四分之一波长间距阵抗拖船干扰研究

冯文，毕雪洁，曾财高，赵安邦



四分之一波长间距阵抗拖船干扰研究

冯文1,2，毕雪洁1,2，曾财高1,2，赵安邦1,2

(1. 哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨，150001)

为改善拖曳线列阵声呐的尾向探测能力，降低拖船噪声对半波长间距阵尾向探测性能的制约，本文关注四分之一波长间距阵对连续波信号和带限噪声的响应。研究表明，四分之一波长间距阵具有非对称的端向指向性，与半波长间距阵相比有约20 dB的空间抑制能力，能有效抑制拖船辐射噪声干扰。本文还提出用零陷权组合传感器构成四分之一波长间距阵，理论上其抗拖船噪声干扰的效果比四分之一波长间距阵更好。

拖船干扰；四分之一波长间距阵；零陷权组合传感器；零陷权波束形成

0 引言

拖船高速巡航时辐射噪声很强，是拖曳线列阵声呐的重要干扰之一。由于多途到达效应，拖曳阵在拖船方向25°的扇面内受到拖船辐射噪声的强干扰，该扇面称为“强干扰扇面”。拖线阵不单单在拖船噪声直达声到达方向，而是在一个扇面内受到干扰，称为“多途角扩展”。在拖曳阵的尾向(与拖船相反的方向)存在着“弱可探测区”，在该扇面内拖船辐射噪声干扰也是严重的。因而，改善拖曳线列阵声呐“尾向探测”性能的关键仍是抗拖船辐射噪声干扰。

对于拖线阵鱼雷报警声呐，改善尾向探测性能是重要的，因为像尾流自导鱼雷就是从尾向来袭的。

讨论抗拖船噪声干扰的文献很多[1-14]。早期研究多数采用各种不同结构的自适应抵消技术来抗拖船噪声干扰[1-6,12]。稍后，不再基于拖船噪声干扰的平面波假设，考虑到多途模型，一些研究者采用匹配场方法[6,9]或声屏蔽技术[7,11,14]抗拖船噪声干扰。

上述所有文献均仅讨论半波间距阵抗拖船噪声干扰问题，其效果虽各有千秋，但在“强干扰扇面”内效果均不理想。因而，本文并不仔细研究“强干扰扇面”内抗拖船干扰问题。本文采用的间距阵可显著改善尾向探测性能；若采用间距阵时，文献中的各种方法将有更好的抗拖船噪声干扰的效果(与半波间距阵相较)。这是因为在各向同性干扰背景场(也称非相干噪声场)中，半波间距空间采样被证明是最佳的(常称之空间采样定理)，然而拖船噪声干扰场是相干的，因而可不受空间采样定理约束，阵元间距不必是，本文指出间距阵最好。

1 基本原理

一个半波间距阵，为什么在阵的尾向有“弱可探测扇面”呢？当波束指向拖船相反方向时为什么仍接收到强的拖船噪声干扰呢？其原因是半波间距阵的端向波束指向性是对称的，波束主极大指向尾向时，其波束图在拖船方向也是最大值，请见图2(a)，从而该波束接收到强的拖船噪声干扰。间距阵的波束指向性是不对称的，当端射波束在尾向为最大值时，在拖船方向是指向性的零点，所以能有效抑制拖船噪声。下文将加以详述间距阵对连续波单频矩形脉冲[15](Continuous Wave, CW)信号或带限噪声的响应。

(2)

式中，或为阵元总数。当两种间距阵阵长相同时，有。

由式(2)和式(3)得到：

(5)

(6)

可用指向性在拖船方向的响应的差值表示抗拖船噪声干扰的性能。定义：

表1 波束指向不同方向时抗拖船噪声能力的值表(1 kHz CW信号)

Table 1 Anti-interference performance () of the array with λ/4 intervals in different directions (1 kHz, CW signal)

表1 波束指向不同方向时抗拖船噪声能力的值表(1 kHz CW信号)

