專利名稱：一種拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種海洋地震勘探和拖曳線列陣聲 納中拖船自噪聲的抑制方法。
背景技術(shù)：
對(duì)淺海工作的拖曳線列陣地震勘探及聲納系統(tǒng)而言，拖船/本艦自噪聲是主要的 干擾源。空間擴(kuò)展的強(qiáng)干擾源(包括其旁瓣/柵瓣)對(duì)地層反射信號(hào)/弱目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè) 帶來嚴(yán)重的影響。圖1是拖船噪聲對(duì)聲學(xué)陣列的干擾示意圖，如圖1所示，由于海底、海面 反射，拖船噪聲通過多條路徑作用于水聽器陣列上，使得拖船噪聲干擾本身具有十分復(fù)雜 的時(shí)空結(jié)構(gòu)，極大地降低了常規(guī)的自適應(yīng)干擾抵消處理方法的工作性能。顯然，拖船噪聲的 復(fù)雜時(shí)空結(jié)構(gòu)是造成其難以抵消的重要原因之一。利用干擾與目標(biāo)信號(hào)在空間方位上的差異，可以對(duì)干擾進(jìn)行抑制。最早提出的方 法是Frost波束形成方法，通過在空頻二維空間上進(jìn)行最優(yōu)處理，處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程中難 以實(shí)現(xiàn)。雷達(dá)中常用的干擾抵消方法是Griffith給出廣義旁瓣抵消結(jié)構(gòu)(GSC)，圖2是廣 義旁瓣抵消器(GSC/PID)的一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2的算法框圖所示，其中的信號(hào)通道由 常規(guī)波束形成得到，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)阻塞通道來提取干擾和噪聲，圖2所示的算法直接對(duì)干 擾方向預(yù)波束形成，然后利用噪聲抵消方法消除信號(hào)通道內(nèi)的干擾分量；即先進(jìn)行空域波 束形成，后完成時(shí)域干擾抑制。實(shí)際使用中，該方法要求具有干擾分量的先驗(yàn)信息(包括干 擾方向和頻域特征)。另外，在1969年，Capon基于接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣處理，自適應(yīng)抑制 非視在方向的干擾，即最小無畸變方差法(MVDR)。MVDR方法的基本約束是對(duì)信號(hào)分量相干 疊加(無畸變輸出)，同時(shí)使波束輸出的噪聲最小化。其優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先知道干擾的方 位，并以較大自由度抑制非目標(biāo)方位干擾源的旁瓣影響。但由于MVDR方法是窄帶處理，需 要矩陣求逆運(yùn)算，因此實(shí)際使用時(shí)需要相當(dāng)高的計(jì)算代價(jià)，同時(shí)算法對(duì)陣形變化非常敏感， 這也制約了其實(shí)際工作性能。目前，上述這些自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)經(jīng)過改進(jìn)，已在聲納工程中得到應(yīng)用。如美國(guó) 的AN/SQR19戰(zhàn)術(shù)拖曳線列陣聲納，采用了波束形成后干擾抵消(PIC)技術(shù)，它是利用端射 波束作參考輸入，預(yù)成多波束作主輸入進(jìn)行自適應(yīng)干擾抵消。在PIC的基礎(chǔ)上，可以將波 束域抵消技術(shù)推廣到陣元域(EIC)上進(jìn)行干擾抵消，即把自適應(yīng)干擾抵消放在波束形成之 前。圖3是陣元域干擾抵消方法(EIC)的一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示，首先得到干擾波 束輸出，經(jīng)時(shí)延后作為干擾參考信號(hào)對(duì)陣元輸出進(jìn)行干擾抵消，然后再對(duì)干擾抵消后的陣 元輸出進(jìn)行波束形成，這樣經(jīng)過自適應(yīng)干擾抵消和波束形成兩次抵消，可以去除更多的拖 船干擾。然而實(shí)際海試的抵消效果并不理想。原因是這種把固定波束作參考輸入的抵消方 法只能抵消部分干擾，同時(shí)還存在信號(hào)失真問題。近年來，基于窄帶信號(hào)模型，在信號(hào)特征子空間分解的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一些新的干 擾抑制方法，如Himg-TurneHHT)算法求出波束方向矢量在干擾的正交補(bǔ)空間的投影，并 以該投影矢量作為新的方向矢量完成波束形成，可以有效抑制多個(gè)干擾源的影響，這樣，干擾抑制性能的好壞決定于干擾子空間的劃分是否準(zhǔn)確。