一种改善干扰阻塞算法输出信噪比的方法

摘要

本发明涉及一种改善干扰阻塞算法输出信噪比的方法，包括：由强干扰方位角、线阵的阵元间距构建修正因子，采用该修正因子对干扰阻塞算法所生成的空间谱进行修正。本发明的方法通过修正因子减小了干扰阻塞算法对线阵输出信噪比造成的衰减，在抵消主瓣内强干扰时，该弱目标可被有效检测，并实现了副瓣干扰抑制和主瓣保形，提高了干扰阻塞算法抗干扰性能。

说明书

技术领域

本发明涉及水声信号处理领域，特别涉及一种改善干扰阻塞算法输出信噪比的方法。

背景技术

在复杂多变的水声环境中，均匀线列阵接收数据中真实的目标信号往往被强干扰所掩盖，使得目标检测与跟踪非常困难。研究如何将强干扰进行抑制从而提高对微弱目标的检测能力显得尤为重要，尤其是当存在主瓣干扰时。

为了抵消主瓣干扰，干扰阻塞算法(Jamming Jam Method，JJM)被提出，该方法首先对主瓣干扰进行方位估计，根据主瓣干扰方位构建阻塞矩阵，然后对阵列接收信号进行预处理，抑制掉主瓣干扰。阻塞矩阵(Block Matrix，BM)方法最早由S J Yu提出(请参见参考文献1“Shiann-Jeng Yu,Ju-Hong Lee.Efficient eigenspace-based array signalprocessing using multiple shift invariant subarrays[J].Antenna Propagation,1999,47(1):186-194”)，被用于克服波束形成时协方差矩阵估计信号混入问题，其后被用于抗干扰方面的研究。李荣峰、苏保伟等人(请参见参考文献2“李荣峰,王永良,万山虎.一种在主瓣干扰条件下稳健的自适应波束形成方法[J].系统工程与电子技术,2002,24(7):61-64”，参考文献3“李荣峰,王永良,万山虎.主瓣干扰下自适应方向图保形方法的研究[J].现代雷达,2002,24(3):50-53”，参考文献4“苏保伟,王永良,李荣峰,等.阻塞矩阵方法对消主瓣干扰[J].系统工程与电子技术,2005,27(11):1830-1832”)首先将阻塞矩阵方法应用于主瓣抗干扰；王纯等人(请参见参考文献5“王纯,徐婷婷.Householder干扰阻塞法的弱信号DOA估[J].计算机工程与应用,2013,49(22):231-235”)提出基于Householder变换构建干扰阻塞矩阵的方法；陈辉等人(请参见参考文献6“陈辉,苏海军，强干扰信号背景下的DOA估计新方法[J]，电子学报，2006,34(3):530-534”)将阻塞矩阵法应用于强干扰背景下弱信号的估计中，提高了弱信号的检测概率和估计精度；苏成晓等人(请参见参考文献7“苏成晓,罗景青,解礼.用阻塞矩阵法实现弱信号二维DOA估计[J].计算机工程与应用,2011,47(18):153-156”)在此基础上实现了弱信号二维DOA估计；罗丁利等人(请参见参考文献8“罗丁利,徐伟.一种阻塞矩阵的构建方法[J].火控雷达技术,2009,38(4):53-56”)针对分布式目标信号将阻塞矩阵方法进行改进，使之在目标信号方向形成比较宽的凹口，提高算法的稳健性；高阳等人(请参见参考文献9“高阳，许稼，龙腾.阻塞矩阵抗干扰方法性能分析[J].信号处理，2015，31(10):1361-1365”)针对主瓣干扰情况，采用输出信干噪比(Signal to Interference and Noise Ratio，SINR)增益、抗干扰输出波束图等对抗干扰性能进行衡量，分析了阻塞矩阵抗干扰方法存在的问题及适用性，但并没有对阻塞矩阵抗干扰方法所存在的问题提出相应的改善方法。

在干扰阻塞算法应用中，在强干扰与弱目标方位很近时，抑制强干扰的同时也会衰减弱目标信号。目前鲜有公开资料对干扰阻塞算法输出信噪比衰减区间进行详细分析，以便根据分析结果提出相应改善方法，以便减小干扰阻塞算法输出信噪比衰减区间，提高该算法抗干扰性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的干扰阻塞算法在抑制强干扰时也会衰减目标信号的缺陷，从而提供一种能够减小干扰阻塞算法对线阵输出信噪比造成的衰减的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种改善干扰阻塞算法输出信噪比的方法，包括：由强干扰方位角、线阵的阵元间距构建修正因子，采用该修正因子对干扰阻塞算法所生成的空间谱进行修正。

