王 莎, 施 博, 郝程鵬

基于斜對稱陣列的水下單脈沖降維空時自適應處理

王 莎1,2, 施 博1, 郝程鵬1

(1. 中國科學院 聲學研究所, 北京, 100190; 2. 中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院, 北京, 100049)

混響作為聲吶系統(tǒng)工作環(huán)境中的主要干擾之一, 嚴重影響聲吶系統(tǒng)的檢測性能。水下單脈沖空時自適應處理(STAP)能夠很好地適應于水聲環(huán)境, 有效提高運動聲吶的混響抑制能力。但在實際混響環(huán)境中, 單脈沖STAP存在計算量過大和輔助數(shù)據(jù)不足2個局限性。文中將陣列的斜對稱特性應用于單脈沖局域聯(lián)合處理(JDL)-STAP中, 仿真試驗結果表明, 該算法可以降低對輔助數(shù)據(jù)的依賴, 提高混響協(xié)方差矩陣的估計精度, 有效降低計算量, 提高混響的抑制性能和目標方位估計精度。

單脈沖空時自適應處理; 運動聲吶; 混響; 斜對稱陣列; 局域聯(lián)合處理

0 引言

我國海岸線漫長, 獲取淺海區(qū)域的水聲信息對于國防安全十分重要。聲吶是水聲環(huán)境下進行聲音導航和測距的聲學探測設備, 淺海環(huán)境下, 聲吶的運動導致不同方位的混響具有不同的多普勒頻移, 混響在頻域上大幅擴展, 低速運動的目標被混響所掩蓋, 采用傳統(tǒng)的空時級聯(lián)方法難以有效抑制混響, 分離出目標。聲吶與雷達都是信息探測的設備, 且聲吶混響和雷達雜波都具有空時耦合特性, 因此可將適用于雷達雜波抑制的空時自適應處理(space-time adaptive processing, STAP)[1]引入到聲吶信號處理當中, 自適應地抑制來自空域和時域的干擾, 提高運動目標的檢測概率[2]。聲吶采用聲波作為發(fā)射信號, 由于水聲信號傳播速度慢且傳播距離遠, 接收回波信號的時延較長, 使得聲吶不再滿足多脈沖相干積累的條件, 故采用單脈沖作為發(fā)射信號。郝程鵬等[3]提出了單脈沖修正STAP, 該算法可以對空域?qū)蛳蛄窟M行修正, 提高目標的方位估計精度。

多年來, 混響協(xié)方差矩陣的準確估計始終是單脈沖STAP中的關鍵問題, 通常使用與待檢測單元相鄰的獨立同分布的輔助數(shù)據(jù)估計混響協(xié)方差矩陣, 得到的估計值稱為樣本協(xié)方差矩陣[4]。單脈沖STAP在實際應用中存在2個不足: 首先, 單脈沖STAP中存在高維矩陣求逆等運算, 計算量過大, 工程實現(xiàn)難度大; 其次, 真實混響環(huán)境復雜多變, 難以獲取充足的輔助數(shù)據(jù)。為解決計算量大的問題, 可采用單脈沖降維STAP, 典型的降維方法包括輔助通道法(auxiliary channel receiver, ACR)[5], 擴展因子法(extended factored approach, EFA)[6]和局域聯(lián)合處理(joint domain localized, JDL)法[7]。其中, JDL方法被認為是最有效的后多普勒域降維STAP算法之一。為解決輔助數(shù)據(jù)不足的問題, 可以利用混響協(xié)方差矩陣的Toeplitz結構、低秩結構、斜對稱特性等[8]先驗知識提高樣本協(xié)方差矩陣的估計精度, 減小對輔助數(shù)據(jù)的依賴。文中利用陣列系統(tǒng)的斜對稱結構, 有效提高了輔助數(shù)據(jù)不足情況下混響的抑制性能[9], 采用基于斜對稱陣列的水下單脈沖JDL-STAP來解決上述2個問題。

1 水下單脈沖降維STAP

1.1 單脈沖STAP基本原理

圖1 聲吶接收數(shù)據(jù)采樣

單脈沖STAP可根據(jù)混響的空時分布特性形成與混響位置匹配的凹槽, 在目標處保持固定的增益, 從而實現(xiàn)混響抑制和目標的相干積累。STAP原理滿足如下約束條件

求解方程可得單脈沖STAP最優(yōu)權矢量為

利用改善因子衡量STAP性能。改善因子定義為輸出信干噪比(signal to interference plus noise ratio, SINR)與輸入信干噪比之比, 即

1.2 單脈沖降維STAP基本結構

單脈沖STAP中存在矩陣求逆等運算, 計算量過大不利于工程實現(xiàn)。將空時快拍數(shù)據(jù)投影到較低維的單脈沖降維STAP, 可以大大降低計算復雜度, 同時實現(xiàn)接近最優(yōu)的性能。文中提出利用單脈沖JDL-STAP降低計算復雜度, 該算法基本結構如下[1]。

轉(zhuǎn)換后的空時轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)換后的混響協(xié)方差矩陣和空時導向向量為