在干擾空間(特征向量空間)比較 穩(wěn)定的條件下，這類子空間分解方法可以得到接近最佳意義上的干擾抑制性能，但在實(shí)際 水下拖曳聲陣的應(yīng)用中，由于拖船干擾子空間本身隨傳播通道變化而變化，難以進(jìn)行準(zhǔn)確 估計(jì)，導(dǎo)致性能下降。此外，子空間方法對(duì)應(yīng)著復(fù)雜的計(jì)算過程，因此子空間類方法在實(shí)際 工程中很少采用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有水下聲學(xué)陣列干擾抑制方法中對(duì)復(fù)雜時(shí)變、空間擴(kuò) 展干擾的抑制效果差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)算復(fù)雜度高的缺點(diǎn)和不足，提供一種新的拖曳聲學(xué)陣 列的拖船噪聲抑制方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明針對(duì)目前現(xiàn)有水下聲學(xué)陣列干擾抑制方法中系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，干擾抑制性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，根據(jù)拖船噪聲遠(yuǎn)高于待測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)(通常淺海條件 要大于20dB，如果拖船噪聲不是壓制性的，則實(shí)際工作中沒有必要進(jìn)行干擾抑制處理)，通 過對(duì)鄰近陣元進(jìn)行自適應(yīng)抵消，然后對(duì)抵消后的輸出進(jìn)行常規(guī)波束形成，可以消除強(qiáng)干擾 的柵瓣和旁瓣影響，改進(jìn)微弱信號(hào)的檢測(cè)性能。因此，本發(fā)明提供的一種拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法，是一種相鄰陣元抵 消波束形成的方法，包括如下步驟101)設(shè)定相關(guān)閾值及參數(shù)對(duì)各陣元的接收信號(hào)進(jìn)行前置調(diào)理；包括放大、濾波、 增益控制、AD量化以及傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)；并設(shè)定所需的基本參數(shù)，包括脈沖判決門限、自適應(yīng) 步長(zhǎng)以及故障通道判決門限；102)在信號(hào)處理系統(tǒng)中，對(duì)接收數(shù)字信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理，根據(jù)參與抵消的陣 元間距，確定濾波的通帶；參與抵消處理的頻帶選擇公式為0. 3 0. 4fd彡f 彡1 1. 3fd，其中，參考頻率 fd = c/2D ；D為本發(fā)明中采用的相鄰陣元間距，c為聲速；103)根據(jù)噪聲電平相對(duì)于接收信號(hào)幅度的差值進(jìn)行閾值判決，檢測(cè)脈沖干擾；在 脈沖作用時(shí)間內(nèi)，令干擾抵消濾波器的權(quán)值停止更新，設(shè)置自適應(yīng)步長(zhǎng)P =0;其中，各陣元的環(huán)境噪聲電平估計(jì)方法如下將第n陣元的數(shù)據(jù)分成包含K個(gè)采樣點(diǎn)的小段，求出平均值a^^WxlimK + k)
V
_6]對(duì)集合(^^，...乂^ j進(jìn)行排序，使< C…-⑶< #，取
中間部分的平均值作為環(huán)境噪聲電平1Pn{m)=丨/([2M/3]-[M/3] + 1)淇中，[ ]為取整函數(shù)，然后，根據(jù)設(shè)定的脈沖判決n (通常取4 8的常數(shù))，當(dāng)超過一半的陣元電平 > 時(shí)，可判斷存在脈沖干擾；104)對(duì)每一批次數(shù)據(jù)，歸一化各接收通道信號(hào)能量對(duì)各陣元除以幅值調(diào)整系數(shù)Pn(m)，該系數(shù)由通道長(zhǎng)時(shí)間能量平均得到，