上述技术方案中，该方法具体包括下列步骤：

步骤1)、对线阵的接收基阵接收的K组采样数据按下式进行处理，得到协方差矩阵R(w_l)；

其中，所述k表示K组采样数据中的第k组；w_l为角频率；X^(k)(w_l)表示角频率w_l对应的各阵元接收数据的向量；(·)^H表示共扼转置；

步骤2)、根据所需要抑制的强干扰方位角θ₀、阵元间距d，按下式构造阻塞矩阵W，并得到修正因子α；

其中，c为声速；N为线阵中的线阵单元数；θ表示目标相对于水平线阵的方位角，一般取值为θ∈[0,Θ]，Θ＝180；

步骤3)、利用步骤2)得到的阻塞矩阵对步骤1)得到的协方差矩阵进行阻塞处理，得到阻塞后协方差矩阵；

R′(w_l)＝W·R(w_l)·W^H；

步骤4：对阻塞后协方差矩阵进行波束形成，得到干扰抑制算法干扰抑制后的空间谱；

其中，为干扰阻塞后波束形成加权因子，[]^T为矩阵转置；

步骤5)、利用步骤2)得到的修正因子对干扰抑制算法干扰抑制所得空间谱进行修正，得到修正后空间谱；

其中，θ≠θ₀，B″(w_l,θ)表示修正后空间谱。

本发明的优点在于：

本发明的方法通过修正因子减小了干扰阻塞算法对线阵输出信噪比造成的衰减，在抵消主瓣内强干扰时，该弱目标可被有效检测，并实现了副瓣干扰抑制和主瓣保形，提高了干扰阻塞算法抗干扰性能。数值仿真和海试数据处理结果进一步验证了本发明方法在抵消主瓣内强干扰时，可对相邻2°处的弱目标实现了有效检测(本发明仿真条件下，如果抵消角度接近法线方向，相邻更近处目标也可实现有效检测)，实现了副瓣干扰抑制和主瓣保形，提高了干扰阻塞算法抗干扰性能。

附图说明

图1是一拖线阵声纳结构示意图；

图2是本发明的改善干扰阻塞算法输出信噪比的方法的流程图；

图3是在一个仿真实例中，信号频率为f_l＝60Hz，则角频率w_l＝2πf_l，声速为c＝1500m/s，信号波长为λ＝c/f_l，阵元间距d＝λ2，不同强干扰方位角θ₀情况下，线阵输出信噪比衰减区间仿真结果示意图；

图4是在一个仿真实例中，信号频率为f_l＝60Hz，则角频率w_l＝2πf_l，声速为c＝1500m/s，信号波长为λ＝c/f_l，强干扰方位角为θ₀＝30°，不同阵元间距d情况下，线阵输出信噪比衰减区间仿真结果示意图；

图5是强干扰与信号方位角恒定情况下，强干扰抵消前的方位历程图；

图6是强干扰与信号方位角恒定情况下，JJM抵消强干扰后的方位历程图；

图7是强干扰与信号方位角恒定情况下，采用本发明方法抵消强干扰后的方位历程图；

图8是信号方位角恒定、强干扰方位角随时间变化的情况下，强干扰抵消前的方位历程图；

图9是信号方位角恒定、强干扰方位角随时间变化的情况下，JJM抵消强干扰后的方位历程图；

图10是信号方位角恒定、强干扰方位角随时间变化的情况下，采用本发明方法抵消强干扰后的方位历程图；

图11是强干扰方位角恒定、信号方位角随时间变化的情况下，强干扰抵消前的方位历程图；

图12是强干扰方位角恒定、信号方位角随时间变化的情况下，JJM抵消强干扰后的方位历程图；

图13是强干扰方位角恒定、信号方位角随时间变化的情况下，采用本发明方法抵消强干扰后的方位历程图；

图14是一32元水平线阵，阵间隔为8m，水平线阵尾端方向为180°，数据长度为220s，采样率为f_s＝5kHz，滤波器频带为f＝40～80Hz的实例中，强干扰抵消前的方位历程图；

图15是一32元水平线阵，阵间隔为8m，水平线阵尾端方向为180°，数据长度为220s，采样率为f_s＝5kHz，滤波器频带为f＝40～80Hz的实例中，JJM抵消强干扰后的方位历程图；

图16是一32元水平线阵，阵间隔为8m，水平线阵尾端方向为180°，数据长度为220s，采样率为f_s＝5kHz，滤波器频带为f＝40～80Hz的实例中，本发明方法抵消强干扰后的方位历程图；

