朱建峰

（第七一五研究所，杭州，310012）

1 子帶融合處理方法提出

現(xiàn)有的主動聲吶朝著寬帶方向發(fā)展，當(dāng)前的趨勢是發(fā)射全部有效帶寬，目的是為了通過增加分辨率來抑制混響[1,2]，當(dāng)聲吶帶寬增加到一定限度時，目標(biāo)開始過分辨，聲吶性能隨帶寬增加而下降，當(dāng)存在多徑時，因為多徑放大了目標(biāo)過分辨率，使得帶寬限度減小。目標(biāo)過分辨將導(dǎo)致能量分段，從而降低檢測概率，同時，大的帶寬改變了混響匹配濾波包絡(luò)的統(tǒng)計分布，從傳統(tǒng)假設(shè)的瑞利分布轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重拖尾的K分布，將導(dǎo)致更高的虛警概率[1]。

可以利用環(huán)境知識和模型來預(yù)測最優(yōu)發(fā)射帶寬，但當(dāng)前聲吶可能工作在一個固定的頻率范圍，其可能不是最優(yōu)形式，在這樣條件下，可以通過子帶融合處理來利用最優(yōu)帶寬知識，獲得更好檢測效果。子帶處理就是用一組互不相交的子帶濾波器，對全帶匹配濾波輸出進(jìn)行濾波，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜诤?，這里給出子帶融合處理方法。

2 子帶融合處理流程

傳統(tǒng)的全帶處理流程如圖1所示，子帶融合處理流程如圖2所示，子帶處理是在全帶匹配濾波輸出的基礎(chǔ)上通過子帶濾波器組，子帶濾波器組覆蓋了發(fā)射信號整個帶寬，且不重疊，每個濾波器的帶寬等于最優(yōu)帶寬，這里最優(yōu)帶寬等于相干帶寬，即信道時延擴(kuò)展倒數(shù)，實際在使用時，當(dāng)相干帶寬較小時，處理經(jīng)驗表明可以取最優(yōu)帶寬為相干帶寬的5至10倍。

融合檢測方法，是利用N路子帶輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，這里先將每一路數(shù)據(jù)與門限比較，門限是根據(jù)確定的虛警概率由仿真計算得到，當(dāng)大于門限時則認(rèn)為該路有信號，否則認(rèn)為無信號。然后再使用融合門限M/N融合檢測，即當(dāng)N路中有M路以上同時檢測到信號時，才認(rèn)為有目標(biāo)，否則認(rèn)為是干擾。融合門限M/N的取值比較關(guān)鍵，其選擇根據(jù)經(jīng)驗，經(jīng)驗取值為60%～80%之間。

圖1 全帶處理流程

圖2 子帶融合處理流程

3 有保護(hù)窗歸一化方法

歸一化，其主要功能是去除背景干擾的時間或距離相干性。對于給定的虛警率，所有序列只使用一個固定的門限。傳統(tǒng)的歸一化方法取兩旁數(shù)據(jù)時沒有保護(hù)窗，混響和背景噪聲能量平均值用被歸一化數(shù)據(jù)兩旁的數(shù)據(jù)來估計；而有保護(hù)窗歸一化方法，如圖 3，其在被歸一化數(shù)據(jù)兩旁加入了保護(hù)區(qū)域，避免目標(biāo)能量進(jìn)入背景噪聲計算中，背景噪聲功率使用輔助數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計。

圖3 帶保護(hù)窗歸一化方法

為了適應(yīng)環(huán)境變化，保護(hù)段長度將取決于水聲信道傳播特征，也就是說，時延擴(kuò)展越大，保護(hù)段越寬，保護(hù)段可取等于時延擴(kuò)展寬度，時延擴(kuò)展的獲取可以使用模型仿真或水聲信道試驗擴(kuò)展理論進(jìn)行估計[3]。