x' n(mK+k) = xn(mK+k)/Pn(m) ;m = 1，2，. .M ;k = 1，2， ，K ；105)對(duì)聲陣相鄰陣元進(jìn)行自適應(yīng)抵消處理先對(duì)平臺(tái)干擾進(jìn)行自適應(yīng)時(shí)、空抵 消，然后再進(jìn)行常規(guī)空間處理，根據(jù)選取的相鄰陣元進(jìn)行自適應(yīng)抵消時(shí)，其自適應(yīng)處理算法可以采用LMS(LeaSt Mean Squares,最小均方誤差法)、RLS (Recursive Least Squares,遞歸最小二乘)、 TLS (Total Least Squares，總體最小二乘)以及變步長(zhǎng)算法，其中，當(dāng)采用LMS算法時(shí)，其自適應(yīng)權(quán)值更新公式準(zhǔn)則為yn(k) = ￡n=xn(k)-xTn+l(k)^\k)w(k+l) = w (k) + u e kxn+1 (k)式中，x' n為第n陣元?dú)w一化輸出序列；yn(k)為第n個(gè)干擾抵消通道輸出；P為 自適應(yīng)步長(zhǎng)，用于控制干擾抵消器的收斂速度，其取值在0. 001 0. 01之間；106)根據(jù)抵消器輸出的幅度，對(duì)失效陣元或失效抵消器通道進(jìn)行剔除包含失效陣元時(shí)抵消器不能正常工作，相應(yīng)抵消器輸出幅度與輸入信號(hào)變化不大 (正常條件，輸出幅度將衰減10 20dB)，從而根據(jù)輸出幅度判斷抵消器是否失效，可以避 免復(fù)雜的陣元信號(hào)完整性分析。估計(jì)每抵消通道的輸出平均能量，共得到N-1通道的平均能量Qn，經(jīng)排序后取中間 1/3的通道能量平均值QT，如果第n通道的能量Qn> 3 *QT，其中，3取值在3 5之間， 則判定該通道為失效通道，并且不參與后續(xù)步驟107)的波束形成處理，該步驟106)最終得 到P組正常通道輸出，其中P彡N ；107)對(duì)各相鄰陣元抵消器輸出進(jìn)行常規(guī)波束形成，其中，各通道虛擬陣元的位置 為參與抵消的雙陣元的中心，對(duì)所述步驟106)中得到的P組正常通道輸出進(jìn)行常規(guī)波束形成
Pb(0ik) = Y,yi(k-^ri)；其中，各陣元的相對(duì)時(shí)延A Ti= [ifsDcos0/c], [ ]為取整運(yùn)算，fs為采樣頻 率，D為選取的相鄰陣元間距，e為波束方向，c為聲速；108)對(duì)波束形成結(jié)果進(jìn)行圖像均衡，獲得清晰的圖像顯示。本發(fā)明的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法的有益效果在于本發(fā)明的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法，通過空間臨近陣元干擾分量強(qiáng)相關(guān) 的特點(diǎn)進(jìn)行干擾抵消，然后對(duì)干擾抵消器輸出完成波束形成處理，即先進(jìn)行干擾抵消，后進(jìn) 行波束形成。由于經(jīng)自適應(yīng)干擾抵消后，拖船干擾的能量大為降低(實(shí)際可望降至與地層 反射信號(hào)或遠(yuǎn)程目標(biāo)噪聲同一接收聲壓級(jí)水平)，基本可以忽略平臺(tái)干擾的柵、旁瓣對(duì)地層 剖面及目標(biāo)檢測(cè)的影響。該方法分別在時(shí)域和空域進(jìn)行干擾抑制，實(shí)際干擾抵消效果良好， 可以消除強(qiáng)干擾的柵瓣和旁瓣影響，改進(jìn)微弱信號(hào)的檢測(cè)性能。并且該方法對(duì)運(yùn)算復(fù)雜度 要求較低，工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有非常好的實(shí)用價(jià)值。
圖1是拖船噪聲對(duì)聲學(xué)陣列的干擾示意圖，也是本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用背景示意圖； 反映了拖曳平臺(tái)噪聲對(duì)測(cè)量聲陣的干擾途徑。
圖2是廣義旁瓣抵消器(GSC/PID)的一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。圖3是陣元域干擾抵消方法(EIC)的一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。圖4是本發(fā)明的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法的流程圖。圖5是本發(fā)明的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法中的波束形成的過程實(shí)現(xiàn)示 意框圖。圖6是本發(fā)明的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法中的相鄰陣元干擾抵消器的 基本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。