專利名稱：多途信道中的聲屏蔽方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用信號(hào)處理技術(shù)在水聲相干多途信道中分辨多目標(biāo)，特別是涉 及同一方向上多目標(biāo)的分辨，即探測(cè)同一方向上不同距離處的任意聲源的方法。(二) 背景技術(shù)基陣視野中若有多個(gè)聲源，它們將相互干擾而降低對(duì)其中任何一個(gè)目標(biāo)的探 測(cè)能力，稱之"多目標(biāo)相互干擾"。信號(hào)處理的理想決策是對(duì)有興趣探測(cè)的點(diǎn)源 (目標(biāo))實(shí)施聚焦，對(duì)其余聲源實(shí)施屏蔽。在平面波條件下，既不能實(shí)現(xiàn)聚焦， 也不能實(shí)現(xiàn)屏蔽，所能實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)處理是陣處理技術(shù)，即將波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，而將 指向性零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)其余的(干擾)點(diǎn)源。波束零點(diǎn)(或極小值)抑制了多目標(biāo)干擾， 但零點(diǎn)方向也是探測(cè)盲區(qū)。也就是說(shuō)，傳統(tǒng)的陣處理技術(shù)無(wú)法分辨同一方向上的 兩個(gè)點(diǎn)源。在平面波聲場(chǎng)中，既不能實(shí)現(xiàn)聲屏蔽，也不能實(shí)現(xiàn)聲聚焦，首選的信號(hào)處理 技術(shù)是(傳統(tǒng)的)陣處理技術(shù)，該技術(shù)無(wú)法分辨同一方向上的兩個(gè)點(diǎn)源。在球面波條件下，可采用聚焦波束形成技術(shù)(參見聚焦波束形成聲圖測(cè)量原理研究，《聲學(xué)學(xué)報(bào)》，2007; 32(4): 356-361)，在中、近程實(shí)現(xiàn)聲聚焦。各陣元 輸出按球面波傳播時(shí)延作時(shí)延差補(bǔ)償并加權(quán)求和，就可得到聚焦輸出。聚焦和屏 蔽均是基于聲場(chǎng)相干性的利用。若按球面波時(shí)延并使各通道反相輸出進(jìn)行補(bǔ)償， 如此，各通道反相相加，陣必在屏蔽點(diǎn)輸出極小值，從而實(shí)現(xiàn)"聲屏蔽"。時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡(Time Reversal Mirror)(參見Phase conjugation in the ocean: Experimental demonstration of an acoustic time-reversal mirror.《J.Acoust.soc.Am》, 1998;103(1): 25-40;用時(shí)間反轉(zhuǎn)法在水下波導(dǎo)介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)聚焦的研究，《聲 學(xué)學(xué)報(bào)》，2002， 27(6): 541-548;矢量反轉(zhuǎn)鏡時(shí)空濾波技術(shù)研究，《聲學(xué)學(xué)報(bào)》， 2005， 30(3): 271-278。)信號(hào)處理能在多途信道(或稱波導(dǎo))中實(shí)現(xiàn)聲聚焦和聲 屏蔽。M.A.Kuperman用垂直陣時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡抑制混響并增強(qiáng)回波(參見 Environmentally adaptive reverberation nulling using a time reversal mirror. 《Acoust.soc.Atn》，August 2004; 116(2):762-768),稱之為"Reverberation Nulling "。海試證明方法是科學(xué)的，但要求在目標(biāo)處設(shè)置一PS (ProbeSource)源或采用物 理時(shí)反鏡，這不實(shí)用，無(wú)法在位置未知的非合作目標(biāo)處加一PS源。