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航空反潛是重要的反潛手段之一。目前航空反潛平臺(tái)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(tái)上。近年來隨著水聽器技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，聲納浮標(biāo)在作用距離，弱信號(hào)檢測(cè)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(shí)，其輻射噪聲會(huì)透過海面在海水中傳播，具有弱信號(hào)探測(cè)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(shí)，以采用單矢量水聽器的聲納浮標(biāo)為應(yīng)用平臺(tái)，通過自適應(yīng)信號(hào)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(duì)比研究?jī)烧咝阅懿町悺?br /> 1 存在空中噪聲時(shí)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(huì)對(duì)浮標(biāo)的探測(cè)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(dòng)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1kHz)的非連續(xù)線譜分量所組成，線譜基頻主要集中在1~100Hz頻段內(nèi)。 對(duì)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50~800Hz的連續(xù)譜，疊加基頻為65Hz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0dB。目標(biāo)方位270°，輻射噪聲由基頻為45Hz的12根諧波簇線譜，疊加10~600Hz的連續(xù)譜組成，水下信噪比為0dB。積分時(shí)間為1s。 結(jié)果表明浮標(biāo)對(duì)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(hào)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(gè)相干聲源存在時(shí)，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(shí)，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(shí)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(tái)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(gè)與噪聲或與目標(biāo)信號(hào)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(tái)噪聲為參考信號(hào) 在浮標(biāo)的水上部分加裝一個(gè)矢量微音器，實(shí)時(shí)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(tái)的水下噪聲。將微音器接收的空中噪聲信號(hào)作為參考輸入。 仿真2：假設(shè)二維空間中水下目標(biāo)位置(-100m，-500m)；空中平臺(tái)為直升機(jī)，位置(500m，300m)；設(shè)定直升機(jī)空中噪聲的信噪比相對(duì)于它在水中的信噪比高15dB。其他條件同仿真1。 信噪比、干燥比均為0dB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(shí)此方法可有效抑制其噪聲。若直升機(jī)分別以10m/s和20m/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5m/s，航向與矢量水聽器x方向同向，空中聲速334m/s，海水中聲速1500m/s。其他條件同仿真2，結(jié)果如圖4、圖5所示。 圖4，圖5表明，隨著直升機(jī)航速的增加，自適應(yīng)干擾抵消的效果越來越差。造成這種結(jié)果的根本原因在于空氣中聲速和海水中聲速不同。若聲源與接收點(diǎn)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則信號(hào)產(chǎn)生多普勒頻移。瞬時(shí)頻移量為： 式中：c是聲速；v為聲源移動(dòng)速度；θ為聲源和接收點(diǎn)連線與聲源運(yùn)動(dòng)方向在垂直面投影的夾角；α為聲源和接收點(diǎn)連線與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向在水平面投影的夾角。由于水中聲速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空中聲速，所以空氣中的多普勒頻移大于水中的頻移，而且聲源的速度越快，頻差越大。對(duì)于以空中平臺(tái)噪聲為參考輸入的抵消法，飛機(jī)速度越快則原始信號(hào)中干擾成分與參考信號(hào)的相關(guān)性越弱，干擾抵消效果越差。只有飛機(jī)懸停或低速航行時(shí)此方法才適用。 2.2 組合振速為參考信號(hào) 與標(biāo)量水聽器不同，矢量水聽器的振速具有“8”字形指向性，單個(gè)矢量水聽器即可以形成波束指向性。 矢量水聽器振速和聲壓可表示為： 引導(dǎo)方位ψ是vc的極大值方向也是vs的零點(diǎn)方向。通過改變?chǔ)字导纯蓪?shí)現(xiàn)在二維平面內(nèi)電子旋轉(zhuǎn)。 假設(shè)浮標(biāo)在水下收到的目標(biāo)信號(hào)為pq(t)，直升機(jī)噪聲為pf(t)，且目標(biāo)方位θq，干擾方位θf，代入式(4)得： 若令引導(dǎo)方位ψ=θf，則sin(θf-ψ)=0，vs中只含有pq(t)sin(θq-ψ)成分。以此信號(hào)作為參考輸入，構(gòu)成自適應(yīng)抵消器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空中噪聲干擾的抑制。結(jié)構(gòu)如圖6所示。 仿真3：直升機(jī)航速30m/s，其他條件同仿真2。結(jié)果如圖7所示。 圖7表明，以組合振速為參考輸入的抵消方法在直升機(jī)高航速狀態(tài)下，依然可有效抑制噪聲干擾。 3 結(jié)論 本文分析了空中平臺(tái)噪聲對(duì)聲納浮標(biāo)的定位產(chǎn)生干擾的原理，利用基于LMS的自適應(yīng)干擾抵消技術(shù)可以抑制噪聲干擾。仿真結(jié)果表明：以飛機(jī)空中噪聲為參考信號(hào)輸入的抵消方法受空中和水中信號(hào)多普勒差異的影響，只適用于飛機(jī)懸停或低速航行時(shí)；以組合振速為參考信號(hào)的抵消方法抵消效果不受直升機(jī)航速影響。 |