圖7(a)是現(xiàn)有的平臺(tái)干擾條件下常規(guī)處理后的拖曳線列陣聲納的輸出結(jié)果示意 圖；圖7(b)是利用本發(fā)明的方法進(jìn)行干擾抵消后數(shù)據(jù)處理后的拖曳線列陣聲納的輸出結(jié) 果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法作 進(jìn)一步詳細(xì)描述。這里，本發(fā)明的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法可通過低頻拖曳線列陣系統(tǒng)來 實(shí)現(xiàn)，對(duì)更低頻段(10Hz 60Hz)的海洋地震勘探拖曳聲陣亦可類似處理。圖4是本發(fā)明的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法的流程圖；圖5是本發(fā)明的拖 曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法中的波束形成的過程實(shí)現(xiàn)示意框圖；圖6是本發(fā)明的拖曳 聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法中的相鄰陣元干擾抵消器的基本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4所示，本發(fā)明的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法，是一種相鄰陣元抵消波 束形成的方法，包括如下步驟101)設(shè)定相關(guān)閾值及參數(shù)對(duì)各陣元的接收信號(hào)進(jìn)行前置調(diào)理，包括；放大、濾 波、增益控制、AD量化及傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)；并設(shè)定所需的基本參數(shù)，包括脈沖判決門限、自適應(yīng) 步長(zhǎng)、故障通道判決門限等經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，本發(fā)明為一種基陣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理方法，實(shí)際工程中首先需要對(duì)各陣元輸出進(jìn)行 信號(hào)調(diào)理，包括前放和濾波、同步采樣及A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，某些系統(tǒng)還包括自動(dòng)增益控制 (AGC)和時(shí)間增益控制(TGC)等，這里不對(duì)此一般性過程展開描述。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，首先需要設(shè)定算法中的基本參數(shù)，包括脈沖判決門限、自適 應(yīng)步長(zhǎng)、故障通道判決門限等經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)在步驟101)中進(jìn)行設(shè)置，具體參 數(shù)在以下相關(guān)步驟中給出取值范圍。102)在信號(hào)處理系統(tǒng)中，對(duì)接收數(shù)字信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理，根據(jù)參與抵消的陣 元間距，確定濾波的通帶；具體參與抵消處理的頻帶選擇公式為0. 3 0. 4fd < f < 1 1. 3fd，其中，參考 頻率fd = c/2D ；D為本發(fā)明中采用的相鄰陣元間距，c為聲速；在獲得各陣元輸出數(shù)字序列后，在步驟102)中進(jìn)行濾波。由前面的討論，相對(duì)于 參考頻率fd，當(dāng)聲波頻率f > fd時(shí)，波束形成時(shí)將會(huì)出現(xiàn)柵瓣，而在聲波頻率f < < fd時(shí)，在 干擾抵消環(huán)節(jié)時(shí)將會(huì)使其他方向的有用信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減，從而增加了流噪等不相干噪 聲的作用，因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)頻段進(jìn)行劃分，然后再分別采用相鄰陣元抵消方法。 通常的頻帶選擇公式為0. 3 0. 4fd彡f彡1 1. 3fd，實(shí)施例中假定需處理的信號(hào)頻段為100Hz 1kHz，聲陣的陣元間距等于0. 