使用KRAKEN模型進(jìn)行仿真，海洋環(huán)境參數(shù)為：海深H=150 m、海水聲速c1=1500 m/s、海底聲速c2=1584m/s、海底密度ρ2=1.608 g/cm3和海底衰減系數(shù)a2=0.282 dB/λ，收發(fā)深度都為海深一半。換能器發(fā)射信號脈寬為0.01 s，中心頻率為3000 Hz，帶寬為500 Hz 的HFM信號。經(jīng)過模型仿真，時延擴(kuò)展約為20 ms，所以相干帶寬為50 Hz，為了便于實現(xiàn)，取最優(yōu)帶寬為100 Hz，即需要5路子帶濾波器，取融合門限為3/5，取虛警概率PFA=1‰。圖4為仿真的 ROC曲線，帶保護(hù)窗子帶處理與全帶處理 ROC曲線比較可得，子帶處理結(jié)果要優(yōu)于全帶處理結(jié)果，且其可對現(xiàn)有的聲吶進(jìn)行較少的改動，就可以提高檢測性能。

圖4 子帶、全帶處理ROC曲線比較

4 湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果

在千島湖水聲實驗站，發(fā)射中心頻率為 2500 Hz，帶寬為1000 Hz的LFM信號，脈寬為50 ms，進(jìn)行全帶處理與子帶融合處理比較。

4.1 高信噪比下獲得信道時延擴(kuò)展

圖5為湖試時發(fā)射強(qiáng)信號經(jīng)過信道傳輸后接收到的高信噪比波形，信號出現(xiàn)在0.5 s左右，具有很高的信噪比。圖6為使用拷貝相關(guān)處理后得到的時延擴(kuò)展圖[3]，時延擴(kuò)展約為 50 ms，則千島湖湖試試驗時，信道相干帶寬約為20 Hz，不同試驗環(huán)境下，信道時延擴(kuò)展不同。

圖5 接收信號波形

圖6 時延擴(kuò)展圖

4.2 低信噪比下檢測結(jié)果比較

圖7為發(fā)射弱信號經(jīng)過信道傳輸后接收到的低信噪比波形，根據(jù)時頻圖分析得接收信號約在 1s處，其他處沒有信號，只有噪聲，且在6s后有很強(qiáng)摩托艇噪聲干擾。

圖7 低信噪比下接收波形

在信號檢測處理中取虛警概率為 10-4，經(jīng)Monte Carlo仿真得RC檢測器檢測門限為18.42，RCI檢測器檢測門限為8.9，子帶檢測器檢測門限為6.35。

圖8為全帶RC檢測結(jié)果，圖8(a)為RC檢測器直接輸出，從中可知，由于環(huán)境噪聲起伏比較大，需要對其做歸一化處理；圖8 (b)為帶保護(hù)窗歸一化及檢測結(jié)果，相關(guān)峰值從背景噪聲中凸顯出來，由于已知信號約在1 s處，所以RC可以檢測出信號，但其有一次虛警。

圖8 RC檢測結(jié)果

圖 9為子帶處理結(jié)果，由于時延擴(kuò)展約為 50 ms，則相干帶寬約為20 Hz，最優(yōu)帶寬可取為200 Hz，則需要5路子帶濾波器，融合門限取經(jīng)驗值為3/5。圖9(a)為5路子帶歸一化輸出，圖9(b)前五幅對應(yīng)于5路子帶檢測結(jié)果，值為1表示檢測到信號，最后一幅為5路子帶融合后結(jié)果。從處理結(jié)果看出，在同樣的虛警概率下，子帶不但可以正確檢測出信號，且沒有虛警。

圖9 子帶檢測結(jié)果

5 結(jié)束語

子帶融合處理方法，利用環(huán)境知識和模型來預(yù)測最優(yōu)發(fā)射帶寬，在現(xiàn)有裝備全帶匹配濾波輸出數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行子帶濾波、融合檢測，結(jié)合時延擴(kuò)展知識，進(jìn)行有保護(hù)窗歸一化處理，理論和湖試都取得比常規(guī)全帶處理更好的結(jié)果。

[1] BALDACCI A, HARALABUS G, CORALUPPI S.Sub-band processing:An environmental adaptation strategy applicable to existing navy sonar systems[C]. UDT Europe,2007.

[2] 劉貫領(lǐng). 淺海主動聲吶波形設(shè)計和抗混響檢測技術(shù)研究[D]. 中國艦船研究院, 2007: 25-54.

[3] 朱建峰.水聲信道時延擴(kuò)展分析[J].聲學(xué)與電子工程，2011, (3):7-10.