聲納浮標(biāo)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(shè)備主要有吊放式聲納和聲納浮標(biāo)，其中聲納浮標(biāo)體積小，可攜帶數(shù)量多，效率高，布放和使用方便，與其他搜潛設(shè)備兼容性好，被廣泛應(yīng)用在各種航空反潛平臺上。近年來隨著水聽器技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，聲納浮標(biāo)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(jī)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(dāng)反潛飛機(jī)低空飛行或懸停時，其輻射噪聲會透過海面在海水中傳播，具有弱信號探測能力的聲納浮標(biāo)容易受到其干擾。

本文假設(shè)存在空中噪聲干擾時，以采用單矢量水聽器的聲納浮標(biāo)為應(yīng)用平臺，通過自適應(yīng)信號處理技術(shù)抵消空中噪聲干擾。以最小均方誤差(LMS)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，提出兩種自適應(yīng)抵消空中噪聲的方法，并通過仿真對比研究兩者性能差異。

1 存在空中噪聲時聲納浮標(biāo)的方位估計(jì)

以具有典型空中噪聲特征的直升機(jī)為例，其噪聲會對浮標(biāo)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(jī)噪聲特點(diǎn)相近，潛艇噪聲包括機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三大類，也是由連續(xù)譜噪聲和主要集中在低頻段(小于1 kHz)的非連續(xù)線譜分量所組成，線譜基頻主要集中在1~100 Hz頻段內(nèi)。

對存在直升機(jī)噪聲干擾的方位估計(jì)進(jìn)行仿真分析。

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

結(jié)果表明浮標(biāo)對目標(biāo)的方位估計(jì)有偏差，由干擾和目標(biāo)的聲能流合成方位，且估計(jì)結(jié)果偏向能量高的一方。

由于目標(biāo)和干擾信號中都具有較強(qiáng)的線譜分量，矢量水聽器可以采用直方圖和加權(quán)直方圖法進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)，估計(jì)結(jié)果如圖1,圖2所示。

由圖1,圖2可知，當(dāng)有多個相干聲源存在時，若連續(xù)譜頻帶大部分重合，則直方圖法的方位估計(jì)結(jié)果受干擾影響比較大，不能估計(jì)目標(biāo)方位。為突出線譜分量的作用，采用加權(quán)直方圖法時，只要各聲源輻射噪聲的線譜分量不完全重合，矢量水聽器則可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的方位估計(jì)，但不能識別目標(biāo)和干擾。

2 空中噪聲干擾自適應(yīng)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(shù)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(yīng)干擾抵消器抑制空中噪聲。

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

2.1 空中平臺噪聲為參考信號

在浮標(biāo)的水上部分加裝一個矢量微音器，實(shí)時采集空中噪聲，水下部分用矢量水聽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(shè)二維空間中水下目標(biāo)位置(-100 m,-500 m);空中平臺為直升機(jī)，位置(500 m,300 m);設(shè)定直升機(jī)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(quán)直方圖方位估計(jì)如圖3所示。

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