75m(為避免波束柵瓣干擾，陣元間距需小于等于最 高頻率聲波長(zhǎng)的二分之一)。根據(jù)需處理的頻帶寬度和抵消方法對(duì)頻帶的要求對(duì)頻段進(jìn)行 劃分，例如，這里可以根據(jù)本發(fā)明對(duì)處理帶寬的要求(即0. 3 0. 4fd<f < 1 1. 3fd)劃分 為二個(gè)頻段分別進(jìn)行處理100 300Hz (相鄰陣元選擇方式為間隔二個(gè)陣元，間距2. 25m) 和300Hz 1kHz (相鄰陣元間距0. 75m)。下面以300Hz 1kHz頻段的處理過程為例說明 本發(fā)明的步驟，其他頻段處理可以類似進(jìn)行。在步驟102)中，通過預(yù)先設(shè)計(jì)的FIR濾波器(濾波通帶300Hz 1kHz)對(duì)各通 道輸出進(jìn)行濾波。103)根據(jù)噪聲電平相對(duì)于接收信號(hào)幅度的差值進(jìn)行閾值判決，檢測(cè)脈沖干擾，在 脈沖作用時(shí)間內(nèi)，令干擾抵消濾波器的權(quán)值停止更新，即設(shè)置自適應(yīng)步長(zhǎng)P =0;該步驟103)為檢測(cè)脈沖干擾，脈沖干擾包括地震勘探中的氣槍、爆炸聲脈沖，主 動(dòng)聲納的發(fā)射脈沖以及其他不明原因的脈沖干擾。由于脈沖干擾的幅度很大，可以顯著改 變干擾抵消過程的濾波器權(quán)值(通常采用小的調(diào)整步長(zhǎng)以得到好的干擾抑制效果)，這樣 系統(tǒng)需要較長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)到拖船噪聲干擾抑制狀態(tài)。為了消除脈沖干擾對(duì)自適應(yīng)噪聲抵消過 程的影響，本發(fā)明在檢測(cè)到脈沖聲時(shí)令自適應(yīng)步長(zhǎng)11 =0。該步驟103)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為脈沖 判決，作為一個(gè)實(shí)施例，這里可以采用文獻(xiàn)(徐克航王磊孫長(zhǎng)瑜，基于通用數(shù)據(jù)采集卡的水 聲應(yīng)答器設(shè)計(jì)，應(yīng)用聲學(xué)，27 (6)，427-432，2008)中的脈沖判決方法，根據(jù)接收聲壓大于環(huán) 境噪聲電平一定幅值來判斷脈沖發(fā)生時(shí)間。在這一步驟中對(duì)于主動(dòng)聲納和地震探測(cè)(包括 氣槍、電火花聲源等)中的可控聲源，可以直接給出脈沖干擾作用時(shí)間。由于各陣元接收環(huán) 境噪聲電平在步驟106中要用到，這里給出各陣元的環(huán)境噪聲電平估計(jì)方法將第n陣元的數(shù)據(jù)分成包含K個(gè)采樣點(diǎn)的小段，求出平均值
中間部分的平均值作為環(huán)境噪聲電平 其中[ ]為取整函數(shù)。根據(jù)設(shè)定的脈沖判決n (通常取4 8的常數(shù))，當(dāng)超過 一半的陣元電平> rjP (m)時(shí)，可判斷存在脈沖干擾。104)對(duì)每一批次數(shù)據(jù)，歸一化各接收通道信號(hào)能量；該步驟104)中對(duì)各通道輸出進(jìn)行歸一化處理，即對(duì)各陣元除以幅值調(diào)整系數(shù) Pn(m)，該系數(shù)由通道長(zhǎng)時(shí)間能量平均得到，即x' n(mK+k) = xn(mK+k)/Pn(m) ;m = 1，2，. .M ;k = 1，2， ，K ；105)對(duì)聲陣相鄰陣元進(jìn)行自適應(yīng)抵消處理先對(duì)平臺(tái)干擾進(jìn)行自適應(yīng)時(shí)、空抵 消，然后再進(jìn)行常規(guī)空間處理。該步驟105)是本發(fā)明的核心過程，根據(jù)選取的相鄰陣元進(jìn)行自適應(yīng)抵消，其處理 框圖如圖5和圖6所示，其中x' n為第n陣元?dú)w一化輸出序列，yn(k)為第n個(gè)干擾抵消通 道輸出，與常規(guī)Widrow噪聲抵消器的不同之處在于參考噪聲輸入為相鄰陣元接收信號(hào)。這 ax2n (mK + k) K \ m = 1,2:里，自適應(yīng)處理的算法采用最小均方誤差法(LMS :Least MeanSquares)，則自適應(yīng)權(quán)值更新 公式準(zhǔn)則為 其中，u為自適應(yīng)步長(zhǎng)，用于控制干擾抵消器的收斂速度，需要根據(jù)海區(qū)的空間變 化情況設(shè)定相應(yīng)的步長(zhǎng)，一般的淺海陸架條件下，自適應(yīng)步長(zhǎng)y取值在0.001 0.01之 間。