2 斜對稱陣列單脈沖降維STAP

2.1 陣列斜對稱結構

實際應用中, 很難獲取大量獨立同分布的輔助數(shù)據(jù), 可借鑒雷達系統(tǒng)利用陣列斜對稱特性降低對輔助數(shù)據(jù)依賴性的方法。文中將斜對稱應用于運動聲吶水下單脈沖降維STAP中, 可在輔助數(shù)據(jù)不足時實現(xiàn)較好的混響抑制效果。如果陣列相位中心與幾何中心重合, 或者時域等間距采樣, 且采樣點關于采樣中心對稱, 那么混響協(xié)方差矩陣滿足斜對稱特性, 即矩陣關于主對角線共軛對稱, 關于副對角線對稱[10-11], 表示為

并且空時導向向量也滿足斜對稱特性, 即

利用斜對稱性質(zhì)將數(shù)據(jù)由復數(shù)域變換到實數(shù)域, 利用變換后的輔助數(shù)據(jù)估計混響協(xié)方差矩陣。

斜對稱結構的矢量和矩陣滿足以下性質(zhì)[12]:

經(jīng)過上述變換, 式(1)的二元假設可變化為

斜對稱結構的SCM估計值為

2.2 斜對稱陣列單脈沖JDL-STAP

圖2 單脈沖JDL-STAP原理圖

第個多普勒單元的降維轉(zhuǎn)換矩陣為

當陣列滿足斜對稱特性時, 式(19)中的多普勒濾波器矩陣和波束形成矩陣各自對應的離散傅里葉變換矩陣需要關于中心對稱。斜對稱陣列單脈沖JDL第個多普勒通道混響協(xié)方差矩陣為

組合空時導向向量為

選取目標所在多普勒通道, 進一步得到單脈沖JDL-STAP的性能指標, 即改善因子, 表示為

3 仿真試驗

圖3 K=2MN時3種算法改善因子對比曲線

圖4 K=MN+1時3種算法改善因子對比曲線

由圖3和圖4可知, 當輔助數(shù)據(jù)充足時, 單脈沖JDL-STAP比單脈沖STAP性能低6 dB左右, 斜對稱陣列單脈沖JDL-STAP比單脈沖STAP性能低3 dB左右; 在輔助數(shù)據(jù)不充足時, 單脈沖JDL-STAP性能損失約為25 dB, 斜對稱陣列單脈沖JDL-STAP性能損失約為5 dB。這說明陣列的斜對稱特性可以明顯提高輔助數(shù)據(jù)不足情況下單脈沖JDL-STAP的混響抑制性能。圖中, 改善因子曲線出現(xiàn)凹口是由于目標靠近混響脊時, 被誤當作混響抑制而造成的。

圖5 K=MN+1時單脈沖JDL-STAP自適應空時二維譜圖

圖6 K=MN+1時斜對稱陣列單脈沖JDL自適應空時二維譜圖

4 結束語

文中提出了基于斜對稱陣列的單脈沖降維STAP。仿真結果表明, 輔助數(shù)據(jù)充足時, 陣列的斜對稱結構可以少量提高單脈沖JDL-STAP的性能; 當輔助數(shù)據(jù)不足時, 陣列的斜對稱結構可以顯著提高混響協(xié)方差矩陣的估計精度, 提高單脈沖JDL-STAP的混響抑制效果。斜對稱特性是陣列的一個十分有用的先驗知識, 可以降低單脈沖降維STAP對輔助數(shù)據(jù)的依賴, 在輔助樣本不足條件下實現(xiàn)較好的混響抑制性能, 同時有效降低計算復雜度。

真實混響環(huán)境往往復雜多變, 表現(xiàn)出非均勻性、非平穩(wěn)性和時變性, 且系統(tǒng)內(nèi)部往往存在一定非理想因素, 滿足系統(tǒng)要求的獨立同分布的輔助數(shù)據(jù)十分稀少, 文中討論的基于斜對稱陣列的單脈沖降維STAP雖然能在一定程度上減小計算量, 降低對輔助數(shù)據(jù)的依賴, 但程度遠遠不夠。因此, 研究基于稀疏恢復的單脈沖降維STAP將成為下一步的工作重點。

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Monopulse Dimension-Reduced Space-Time Adaptive Processing Based on Persymmetric Array

WANG Sha1,2, SHI Bo1, HAO Cheng-peng1

(1. Key Laboratory of Information Technology for Autonomous Underwater Vehicles, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. School of Electronic Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Reverberation is one of the main interference in the underwater environment, which seriously affects the detection performance of sonar system. Monopulse space-time adaptive processing(STAP) is more suitable for the underwater acoustic environment and can effectively improve the reverberation suppression capability of the moving sonar. However, there are two limitations of huge computational burden and insufficient secondary data in monopulse STAP in practical applications. In this paper, the persymmetric property of the array is applied to the monopulse joint domain localization(JDL)-STAP algorithm. Simulation results show that this algorithm can reduce the dependence on auxiliary data, improve the estimation accuracy of the reverberation covariance matrix, effectively reduce the calculation amount, improve the suppression performance of reverberation and greatly improve the performance of target azimuth estimation.

monopulse space-time adaptive processing (STAP); moving sonar; reverberation; persymmetric array; joint domain localized(JDL)

TJ630.34; TN957.51

A

2096-3920(2020)02-0168-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.008

2019-04-22;

2019-07-07.

中國科學院聲學研究所青年英才計劃(QNYC201623).

王 莎(1993-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向為水聲信號處理技術.

王莎, 施博, 郝程鵬. 基于斜對稱陣列的水下單脈沖降維空時自適應處理[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2020, 28(1): 168-173.

(責任編輯: 陳 曦)