要的背景干扰之一。对于已知的干扰信号，通常采用固定带阻滤波器抗相干干扰。但干扰源的运动会产生信号带宽展宽[2]和频移，这时固定带阻滤波器则无法抗相干干扰。本文利用瞬时相关积分法减小多普勒影响，并通过自适应干扰抵消器抑制相干干扰。
2 瞬时相关积分法
2.1 目标高速运动对信号的影响
对于受高速运动影响的目标辐射的线谱信号，受多普勒效应影响，接收到的信号幅度和频率都会随时间变化。因此与发射信号相比，接收信号的带宽自然也会变化，若带宽变大则谱级信噪比会降低。若能量在其有效频带内均匀分布，它的谱级信噪比会降低[2]。
仿真分析1：假设水听器位于坐标原点，二维平面内目标位于（300，300）m，速度20m/s，航向180°（与X轴夹角），辐射1500Hz的单频信号，环境噪声为高斯白噪声。
由（图1）和（图2）可知由于目标的运动，不仅接收信号的频率和带宽都产生变化，且谱级信噪比有明显降低。如果采用固定参数的滤波器抵消已知相干干扰信号，信号频谱的变化会严重影响滤波器的滤波效果。因此若采用固定参数滤波器，必须对接收信号进行修正。本文采用瞬时相关积分法。
2.2 瞬时相关积分原理
瞬时相关积分法可以修正目标运动对信号产生的变化。通过消除交叉项干扰，提高信噪比。
假设信号由M个不同的单频分量组成，、和
为各分量的幅度、初始相位和角频率，则：
的瞬时相关函数为：
对的时间积分：
如果积分时间T足够长，（2-3）式可近似为：
式（2-4）表明，对线谱信号的瞬时相关函数在时间域积分，得到的结果仍然是这组线谱信号，但各分量的初始相位变为0。
2.3 仿真分析
分析瞬时相关积分后对目标的方位估计。仿真分析2：干扰源起始位置（500，300）m，航向180°，速度分别为5和20m/s，干扰信号频率1500Hz；目标位置（-100，-500），信号频率2000Hz，航向0°（与X轴夹角），速度5m/s；环境噪声为高斯白噪声，信噪比和干噪比均为0dB。首先对两者的信号进行瞬时相关积分处理，再滤波并做加权直方图方位估计[4]，结果如（图3）和（图4）。
由图可知固定参数的滤波器无法对高速运动的干扰起到抑制作用。原因在于，瞬时相关积分虽然可以较修正线谱信号频带展宽的影响，但不能完全修正频移。只能将线谱频率修正到展宽频带的中心频率上。所以只能抵消静止或低速运动的相干干扰，而无法抑制高速运动干扰源的影响。
3 以组合振速为参考的自适应抵消
为有效抑制高速运动的相干干扰，可以采用以组合振速作为参考输入的自适应干扰抵消法[5]。单个矢量水听器即可形成波束指向性，并且利用声压振速的适当组合可以形成不同的波束指向[6]。
式中和为水听器的振速分量，是引导方位。
若假设目标信号为，相干干扰信号，干扰方位，目标方位，代入式（3-1）得：
若令引导方位，则，中只含有成分。以此作为参考输入，可以实现相干噪声干扰的自适应抵消。结构如（图5、6）。
（图5）中对矢量水听器的、和三个分量分别做自适应抵消，每个抵消器的参考输入均为。采用基于LMS算法的自适应滤波技术[6]，则输出就是“纯净”的目标声压，振速、信号，做互谱运算得到频域声强和，最后用加权直方图法即可估计出目标的方位。
（图6）为干扰运动速度20m/s，其他条件同仿真2时，经过组合振速为参考的自适应滤抵消之后，对目标的方位估计结果。由图可知，这种自适应抵消法可以有效抑制高速运动的相干干扰。
4 结语
本文分析了高速运动对线谱信号产生的影响，利用瞬时相关积分法可提高信噪比，修正高速运动线谱信号的频带展宽。但由于不能修正运动产生的多普勒频偏，因此经过瞬时相关积分后采用固定参数滤波器只能抵消静止或低速运动的相干干扰。对于高速运动的干扰源，采用先瞬时相关积分提高信噪比，再以组合振速为参考输入的自适应干扰抵消法，仿真结果显示此方法可有效抑制相干干扰。
参考文献
[1]惠俊英，慧娟.矢量声信号处理基础.国防工业出版社，2009.
[2]范展.目标高速运动对矢量信号处理的影响及匹配技术研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文，2009.
[3]刘伯胜，雷家煜.水声学原理.哈尔滨工程大学出版社，1993.
[4]姚直象，惠俊英，殷敬伟等.基于单矢量水听器四种方位估计方法.海洋工程.2006，24（1）：122-127.
[5]姚直像，惠俊英等.基于自适应算法的单矢量传感器抗相干干扰.武汉理工大学学报，2008，32（1）：138-141.
[6]沈福民.自适应信号处理.西安电子科技大学出版社，2001.