應(yīng)當(dāng)指出的是，這里可以使用的自適應(yīng)處理算法有很多，包括RLS(ReCursive Least Squares，遞歸最小二乘)、TLS (Total Least Squares，總體最小二乘)以及變步長(zhǎng)算法等 等，可以根據(jù)具體情況予以取舍。106)根據(jù)抵消器輸出的幅度，對(duì)失效陣元或失效抵消器通道進(jìn)行剔除。當(dāng)包含失 效陣元時(shí)抵消器不能正常工作，相應(yīng)抵消器輸出幅度與輸入信號(hào)變化不大(正常條件，輸 出幅度將衰減10 20dB)，從而根據(jù)輸出幅度判斷抵消器是否失效，可以避免復(fù)雜的陣元 信號(hào)完整性分析。該步驟106)為失效通道剔除環(huán)節(jié)，由于聲學(xué)陣列在實(shí)際使用過程中因?yàn)楦鞣N故 障情況使得陣元輸出異常，包括壓電材料物理特性變化導(dǎo)致的靈敏度差異、傳輸線路退化 導(dǎo)致的強(qiáng)工頻/電噪聲、無信號(hào)、串?dāng)_以及信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)等故障。在常規(guī)的“時(shí)延-加和” 波束形成中，經(jīng)歸一化的失效陣元相當(dāng)于對(duì)波束輸出增加了一定量的噪聲電平，對(duì)系統(tǒng)整 體性能影響較小。在本發(fā)明算法中，由于失效陣元不能進(jìn)行良好的抵消，包含失效陣元的抵 消器輸出幅度比正常陣元抵消器輸出要大得多(正常條件，輸出幅度將衰減10 20dB)，這 樣對(duì)隨后的波束形成過程十分有害，因此需要在波束形成之前對(duì)失效通道進(jìn)行剔除。本發(fā) 明的方法中，不采取在抵消前對(duì)失效陣元進(jìn)行剔除，而是通過干擾抵消的輸出幅值進(jìn)行失 效通道去除，可以極大降低失效陣元剔除的難度和復(fù)雜性，這是本發(fā)明的一個(gè)顯著特征。具 體方法是估計(jì)每抵消通道的輸出平均能量，共得到N-1通道的平均能量Qn，與步驟103中環(huán) 境噪聲電平的估計(jì)相似，經(jīng)排序后取中間1/3的通道能量平均值QT，如果第n通道的能量Qn > 3 *QT，其中0取值在3 5之間，則判定該通道為失效通道，并且不參與步驟107的波 束形成處理。步驟106)最終將得到(P ( N)組正常通道輸出。107)對(duì)各相鄰陣元抵消器輸出進(jìn)行常規(guī)波束形成，其中，各通道虛擬陣元的位置 為參與抵消的雙陣元的中心。在步驟107)中，對(duì)P組干擾抵消器輸出(剔除失效通道)進(jìn)行常規(guī)波束形成 其中，各陣元的相對(duì)時(shí)延A Ti= [ifsDcos0/c], [ ]為取整運(yùn)算，fs為采樣頻 率，D為選取的相鄰陣元間距，e為波束方向，c為聲速。108)對(duì)波束形成結(jié)果進(jìn)行圖像均衡，獲得清晰的圖像顯示。該步驟108)為對(duì)波束形成結(jié)果，即方位歷程圖，進(jìn)行背景均衡，改善圖像顯示的 視覺效果。這一環(huán)節(jié)在實(shí)際使用時(shí)是必要的，因?yàn)樵谧赃m應(yīng)抵消環(huán)節(jié)中，各陣元的非相干噪 聲分量不能抵消，相當(dāng)于將噪聲電平抬高了約3dB，需要在圖像顯示時(shí)，對(duì)噪聲電平進(jìn)行抑 制。具體的方法是，對(duì)步驟107)的每一數(shù)據(jù)塊處理輸出(對(duì)方位能量取對(duì)數(shù)，并經(jīng)平滑處 理)，找出最小和最大值，令最小值對(duì)應(yīng)灰度為0，最大值對(duì)應(yīng)灰度為255，其他數(shù)值在兩者間線形分布，直接按照灰度值進(jìn)行圖像顯示。圖7(a)是現(xiàn)有的平臺(tái)干擾條件下常規(guī)處理后的拖曳線列陣聲納的輸出結(jié)果示意 圖；圖7(b)是利用本發(fā)明的方法進(jìn)行干擾抵消后數(shù)據(jù)處理后的拖曳線列陣聲納的輸出結(jié) 果示意圖。如圖7(a)以及圖7(b)所示，可以看到經(jīng)過干擾抵消處理后，拖船噪聲被極大地 抑制，其旁瓣對(duì)目標(biāo)的干擾也很好的消除。