图17是一32元水平线阵，阵间隔为8m，水平线阵尾端方向为180°，数据长度为120s，采样率为f_s＝5kHz，滤波器频带为f＝60～100Hz的实例中，强干扰抵消前的方位历程图；

图18是一32元水平线阵，阵间隔为8m，水平线阵尾端方向为180°，数据长度为120s，采样率为f_s＝5kHz，滤波器频带为f＝60～100Hz的实例中，JJM抵消强干扰后的方位历程图；

图19是一32元水平线阵，阵间隔为8m，水平线阵尾端方向为180°，数据长度为120s，采样率为f_s＝5kHz，滤波器频带为f＝60～100Hz的实例中，本发明方法抵消强干扰后的方位历程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

在对本发明的方法做详细说明前，首先对本发明的方法所适用接收阵加以描述。图1为一拖线阵声纳结构示意图，该拖线阵声纳包括6个部分，显控与信号处理机1、甲板缆2、绞车3、导缆架4、拖缆5、接收线阵6。其中的接收线阵6通过拖缆5与位于绞车3上的甲板缆2连接，所述拖缆5还安装在导缆架4上；接收线阵6所接收的信号传输给显控与信号处理机1。

在对本发明的方法做详细说明之前，首先对现有技术中的干扰阻塞算法进行如下分析。

干扰阻塞算法

依据线阵目标检测和方位估计理论，对于间距为d的N元等间隔水平线阵，有一个强干扰从θ₀入射，有P个目标从θ_p入射，在第n个阵元接收数据中，第k组拾取的角频率w_l对应数据可表示为：

式中，为强干扰被第k组拾取的频域表示，为第p个目标辐射信号被第k组拾取的频域表示，为第n个阵元接收数据的第k组拾取噪声的频域表示，为加性高斯白噪声，c为声速。

则角频率w_l对应的各阵元接收数据的向量表示形式为：

式中，为强干扰N×1维阵列流形矢量，为第p个目标信号N×1维阵列流形矢量，A＝[a(w_l,θ₀),a(w_l,θ₁),…,a(w_l,θ_P)]为N×(P+1)维阵列流形矢量，为(P+1)×1维数据空间，[·]^T为矩阵转置。为各阵元接收角频率为w_l背景噪声向量。

干扰阻塞算法就是利用已知强干扰入射角作为θ₀作为先验知识对A进行阻塞，进而将干扰阻塞掉，阻塞矩阵构造如下所示：

利用阻塞矩阵对阵列流形矢量进行阻塞处理，得：

WA＝[a′(w_l,θ₀),a′(w_l,θ₁),…,a′(w_l,θ_P)]_(N-1)×(P+1)(4)

式中，a′(w_l,θ₀)＝[0,0,…,0]^T为干扰阻塞后的(N-1)×1维阵列流形矢量，为第p个目标信号经干扰阻塞后(N-1)×1维阵列流形矢量。

由a′(w_l,θ₀)可知，阻塞矩阵可以阻塞掉强干扰。但由a′(w_l,θ_p)可知，阻塞矩阵在阻塞强干扰的同时，目标信号也会受到影响。阻塞矩阵阻塞强干扰后，线阵接收目标信号等效为：

由上式可知，阻塞矩阵阻塞强干扰后，目标信号相对于真实目标信号发生变化。

干扰阻塞算法输出信噪比衰减区间分析

由上节理论分析可知，阻塞矩阵阻塞强干扰后，目标信号相对于真实目标信号发生了的变化。为了更直观分析阻塞矩阵对常规波束形成(Conventional Beam-forming，CBF)影响，从线阵输出信噪比(注：目标信号与背景噪声的功率比值)变化上进行分析说明。

干扰阻塞前，由K组采样数据得到的协方差矩阵R(w_l)可以表示为：

式中，(·)^H表示共扼转置。

由R(w_l)所得空间谱可表示为：

B(w_l,θ)＝W_bf^H(w_l,θ)R(w_l)W_bf(w_l,θ)(7)

式中，为干扰阻塞前波束形成加权因子，θ表示目标相对于水平线阵的方位角，一般取值为θ∈[0,Θ]，Θ＝180。

干扰阻塞后，由K组采样数据得到的协方差矩阵R′(w_l)可以表示为：

式中，X′^(k)(w_l)如下所示：

JJM所得空间谱可表示为：

式中，为干扰阻塞后波束形成加权因子。

由JJM推导过程可得，干扰阻塞前线阵输出信噪比可近似为其中，为第p个目标辐射信号平均功率，N²(w_l)为阵元接收背景噪声平均功率；干扰阻塞后线阵输出信噪比可近似为具体推导过程不再论述。

