聲納浮標(biāo)對空中聲源干擾的抑制方法研究

0 引言

航空反潛是重要的反潛手段之一。目前航空反潛平臺(tái)使用的聲學(xué)搜潛設(shè)備主要有吊放式聲納和聲納浮標(biāo)，其中聲納浮標(biāo)體積小，可攜帶數(shù)量多，效率高，布放和使用方便，與其他搜潛設(shè)備兼容性好，被廣泛應(yīng)用在各種航空反潛平臺(tái)上。近年來隨著水聽器技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，聲納浮標(biāo)在作用距離，弱信號檢測能力以及定位精度等方面均有較大提高。但是反潛飛機(jī)作為空中聲源，其噪聲與潛艇的輻射噪聲在頻率特性方面非常相近，當(dāng)反潛飛機(jī)低空飛行或懸停時(shí)，其輻射噪聲會(huì)透過海面在海水中傳播，具有弱信號探測能力的聲納浮標(biāo)容易受到其干擾。

本文假設(shè)存在空中噪聲干擾時(shí)，以采用單矢量水聽器的聲納浮標(biāo)為應(yīng)用平臺(tái)，通過自適應(yīng)信號處理技術(shù)抵消空中噪聲干擾。以最小均方誤差(LMS)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，提出兩種自適應(yīng)抵消空中噪聲的方法，并通過仿真對比研究兩者性能差異。

1 存在空中噪聲時(shí)聲納浮標(biāo)的方位估計(jì)

以具有典型空中噪聲特征的直升機(jī)為例，其噪聲會(huì)對浮標(biāo)的探測產(chǎn)生干擾，原因在于潛艇的水下輻射噪聲與直升機(jī)噪聲特點(diǎn)相近，潛艇噪聲包括機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲三大類，也是由連續(xù)譜噪聲和主要集中在低頻段(小于1 kHz)的非連續(xù)線譜分量所組成，線譜基頻主要集中在1~100 Hz頻段內(nèi)。

對存在直升機(jī)噪聲干擾的方位估計(jì)進(jìn)行仿真分析。

仿真1:直升機(jī)方位50°，輻射噪聲為50~800 Hz的連續(xù)譜，疊加基頻為65 Hz的8根諧波簇線譜。環(huán)境噪聲為高斯白噪聲，水下干噪比為0 dB.目標(biāo)方位270°，輻射噪聲由基頻為45 Hz 的12 根諧波簇線譜，疊加10~600 Hz 的連續(xù)譜組成，水下信噪比為0 dB.積分時(shí)間為1 s.

結(jié)果表明浮標(biāo)對目標(biāo)的方位估計(jì)有偏差，由干擾和目標(biāo)的聲能流合成方位，且估計(jì)結(jié)果偏向能量高的一方。

由于目標(biāo)和干擾信號中都具有較強(qiáng)的線譜分量，矢量水聽器可以采用直方圖和加權(quán)直方圖法進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)，估計(jì)結(jié)果如圖1,圖2所示。

由圖1,圖2可知，當(dāng)有多個(gè)相干聲源存在時(shí)，若連續(xù)譜頻帶大部分重合，則直方圖法的方位估計(jì)結(jié)果受干擾影響比較大，不能估計(jì)目標(biāo)方位。為突出線譜分量的作用，采用加權(quán)直方圖法時(shí)，只要各聲源輻射噪聲的線譜分量不完全重合，矢量水聽器則可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的方位估計(jì)，但不能識(shí)別目標(biāo)和干擾。

2 空中噪聲干擾自適應(yīng)抵消

濾波器是抑制噪聲干擾非常有效的方法。由于潛艇和空中平臺(tái)噪聲在頻帶上大部分重合，因此不適合采用參數(shù)固定的帶阻濾波器抑制噪聲干擾。本文選擇基于LMS法的自適應(yīng)干擾抵消器抑制空中噪聲。

自適應(yīng)干擾抵消需要一個(gè)與噪聲或與目標(biāo)信號相關(guān)的參考輸入，本文以直升機(jī)噪聲為干擾源，分別以直升機(jī)空中噪聲和以組合振速為參考輸入進(jìn)行自適應(yīng)抵消。