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法，是一種相鄰陣元抵消波束形成的方法，包括如下步驟101)設(shè)定相關(guān)閾值及參數(shù)對(duì)各陣元的接收信號(hào)進(jìn)行前置調(diào)理，包括放大、濾波、增益控制、AD量化以及傳輸；并設(shè)定所需的基本參數(shù)，包括脈沖判決門限、自適應(yīng)步長(zhǎng)以及故障通道判決門限；102)在信號(hào)處理系統(tǒng)中，對(duì)接收數(shù)字信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理，根據(jù)參與抵消的陣元間距，確定濾波的通帶；103)根據(jù)噪聲電平相對(duì)于接收信號(hào)幅度的差值進(jìn)行閾值判決，檢測(cè)脈沖干擾，在脈沖作用時(shí)間內(nèi)，令干擾抵消濾波器的權(quán)值停止更新，設(shè)置自適應(yīng)步長(zhǎng)μ＝0；其中，各陣元的環(huán)境噪聲電平估計(jì)方法如下將第n陣元的數(shù)據(jù)分成包含K個(gè)采樣點(diǎn)的小段，求出平均值 <mrow><msubsup> <mi>a</mi> <mi>m</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>=</mo><msqrt> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mi>K</mi> </munderover> <msubsup><mi>x</mi><mi>n</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mrow><mo>(</mo><mi>mK</mi><mo>+</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>K</mi></msqrt><mo>;</mo> </mrow>m＝1，2，…；對(duì)集合進(jìn)行排序，使取中間部分的平均值作為環(huán)境噪聲電平 <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mo>[</mo><mi>M</mi><mo>/</mo><mn>3</mn><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mo>[</mo><mn>2</mn><mi>M</mi><mo>/</mo><mn>3</mn><mo>]</mo> </mrow></munderover><msubsup> <mover><mi>a</mi><mo>‾</mo> </mover> <mrow><mi>m</mi><mo>-</mo><mi>l</mi> </mrow> <mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mo>/</mo><mrow> <mo>(</mo> <mo>[</mo> <mn>2</mn> <mi>M</mi> <mo>/</mo> <mn>3</mn> <mo>]</mo> <mo>-</mo> <mo>[</mo> <mi>M</mi> <mo>/</mo> <mn>3</mn> <mo>]</mo> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>其中，[·]為取整函數(shù)，然后，根據(jù)設(shè)定的脈沖判決η，當(dāng)超過一半的陣元電平時(shí)，可判斷存在脈沖干擾；這里，η通常取4～8的常數(shù)；104)對(duì)每一批次數(shù)據(jù)，歸一化各接收通道信號(hào)能量對(duì)各陣元除以幅值調(diào)整系數(shù)Pn(m)，該系數(shù)由通道長(zhǎng)時(shí)間能量平均得到，x′n(mK+k)＝xn(mK+k)/Pn(m)；m＝1，2，...M；k＝1，2，...，K；105)對(duì)聲陣相鄰陣元進(jìn)行自適應(yīng)抵消處理先對(duì)平臺(tái)干擾進(jìn)行自適應(yīng)時(shí)、空抵消，然后再進(jìn)行常規(guī)波束形成處理，根據(jù)選取的相鄰陣元進(jìn)行自適應(yīng)抵消時(shí)，其自適應(yīng)處理算法包括最小均方誤差法、遞歸最小二乘法、總體最小二乘法以及變步長(zhǎng)算法；其中，當(dāng)采用最小均方誤差法時(shí)，其自適應(yīng)權(quán)值更新公式準(zhǔn)則為 <mrow><msub> <mi>y</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msubsup> <mi>x</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>T</mi></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>w</mi> <mo>*</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>w(k+1)＝w(k)+μεkxn+1(k)式中，x′n為第n陣元?dú)w一化輸出序列；yn(k)為第n個(gè)干擾抵消通道輸出；μ為自適應(yīng)步長(zhǎng)，用于控制干擾抵消器的收斂速度，其取值在0.001～0.01之間；106)根據(jù)抵消器輸出的幅度，對(duì)失效陣元或失效抵消器通道進(jìn)行剔除估計(jì)每抵消通道的輸出平均能量，共得到N-1通道的平均能量Qn，經(jīng)排序后取中間1/3的通道能量平均值QT，如果第n通道的能量Qn＞β·QT，其中，β取值在3～5之間，則判定該通道為失效通道，并且不參與后續(xù)步驟107)的波束形成處理，該步驟106)最終得到P組正常通道輸出，其中P≤N；107)對(duì)各相鄰陣元抵消器輸出進(jìn)行常規(guī)波束形成，其中，各通道虛擬陣元的位置為參與抵消的雙陣元的中心，對(duì)所述步驟106)中得到的P組正常通道輸出進(jìn)行常規(guī)波束形成 <mrow><mi>b</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>θ</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>P</mi></munderover><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>Δ</mi> <msub><mi>τ</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>其中，各陣元的相對(duì)時(shí)延Δτi＝[ifsDcosθ/c]，[·]為取整運(yùn)算，fs為采樣頻率，D為選取的相鄰陣元間距，θ為波束方向，c為聲速；108)對(duì)波束形成結(jié)果進(jìn)行圖像均衡，獲得清晰的圖像顯示。F2009102359484C0000012.tif,F2009102359484C0000013.tif,F2009102359484C0000015.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法，其特征在于，所述步驟102)中，通過預(yù)先設(shè)計(jì)的FIR濾波器對(duì)各通道輸出進(jìn)行濾波，并且根據(jù)頻帶寬度和抵消方 法對(duì)頻帶的要求劃分頻段，然后再分別采用相鄰陣元抵消進(jìn)行處理；參與抵消處理的頻帶選擇公式為0. 3 0. 4fd彡f彡1 1. 3fd，其中，參考頻率fd = c/2D ；D為本發(fā)明中采用的相鄰陣元間距，c為聲速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法，其特征在于，所述步驟103)中，檢測(cè)脈沖干擾時(shí)，根據(jù)接收聲壓大于環(huán)境噪聲電平一定幅值來判斷脈沖發(fā)生時(shí)間； 對(duì)于主動(dòng)聲納和地震探測(cè)中的可控聲源，則直接給出脈沖干擾作用時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法，其特征在于，所述步驟 108)中，對(duì)所述步驟107)的每一數(shù)據(jù)塊處理輸出，找出最小和最大值，令最小值對(duì)應(yīng)灰度 為0，最大值對(duì)應(yīng)灰度為255，其他數(shù)值在兩者間線形分布，直接按照灰度值進(jìn)行圖像顯示。
全文摘要
本發(fā)明提供一種拖曳聲學(xué)陣列的拖船噪聲抑制方法，通過空間臨近陣元干擾分量強(qiáng)相關(guān)的特點(diǎn)進(jìn)行干擾抵消，然后對(duì)干擾抵消器輸出完成波束形成處理。包括設(shè)定相關(guān)閾值及參數(shù)；帶通濾波；脈沖干擾檢測(cè)；通道歸一化處理；相鄰陣元抵消；失效通道剔除；常規(guī)波束形成以及偏移成像；圖像背景均衡等處理過程。通過對(duì)鄰近陣元進(jìn)行自適應(yīng)抵消，然后對(duì)抵消后的輸出進(jìn)行常規(guī)波束形成，使拖船干擾的能量大為降低，從而可以消除強(qiáng)干擾的柵瓣和旁瓣影響，改進(jìn)微弱信號(hào)的檢測(cè)性能。另外，本發(fā)明的方法由于分別在時(shí)域和空域進(jìn)行干擾抑制，實(shí)際干擾抵消效果良好，并且對(duì)運(yùn)算復(fù)雜度要求較低，工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01V1/36GK101876715SQ200910235948
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者孫長(zhǎng)瑜, 王磊, 靳曉寧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所