基于多线谱干扰抑制的水下对空运动声源线谱探测

doi:10.3969/j.issn.1000-1093.2020.09.019

摘要/Abstract

摘要： 针对水下对空运动声源探测时面临的多线谱水下强干扰问题，提出一种稳健可靠的基于多线谱干扰抑制的线谱检测方法。采用该方法对接收声场进行线谱提取，限定每个信源所在方位的空间谱能量主要来自一条线谱的贡献，抑制多线谱干扰的能量，最后综合所有线谱贡献，得到最终的方位估计结果。两次水下对空探测实验验证了所提方法的有效性，结果表明，线谱检测方法可有效抑制同频干扰，在低信噪比、多干扰环境下成功实现了水下对空运动声源的线谱探测。

关键词: 空中运动声源, 多线谱干扰抑制, 线谱探测, 水下对空实验

Abstract: A robust and reliable detection method based on multiple line spectrum interference suppression is proposed to solve the problem of strong underwater interference in the detection of moving airborne sound source underwater.The line spectrum of the received sound field is extracted，and then the spatial spectrum energy of each source being mainly from the contribution of one line spectrum is limited to suppress the interference energy of multiple line spectrum. Finally，the direction estimation is obtained by synthesizing all the line spectrum contributions. The effectiveness of the proposed method is verified through two underwater-to-air detection experiments. The results show that the method can be used to detect the line spectrum of moving airborne sound source underwater in the low SNR and multiple interferences environment，and effectively suppress the interference with the same or very similar frequency.

Key words: movingairbornesoundsource, multiplelinespectruminterferencesuppression, linespectrumdetection, underwater-to-airexperiment

中图分类号:

TB566

刘凯悦，彭朝晖，张灵珊，王光旭，李晟昊. 基于多线谱干扰抑制的水下对空运动声源线谱探测[J]. 兵工学报, 2020, 41(9): 1871-1879.

LIU Kaiyue， PENG Zhaohui， ZHANG Lingshan， WANG Guangxu， LI Shenghao. Multiple Line Spectrum Interference Suppression-based Line Spectrum Detection of Moving Airborne Sound Source Underwater[J]. Acta Armamentarii, 2020, 41(9): 1871-1879.

参考文献

［1］ KAZANDJIAN L，LEVIANDIER L. A normal mode theory of air-to-water sound transmission by a moving source［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1994，96(3):1732-1740.
［2］ CHAPMAN D M F，WARD P D.The normal-mode theory of air-to-water sound transmission in the ocean［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1990，87(2):601-618.
［3］张翼鹏.直升机水下噪声建模与分析［D］.西安：西北工业大学，2004.
ZHANG Y P.Modeling and analysis of helicopter noise underwater［D］.Xi'an：Northwestern Polytechnical University，2004.（in Chinese）