2.1 空中平臺(tái)噪聲為參考信號

在浮標(biāo)的水上部分加裝一個(gè)矢量微音器，實(shí)時(shí)采集空中噪聲，水下部分用矢量水聽器接收潛艇和空中平臺(tái)的水下噪聲。將微音器接收的空中噪聲信號作為參考輸入。

仿真2:假設(shè)二維空間中水下目標(biāo)位置(-100 m,-500 m);空中平臺(tái)為直升機(jī)，位置(500 m,300 m);設(shè)定直升機(jī)空中噪聲的信噪比相對于它在水中的信噪比高15 dB.其他條件同仿真1.

信噪比、干燥比均為0 dB 干擾抵消后的加權(quán)直方圖方位估計(jì)如圖3所示。

由圖3 可知直升機(jī)靜止時(shí)此方法可有效抑制其噪聲。若直升機(jī)分別以10 m/s和20 m/s的速度飛行，飛機(jī)位置不變，航向與矢量水聽器x 方向夾角為180°，水下目標(biāo)航速5 m/s,航向與矢量水聽器x 方向同向，空中聲速334 m/s,海水中聲速1 500 m/s.其他條件同仿真2,結(jié)果如圖4,圖5所示。

圖4,圖5表明，隨著直升機(jī)航速的增加，自適應(yīng)干擾抵消的效果越來越差。造成這種結(jié)果的根本原因在于空氣中聲速和海水中聲速不同。若聲源與接收點(diǎn)之間存在相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，則信號產(chǎn)生多普勒頻移。瞬時(shí)頻移量為：

式中：c 是聲速;v 為聲源移動(dòng)速度;θ 為聲源和接收點(diǎn)連線與聲源運(yùn)動(dòng)方向在垂直面投影的夾角;α 為聲源和接收點(diǎn)連線與相對運(yùn)動(dòng)方向在水平面投影的夾角。由于水中聲速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空中聲速，所以空氣中的多普勒頻移大于水中的頻移，而且聲源的速度越快，頻差越大。對于以空中平臺(tái)噪聲為參考輸入的抵消法，飛機(jī)速度越快則原始信號中干擾成分與參考信號的相關(guān)性越弱，干擾抵消效果越差。只有飛機(jī)懸?；虻退俸叫袝r(shí)此方法才適用。

2.2 組合振速為參考信號

與標(biāo)量水聽器不同，矢量水聽器的振速具有“8”字形指向性，單個(gè)矢量水聽器即可以形成波束指向性。

矢量水聽器振速和聲壓可表示為：

引導(dǎo)方位ψ 是vc 的極大值方向也是vs 的零點(diǎn)方向。通過改變ψ 值即可實(shí)現(xiàn)在二維平面內(nèi)電子旋轉(zhuǎn)。

假設(shè)浮標(biāo)在水下收到的目標(biāo)信號為pq (t) ,直升機(jī)噪聲為pf (t) ,且目標(biāo)方位θq ,干擾方位θf ,代入式(4)得：

若令引導(dǎo)方位ψ = θf ,則sin(θf - ψ) = 0 ,vs 中只含有pq (t)sin(θq - ψ) 成分。以此信號作為參考輸入，構(gòu)成自適應(yīng)抵消器，可以實(shí)現(xiàn)對空中噪聲干擾的抑制。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

仿真3:直升機(jī)航速30 m/s,其他條件同仿真2.結(jié)果如圖7所示。

圖7表明，以組合振速為參考輸入的抵消方法在直升機(jī)高航速狀態(tài)下，依然可有效抑制噪聲干擾。

3 結(jié)論

本文分析了空中平臺(tái)噪聲對聲納浮標(biāo)的定位產(chǎn)生干擾的原理，利用基于LMS 的自適應(yīng)干擾抵消技術(shù)可以抑制噪聲干擾。仿真結(jié)果表明：以飛機(jī)空中噪聲為參考信號輸入的抵消方法受空中和水中信號多普勒差異的影響，只適用于飛機(jī)懸?；虻退俸叫袝r(shí);以組合振速為參考信號的抵消方法抵消效果不受直升機(jī)航速影響。