聲納浮標對空中聲源干擾的抑制方法研究

航空反潛是重要的反潛手段之一。目前航空反潛平臺使用的聲學(xué)搜潛設備主要有吊放式聲納和聲納浮標，其中聲納浮標體積小，可攜帶數量多，效率高，布放和使用方便，與其他搜潛設備兼容性好，被廣泛應用在各種航空反潛平臺上。近年來(lái)隨著(zhù)水聽(tīng)器技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，聲納浮標在作用距離，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，當反潛飛機低空飛行或懸停時(shí)，其輻射噪聲會(huì )透過(guò)海面在海水中傳播，具有弱信號探測能力的聲納浮標容易受到其干擾。

本文假設存在空中噪聲干擾時(shí)，以采用單矢量水聽(tīng)器的聲納浮標為應用平臺，通過(guò)自適應信號處理技術(shù)抵消空中噪聲干擾。以最小均方誤差(LMS)準則為基礎，提出兩種自適應抵消空中噪聲的方法，并通過(guò)仿真對比研究?jì)烧咝阅懿町悺?/P>

1 存在空中噪聲時(shí)聲納浮標的方位估計

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

對存在直升機噪聲干擾的方位估計進(jìn)行仿真分析。

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

結果表明浮標對目標的方位估計有偏差，由干擾和目標的聲能流合成方位，且估計結果偏向能量高的一方。

由于目標和干擾信號中都具有較強的線(xiàn)譜分量，矢量水聽(tīng)器可以采用直方圖和加權直方圖法進(jìn)行目標方位估計，估計結果如圖1,圖2所示。

由圖1,圖2可知，當有多個(gè)相干聲源存在時(shí)，若連續譜頻帶大部分重合，則直方圖法的方位估計結果受干擾影響比較大，不能估計目標方位。為突出線(xiàn)譜分量的作用，采用加權直方圖法時(shí)，只要各聲源輻射噪聲的線(xiàn)譜分量不完全重合，矢量水聽(tīng)器則可實(shí)現多目標的方位估計，但不能識別目標和干擾。

2 空中噪聲干擾自適應抵消

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噪聲在頻帶上大部分重合，因此不適合采用參數固定的帶阻濾波器抑制噪聲干擾。本文選擇基于LMS法的自適應干擾抵消器抑制空中噪聲。

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

2.1 空中平臺噪聲為參考信號

在浮標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(tīng)器接收潛艇和空中平臺的水下噪聲。將微音器接收的空中噪聲信號作為參考輸入。

仿真2:假設二維空間中水下目標位置(-100 m,-500 m);空中平臺為直升機，位置(500 m,300 m);設定直升機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 干擾抵消后的加權直方圖方位估計如圖3所示。

由圖3 可知直升機靜止時(shí)此方法可有效抑制其噪聲。若直升機分別以10 m/s和20 m/s的速度飛行，飛機位置不變，航向與矢量水聽(tīng)器x 方向夾角為180°，水下目標航速5 m/s,航向與矢量水聽(tīng)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,結果如圖4,圖5所示。