但他們的研 究有重要的科學(xué)價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種不僅用于設(shè)置零點(diǎn)抗混響，而且用于設(shè)置屏蔽區(qū) 抗相干噪聲源干擾，并且可應(yīng)用于水平陣(或單水聽器)，可適合裝載在運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)或海底固定式使用的多途信道中的聲屏蔽方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的(1) 由聲速儀測(cè)量水的聲速，通過(guò)建模預(yù)報(bào)目標(biāo)和干擾的信道沖激響應(yīng)函數(shù)，或者通過(guò)接收探測(cè)聲源的發(fā)射信號(hào)通過(guò)拷貝相關(guān)估計(jì)信道；(2) 水平接收陣接收聲場(chǎng)中的多個(gè)點(diǎn)源的輻射信號(hào)，放大濾波，然后進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集，采集包括需要探測(cè)的目標(biāo)即被聚焦目標(biāo)的輻射信號(hào)和干擾信號(hào)即被屏 蔽目標(biāo)的輻射信號(hào)；(3) 對(duì)接收信號(hào)作快速傅立葉變換，在頻域采用相移補(bǔ)償?shù)那蛎娌晥?chǎng)陣 聚焦波束形成，或基于步驟(1)估計(jì)的信道得到被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡(TRM)相位 共軛譜，實(shí)現(xiàn)球面波聲場(chǎng)中陣的聲聚焦，得到的權(quán)值即為最佳聚焦權(quán)；(4) 在最佳聚焦權(quán)的基礎(chǔ)上，增加屏蔽因子，得到最佳聚焦屏蔽權(quán)，尋找 該最優(yōu)權(quán)的準(zhǔn)則為在干擾處輸出為0，在目標(biāo)處輸出最大；(5) 根據(jù)一系列專門的最佳屏蔽權(quán)頻域矩陣算法，進(jìn)行反傅立葉變換可得 到輸出波形，也可進(jìn)行頻域積分得到輸出功率；(6) 后續(xù)相干處理或輸出經(jīng)聲屏蔽、聚焦后的功率。 本發(fā)明以聲屏蔽原理、方法為基礎(chǔ)，適用于水聲工程中抗多點(diǎn)源相干干擾，并且工程上可采用水平陣，更適合裝載在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上或海底固定使適用。本發(fā)明研究局部空間(而不是扇面內(nèi)的)的聲屏蔽技術(shù)，抑制屏蔽區(qū)內(nèi)聲源產(chǎn)生的到達(dá)信號(hào)，改善對(duì)該區(qū)域外目標(biāo)的探測(cè)性能，甚至可以屏蔽同一方向上不同距離處的任一聲源，而有效檢測(cè)另一聲源。本發(fā)明所謂的聲屏蔽是利用信號(hào)處理技術(shù)可在選定的局部區(qū)域內(nèi)抑制其中的聲源產(chǎn)生的相干干擾，從而改善對(duì)屏蔽區(qū)外目標(biāo)的探測(cè)性能。舉例來(lái)說(shuō)，拖船干擾是拖曳線列陣聲納的主要干擾，在拖船方向常造成約土2(T的強(qiáng)干擾扇面，采用自適應(yīng)波束形成技術(shù)可抑制該干擾，但在該扇面內(nèi)仍是探測(cè)盲區(qū)。聲屏蔽技術(shù)可在拖船區(qū)域設(shè)置屏蔽區(qū)，從而抑制拖船干擾，但在該 扇面內(nèi)屏蔽區(qū)外仍能有效探測(cè)目標(biāo)。此例說(shuō)明了本發(fā)明的聲屏蔽技術(shù)與傳統(tǒng)的陣 處理技術(shù)的本質(zhì)差別，聲屏蔽技術(shù)可有效抗多目標(biāo)干擾。本發(fā)明有廣泛的應(yīng)用前景。例如，多種主動(dòng)式和被動(dòng)式水聲設(shè)備在同頻段同 時(shí)工作時(shí)，會(huì)相互干擾，以致不能同時(shí)有效工作，可用于屏蔽拖船干擾，使拖曳 線列陣聲納能有效消除拖船方向的探測(cè)盲區(qū)。(四)


圖1 (a)和圖l(b)為球面波聲場(chǎng)中四元陣聲屏蔽及聲聚焦幾何圖。 圖2為多途信道中水平陣聲屏蔽及聚焦系統(tǒng)框圖。 圖3為抗拖船干擾聲屏蔽幾何態(tài)勢(shì)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述本發(fā)明的目的是不僅用于設(shè)置零點(diǎn)抗混響，而且用于設(shè)置屏蔽區(qū)抗相干噪聲 源干擾。并且本發(fā)明可應(yīng)用于水平陣(或單水聽器)，可適合裝載在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或 海底固定式使用，從而應(yīng)用更方便。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采取的多途信道中的聲屏蔽及聲聚焦實(shí)現(xiàn)包括如下步驟(1) 由聲速儀測(cè)量水的聲速，通過(guò)建模預(yù)報(bào)目標(biāo)和干擾的信道沖激響應(yīng)函 數(shù)，或者通過(guò)接收探測(cè)聲源的發(fā)射信號(hào)通過(guò)拷貝相關(guān)估計(jì)信道。