则干扰阻塞前后线阵输出信噪比比值SNRC_p为：

由式(10)可得，干扰阻塞算法会对线阵输出信噪比造成不同程度的衰减，在信号频率一定时，影响衰减区间相关因子主要为阵元间距d、强干扰方位角θ₀。

对干扰阻塞算法的改进

由上面理论分析可知，干扰阻塞前后线阵输出信噪比变化了在信号频率一定时，影响衰减区间相关因子主要为阵元间距d、强干扰方位角θ₀。针对该情况，本发明的方法采用一个修正因子对JJM干扰抑制所得空间谱进行修正，从而得到能有效提高抗干扰性能的空间谱。

图2为本发明方法的流程图，本发明的方法具体包括以下步骤：

步骤1：对接收基阵接收的K组采样数据按下式进行处理，得到协方差矩阵R(w_l)。

步骤2：根据所需要抑制的干扰方位角θ₀、阵元间距d，按下式构造阻塞矩阵W，并得到修正因子α。

步骤3：利用步骤2得到的阻塞矩阵对步骤1得到的协方差矩阵进行阻塞处理，得到阻塞后协方差矩阵。

R′(w_l)＝W·R(w_l)·W^H

步骤4：对阻塞后协方差矩阵进行波束形成，得到JJM干扰抑制后的空间谱。

步骤5：利用步骤2得到的修正因子对JJM干扰抑制所得空间谱进行修正，得到修正后空间谱，即本发明方法所求空间谱。

其中，θ≠θ₀，B″(w_l,θ)表示修正后空间谱。

经修正因子修正后，在θ≠θ₀处，干扰阻塞前后线阵输出信噪比比值SNRC≈1，即本发明的方法可以有效降低干扰阻塞算法对线阵输出信噪比的影响。

本发明的方法(简称本发明方法)与现有技术中的方法(简称JJM)相比具有明显的优点。

下面结合实例，对本发明方法与现有技术中相关方法的效果进行比较。

现有技术中的干扰阻塞算法对线阵输出信噪比造成的不同程度衰减数值仿真说明

为了进一步验证干扰阻塞算法对线阵输出信噪比造成的不同程度衰减，进行如下仿真说明。

1.仿真中设信号频率为f_l＝60Hz，则角频率w_l＝2πf_l，声速为c＝1500m/s，信号波长为λ＝c/f_l，阵元间距d＝λ2。不同强干扰方位角θ₀情况下，图3为线阵输出信噪比衰减区间仿真结果。

2.仿真中设信号频率为f_l＝60Hz，则角频率w_l＝2πf_l，声速为c＝1500m/s，信号波长为λ＝c/f_l，强干扰方位角为θ₀＝30°。不同阵元间距d情况下，图4为线阵输出信噪比衰减区间仿真结果。

由图3和图4可知，干扰阻塞算法会对线阵输出信噪比造成不同程度的衰减，在信号频率一定时，影响衰减区间相关因子主要为阵元间距d、强干扰方位角θ₀。数值仿真结果与理论分析相一致。

本发明的改善方法可以有效降低干扰阻塞算法对线阵输出信噪比数值仿真说明

为了进一步验证本发明的改善方法可以有效降低干扰阻塞算法对线阵输出信噪比的影响，进行如下仿真说明。

1.强干扰与信号方位角恒定情况

仿真中设强干扰、目标1与目标2信号频率均为f_s＝60Hz，强干扰、目标1与目标2方位角分别为θ₀＝70°、θ₁＝72°和θ₂＝130°，背景噪声为带宽f_n＝40～80Hz的白噪声，声速为c＝1500m/s，阵元间距d＝λ/2，λ＝c/f_s。目标1与目标2功率比值为0dB，目标1与强干扰功率比值为-30dB，目标1与背景噪声功率比值为-25dB。图至图为不同方法在f_s频率单元处波束形成结果。

图5为强干扰抵消前，方位历程图；

图6为JJM抵消强干扰后，方位历程图；

图7为本发明方法抵消强干扰后，方位历程图；

由图5至图7可知，在抵消θ₀＝70°方位处强干扰时，由于JJM会对线阵输出信噪比造成不同程度的衰减，θ₁＝72°处目标1不能被有效检测；而本发明方法采用了修正因子对JJM进行了改善，降低了JJM会对线阵输出信噪比造成的影响，在抵消θ₀＝70°方位处强干扰时，θ₁＝72°处目标1被很好地检测。数值仿真结果验证了本发明方法通过减小JJM衰减区间，在抵消强干扰时，可对相邻弱目标实现有效检测。