θ0/(°)9060300-45 η/dB22.332.813.05.4-6.0

注：波束指向0方向，比较7元/2间距阵和13元/4间距阵，抗拖船噪声能力是两者在拖船方向=-π/2的波束响应差值，详见式(7)。

拖船噪声是连续谱随机噪声，所以须在声呐工作频段内比较相同阵长、不同间距阵的响应，也就是须讨论基阵对入射带限随机噪声的响应。

一个带限随机噪声平面波投射到均匀线阵上，可以合理地假定各频率分量是相互独立的。所以波束输出的总功率是各频率分量的功率之和。式(1)为波束输出的频率为的功率分量，据上述的功率迭加定理有：

假定连续谱随机噪声是带限白色的，即设：

代入式(8)，得到

(10)

可用数值积分方法计算式(10)，从而得到基阵对带限连续谱噪声的响应，也可以用蒙特卡罗的思想仿真得到基阵对带限噪声的响应，示于图3。可以看到，理论结果与蒙特卡罗仿真结果吻合较好。

注：带限噪声中心频率1 kHz，带宽200 Hz。表示半波长间距，阵元数；表示四分之一波长间距，阵元数。蒙特卡罗仿真参数是：采样率16kHz，高斯白噪声经过128阶900~1100 Hz的FIR带通滤波器得到带限噪声。

表2 波束指向不同方向时抗拖船噪声能力的值表(带限噪声)

Table 2 Anti-interference performance () of the array with λ/4 intervals in different directions (band limited noise)

表2 波束指向不同方向时抗拖船噪声能力的值表(带限噪声)

θ0/(°)9060300-45 η/dB24.221.48.54.0-2.3

文献[11]中用零陷权波束形成方法抗拖船噪声干扰。由文献[14]得到零陷权矢量为

阵长相同的两种不同间距阵零陷权波束形成处理前后的响应对比示于图4，引导方向为尾方向，零陷方向为拖船方向。图中，表示半波长间距，阵元数=7；表示四分之一波长间距，阵元数=13。选取间距阵的零陷方向为-90°，选取间距阵的零陷方向为-89°，这是由于间距阵的端向波束指向性是对称的，在对-90°方向零陷的同时也会对+90°方向零陷。

(13)

相邻阵元形成的心形指向性为

元均匀线列阵功率指向性示于式(1)和式(3)。

由指向性乘积定理得组合阵的功率指向性为：

阵元数较小时，取为奇数较好，此时(-1)为偶数。由于间距阵在方向已有零点，所以心形零点应设置在角扩展扇面内的另外位置，如。

4 结论

本文关注的是改善拖线阵声呐的尾向探测性能，本文方法不能改善“强干扰扇面”内的探测能力。理论分析与仿真研究均表明，四分之一波长间距阵具有非对称端向指向性，与半波长间距阵相比有约20 dB的空间抑制能力，能有效抑制拖船噪声干扰。用零陷权组合传感器构成四分之一波长间距阵，理论上其抗拖船辐射噪声干扰效果比四分之一波长间距阵更好，改善了除强干扰扇面以外的所有方位的探测能力。不过，在固定孔径的前提下，采用四分之一波长间距阵来提高声呐的尾向探测性能是以增加硬件规模和成本为代价的。

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Research on anti towing ship interference with quarter wavelength interval array

FENG Wen1,2, BI Xue-jie1,2, ZENG Cai-gao1,2, ZHAO An-bang1,2

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China;2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China)

There are a lot of published studies which discuss the anti-interference problem in the noise background radiated by a towing ship based on the array with an interval of 1/2 wavelength between elements. Not the 1/2 wavelength interval one but the 1/4one is to be concerned because of the obvious benefit to detecting signal in the noise background radiated by towing ship. Research shows that the end fire directivity of the array with an interval of 1/4 wavelength between elements is not symmetric, which can suppress tow-ship interference effectively. And, theare proposed as elements to form the 1/4 wavelength interval array, with which the detection ability in the tail direction can be improved more significantly.

towing ship interference; 1/4 wavelength interval array;combined sensor with null beam pattern; null beam forming

TB556

A

1000-3630(2015)-03-0228-05

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.008

2014-05-12;

2014-08-20

冯文(1990－), 女, 四川射洪人, 硕士, 研究方向为水声信号处理。

赵安邦, E-mail: zhaoanbang@hrbeu.edu.cn