(2) 水平接收陣接收聲場(chǎng)中的多個(gè)點(diǎn)源的輻射信號(hào)，放大濾波，然后進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集，包括需要探測(cè)的目標(biāo)(被聚焦目標(biāo))的輻射信號(hào)，和干擾信號(hào)(被屏 蔽目標(biāo))的輻射信號(hào)。(3) 對(duì)接收信號(hào)作快速傅立葉變換，在頻域采用相移補(bǔ)償?shù)那蛎娌晥?chǎng)陣 聚焦波束形成，或基于步驟(1)估計(jì)的信道得到被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡(TRM)相位 共軛譜，兩種方法是異曲同工的，均實(shí)現(xiàn)了球面波聲場(chǎng)中陣的聲聚焦，此時(shí)得到 的權(quán)值即為最佳聚焦權(quán)。(4) 在最佳聚焦權(quán)的基礎(chǔ)上，增加屏蔽因子，即得到最佳聚焦屏蔽權(quán)，尋找該最優(yōu)權(quán)的準(zhǔn)則為在干擾處輸出為0，在目標(biāo)處輸出最大，從而實(shí)現(xiàn)抗干擾的同時(shí)，對(duì)目標(biāo)聚焦。(5) 根據(jù)一系列專門的最佳屏蔽權(quán)頻域矩陣算法，進(jìn)行反傅立葉變換可得 到輸出波形，也可進(jìn)行頻域積分得到輸出功率。(6) 允許后續(xù)相干處理，從而提高水聲系統(tǒng)的探測(cè)能力。也可輸出經(jīng)聲屏蔽、聚焦后的功率。為簡(jiǎn)明說(shuō)明發(fā)明方法的物理機(jī)理，以球面波聲場(chǎng)中四元水平陣的聲聚焦及聲 屏蔽為例述如下。圖1 (a)和圖1(b)為球面波聲場(chǎng)中四元陣聲屏蔽及聲聚焦幾何圖。聲場(chǎng)中若有 兩個(gè)點(diǎn)源&和&，它們的輻射信號(hào)分別為z,(O和z"(O。希望探測(cè)z,(O，而屏蔽z (0，即屏蔽點(diǎn)設(shè)置在&處，而聚焦點(diǎn)在&處。各陣元輸出信號(hào)的相位差是由球面波傳播時(shí)延r決定的。^為&到第/陣元 的距離，r",為&到第/陣元的距離，c為聲速。7;,和7;,為傳播時(shí)延。對(duì)各陣元輸出進(jìn)行相位差(或者時(shí)延差)補(bǔ)償后加權(quán)相加即得到聚焦輸出。 可表述為<formula>formula see original document page 6</formula>可求得相應(yīng)的聚焦峰的功率。從而得到聚焦輸出的頻譜，即時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡 (TRM)相位共軛譜表示法。換而言之，TRM實(shí)現(xiàn)了球面波聲場(chǎng)中陣的聲聚焦。 在多途信道中，(由 Experimental demonstration of adaptive reverberation nulling using time reversal.《J.Acoust,soc.Am》,September 2005; 118(3):1381-1387可知，)對(duì)&屏蔽，且對(duì)《聚焦的最佳權(quán)w。p為<formula>formula see original document page 6</formula>時(shí)空濾波器w。p的輸出為<formula>formula see original document page 6</formula>其中被屏蔽分量yn為<formula>formula see original document page 6</formula>上式說(shuō)明&輻射的Z"(/)，它確實(shí)被屏蔽了。聚焦輸出y,，由(3)式可知h = zjhh:-h〖h:(h:h;;) h:h:] (5)上式右邊第一項(xiàng)即TRM共軛相位譜輸出，它是聚焦輸出；第二項(xiàng)為小量。只要 與S,和S2相聯(lián)系的信'道頻率響應(yīng)Hs和Hn相差較大，即二者的互譜較小，甚至二者是正交的，則(5)式可達(dá)到良好的聚焦效果。HsHn=0 (6)當(dāng)(6)式成立時(shí)，(5)式達(dá)到最佳效果。上述說(shuō)明了聲屏蔽及聲聚焦的原理。在圖l(b)的情況下，兩個(gè)點(diǎn)源均在陣的 端向連線上，在球面波條件下無(wú)法區(qū)分&和&，但在多途信道中H,和H。的差別很大，二者的相關(guān)性很小，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)&聚焦，對(duì)&屏蔽；或反之。 根據(jù)上述發(fā)明研究成果，本發(fā)明采用下述技術(shù)路線結(jié)合圖2?？疾於嗤拘诺乐杏袃蓚€(gè)點(diǎn)源&和&，分別輻射Z^和Z"0， 二 者互相獨(dú)立。用一個(gè)水平基陣屏蔽Z。(t)，而對(duì)Z、(/)聚焦，陣元數(shù)為N。 //51， //i2， ......， //^為&到各陣元間的信道頻率響應(yīng)。// 2， ......， //^為&到各陣元間的信道頻率響應(yīng)。"A)，......，；^W為各陣元接收的各向同性干擾噪聲，它們互相獨(dú)—、,:圖2中的最佳權(quán)W。^為W。,[1-H:(HX)-'H:]H: (7)上式中的H。為搜索信道矢量，當(dāng)搜索點(diǎn)與5\位置重合時(shí)有H0=HS (8)此時(shí)得到的聲屏蔽及聲聚焦輸出在形式上同(4)式和(5)式。這里以拖曳陣抗拖船干擾為例進(jìn)行的說(shuō)明本發(fā)明的研究應(yīng)用，研究表明聲屏 蔽抗拖船干擾效果良好，可以消除拖船方向的探測(cè)盲區(qū)。結(jié)合圖3。跟前面所述一致，^為需要探測(cè)的目標(biāo)(聚焦目標(biāo))，而52為拖船產(chǎn)生的干擾(屏蔽目標(biāo))，將其視為一點(diǎn)源，目標(biāo)和干擾都在水平陣的端射方 向。把目標(biāo)&輻射的信號(hào)與干擾&輻射的信號(hào)的功率比取分貝形式定義為"相干信噪比"，記為SNR;把目標(biāo)&、干擾&輻射的信號(hào)與本地噪聲的功率比取分貝形式定義為"非相干信噪比"，簡(jiǎn)稱"信噪比"，分別記為snrl和snr2。由聲速儀測(cè)量水的聲速。接收陣對(duì)接收水聲信號(hào)放大濾波，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集。用拷貝相關(guān)器估計(jì)信道的沖擊響應(yīng)，它的Fourier變換即為H、和H"，在PC機(jī)中按(7)式做聲屏蔽及聚焦分析。
權(quán)利要求
1、一種多途信道中的聲屏蔽方法，其特征是(1)由聲速儀測(cè)量水的聲速，通過(guò)建模預(yù)報(bào)目標(biāo)和干擾的信道沖激響應(yīng)函數(shù)，或者通過(guò)接收探測(cè)聲源的發(fā)射信號(hào)通過(guò)拷貝相關(guān)估計(jì)信道；(2)水平接收陣接收聲場(chǎng)中的多個(gè)點(diǎn)源的輻射信號(hào)，放大濾波，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集包括需要探測(cè)的目標(biāo)即被聚焦目標(biāo)的輻射信號(hào)和干擾信號(hào)即被屏蔽目標(biāo)的輻射信號(hào)；(3)對(duì)接收信號(hào)作快速傅立葉變換，在頻域采用相移補(bǔ)償?shù)那蛎娌晥?chǎng)陣聚焦波束形成，或基于步驟(1)估計(jì)的信道得到被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡(TRM)相位共軛譜，實(shí)現(xiàn)球面波聲場(chǎng)中陣的聲聚焦，得到的權(quán)值即為最佳聚焦權(quán)；(4)在最佳聚焦權(quán)的基礎(chǔ)上，增加屏蔽因子，得到最佳聚焦屏蔽權(quán)，尋找該最優(yōu)權(quán)的準(zhǔn)則為在干擾處輸出為0，在目標(biāo)處輸出最大；(5)根據(jù)一系列專門的最佳屏蔽權(quán)頻域矩陣算法，進(jìn)行反傅立葉變換可得到輸出波形，也可進(jìn)行頻域積分得到輸出功率；(6)后續(xù)相干處理或輸出經(jīng)聲屏蔽、聚焦后的功率。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種多途信道中的聲屏蔽方法。由聲速儀測(cè)量水的聲速；水平接收陣接收聲場(chǎng)中的多個(gè)點(diǎn)源的輻射信號(hào)，放大濾波，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；實(shí)現(xiàn)球面波聲場(chǎng)中陣的聲聚焦，得到的權(quán)值即為最佳聚焦權(quán)；在最佳聚焦權(quán)的基礎(chǔ)上，增加屏蔽因子，得到最佳聚焦屏蔽權(quán)；進(jìn)行反傅立葉變換可得到輸出波形，也可進(jìn)行頻域積分得到輸出功率；后續(xù)相干處理或輸出經(jīng)聲屏蔽、聚焦后的功率。本發(fā)明以聲屏蔽原理、方法為基礎(chǔ)，適用于水聲工程中抗多點(diǎn)源相干干擾，并且工程上可采用水平陣，更適合裝載在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上或海底固定使適用。
文檔編號(hào)H04B13/00GK101335574SQ20081013682
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者赟 余, 娟 惠, 惠俊英, 趙安邦 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)