2.信号方位角恒定，强干扰变化情况

仿真中设强干扰、目标1与目标2信号频率均为f_s＝60Hz，强干扰方位角随时间在变化，目标1与目标2方位角分别为θ₁＝72°和θ₂＝130°，背景噪声为带宽f_n＝40～80Hz的白噪声，声速为c＝1500m/s，阵元间距d＝λ/2，λ＝c/f_s。目标1与目标2功率比值为0dB，目标1与强干扰功率比值为-30dB，目标1与背景噪声功率比值为-25dB。图8至图10为不同方法在f_s频率单元处波束形成结果。

图8为强干扰抵消前，方位历程图；

图9为JJM抵消强干扰后，方位历程图；

图10为本发明方法抵消强干扰后，方位历程图；

由图8至图10可知，在抵消不同方位处强干扰时，由于JJM会对线阵输出信噪比造成不同程度的衰减，强干扰方位相邻目标不能被有效检测；而本发明方法采用了修正因子对JJM进行了改善，降低了JJM会对线阵输出信噪比造成的影响，在抵消不同方位处强干扰时，强干扰方位相邻目标被很好地检测。数值仿真结果验证了本发明方法通过减小JJM衰减区间，在抵消强干扰时，可对相邻弱目标实现有效检测。

3.强干扰方位角恒定，信号变化情况

仿真中设强干扰、目标1与目标2信号频率均为f_s＝60Hz，强干扰与目标1方位角分别为θ₀＝70°和θ₁＝72°，目标2方位角随时间变化，背景噪声为带宽f_n＝40～80Hz的白噪声，声速为c＝1500m/s，阵元间距d＝λ/2，λ＝c/f_s。目标1与目标2功率比值为0dB，目标1与强干扰功率比值为-30dB，目标1与背景噪声功率比值为-25dB。图11至图13为不同方法在f_s频率单元处波束形成结果。

图11为强干扰抵消前，方位历程图；

图12为JJM抵消强干扰后，方位历程图；

图13为本发明方法抵消强干扰后，方位历程图；

由图11至图13可知，在抵消θ₀＝70°处强干扰时，由于JJM会对线阵输出信噪比造成不同程度的衰减，强干扰方位相邻目标不能被有效检测；而本发明方法采用了修正因子对JJM进行了改善，降低了JJM会对线阵输出信噪比造成的影响，在抵消θ₀＝70°处强干扰时，强干扰方位相邻目标被很好地检测。数值仿真结果验证了本发明方法通过减小JJM衰减区间，在抵消强干扰时，可对相邻弱目标实现有效检测。

本发明的方法可以有效降低干扰阻塞算法对线阵输出信噪比实际数据处理说明

本次试验数据为2012年4月在南海进行目标检测试验所得。实验采用32元水平线阵接收信号，阵间隔为8m，水平线阵尾端方向设为180°。

数据处理实例1：处理实测数据长度为220s，所用采样率为f_s＝5kHz。滤波器频带为f＝40～80Hz，图14至图16为不同方法所得结果。

图14为强干扰抵消前，方位历程图；

图15为JJM抵消强干扰后，方位历程图；

图16为本发明方法抵消强干扰后，方位历程图；

由图14至图16可知，在抵消θ₀＝73°附近强干扰时，由于JJM会对线阵输出信噪比造成不同程度的衰减，强干扰方位相邻目标不能被有效检测；而本发明方法采用了修正因子对JJM进行了改善，降低了JJM会对线阵输出信噪比造成的影响，在抵消θ₀＝73°附近强干扰时，强干扰方位相邻目标被很好地检测。试验数据处理结果验证了本发明方法通过减小JJM衰减区间，在抵消强干扰时，可对相邻弱目标实现有效检测。

数据处理实例2：处理实测数据长度为120s，所用采样率为f_s＝5kHz。滤波器频带为f＝60～100Hz，图17至图19为不同方法所得结果。

图17为强干扰抵消前，方位历程图；

图18为JJM抵消强干扰后，方位历程图；

图19为本发明方法抵消强干扰后，方位历程图；

由图17至图19可知，在抵消强干扰时，由于JJM会对线阵输出信噪比造成不同程度的衰减，强干扰方位相邻目标不能被有效检测；而本发明方法采用了修正因子对JJM进行了改善，降低了JJM会对线阵输出信噪比造成的影响，在抵消强干扰时，113°处弱目标被很好地检测。试验数据2处理结果验证了本发明方法通过减小JJM衰减区间，在抵消强干扰时，可对相邻弱目标实现有效检测。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。