［4］ FERGUSON B G，SPEECHLEY G C. Acoustic detection and localization of a turboprop aircraft by an array of hydrophones towed below the sea surface［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering， 2009， 34(1):75-82.
［5］ BUCKINGHAM M J. Propeller noise from a light aircraft for low frequency measurements of the speed of sound in a marine sediment［J］.Journal of Computational Acoustics，2002，10(4):445-464.
［6］陈阳，王自娟，朱代柱，等.一种基于频率方差加权的线谱目标检测方法［J］.声学学报，2010，35(1):76-80.
CHEN Y，WANG Z J，ZHU D Z，et al. A detecting method for line-spectrum target based on variance-of-frequency weight［J］.Acta Acustica，2010，35(1):76-80.（in Chinese）
［7］陈阳，赵安邦，王自娟，等. 瞬时频率方差加权导向最小方差波束形成检测器［J］.哈尔滨工程大学学报，2011，32(6):730-735.
CHEN Y，ZHAO A B，WANG Z J，et al. Variance of instantaneous frequency-weighted steered minimum variance beamforming detector［J］.Journal of Harbin Engineering University，2011，32(6):730-735.（in Chinese）
［8］陈新华，鲍习中，李启虎，等.水下声信号未知频率的目标检测方法研究［J］.兵工学报，2012，33(4):471-475.
CHEN X H，BAO X Z，LI Q H，et al. Research on detection of underwater acoustic signal with unknown frequency［J］.Acta Armamentarii，2012，33(4):471-475.（in Chinese）
［9］王逸林，马世龙，邹男，等.时空域联合的水下未知线谱目标检测方法［J］.电子与信息学报，2019，41(7):1682-1689.
WANG Y L，MA S L，ZOU N，et al. Detection of unknown line-spectrum underwater target using space-time processing［J］.Journal of Electronics & Information Technology，2019，41(7):1682-1689.（in Chinese）
［10］陈敬军，陆佶人，刘淼. 基于人工智能的线谱检测技术［J］.船舶工程，2004，26(3):68-71.
CHEN J J，LU J R，LIU M.A technique of line-spectrum detection based on artificial intelligence［J］.Ship Engineering，2004，26(3): 68-71.（in Chinese）
［11］刘凯悦，彭朝晖，张灵珊，等.水下水平阵对空中运动声源的线谱探测［J］.声学学报，2019，44(4):566-575.
LIU K Y，PENG Z H，ZHANG L S，et al. Line spectrum detection of airborne moving source by underwater horizontal array［J］.Acta Acustica，2019，44(4):566-575.（in Chinese）
［12］杭汝衡.水下噪声［M］. 北京：海洋出版社，1981：35-45.
HANG R H.Underwater noise［M］.Beijing: China Ocean Press，1981：35-45.（in Chinese）
［13］ VACCARO R J，CHHETRI A，HARRISON B F. Matrix filter design for passive sonar interference suppression［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2004，115(6):3010-3020.
［14］葛士斌，陈新华，孙长瑜.具有良好宽容性的逆波束形成干扰抑制算法研究［J］.电子与信息学报，2015，37(2):380-385.
GE S B，CHEN X H，SUN C Y. The research on the algorithm of inverse beamforming for interference suppression with good robust［J］.Journal of Electronics & Information Technology，2015，37(2): 380-385.（in Chinese）
［15］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.
CHEN H， SU H J. A new approach to estimate DOA in presence of strong jamming/signal suppression［J］.Acta Electronica Sinica，2006，34 (3):530-534.（in Chinese）
［16］ LI J，STOICA P.Efficient mixed-spectrum estimation with applications to target feature extraction［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，1996，44(2):281-295.
［17］ HARRISON B F.The eigencomponent association method for adaptive interference suppression［J］. Journal of the Acoustical Society of America，2004，115(5):2122-2128.
［18］任岁玲，葛凤翔，郭良浩. 基于特征分析的自适应干扰抑制［J］.声学学报，2013，38(3):272-280.
REN S L，GE F X，GUO L H. Eigenanalysis-based adaptive interference suppression［J］.Acta Acustica，2013，38(3):272-280.（in Chinese）
［19］ CAPON J.High-resolution frequency-wave-number spectrum analysis［J］.Proceedings of the IEEE，1969，57(8):1408-1418.
［20］ STRUZINSKI W A，LOWE E D.A performance comparison of four noise background normalization schemes proposed for signal detection systems［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1984，76(6):1738-1742.

[1]	刘进伟, 彭子龙, 范军, 刘妍, 孔慧敏. 水下航行体分片参数化多亮点声散射预报方法研究[J]. 兵工学报, 0, (): 0-0.
[2]	薛城, 顾怡鸣宫在晓李整林, . 参数化时频分析在连续波有源探测中的应用[J]. 兵工学报, 0, (): 0-0.
[3]	薛灵芝, 曾向阳, 杨爽. 基于生成对抗网络的水声目标识别算法[J]. 兵工学报, 2021, 42(11): 2444-2452.
[4]	陈新华，郑恩明，李嶷，杨鹤，周权斌. 复域压缩感知近场声图测量方法[J]. 兵工学报, 2021, 42(8): 1735-1743.
[5]	王梦圆, 李整林, 秦继兴, 吴双林, 王光旭. 深海直达声区中大深度声场水平纵向相关特性[J]. 兵工学报, 2021, 42(4): 817-826.
[6]	罗祎，王杰亚，谢涛涛. 提升水下角反射器声反射性能的泡沫塑料夹层方法[J]. 兵工学报, 2020, 41(10): 2081-2087.
[7]	邵鹏飞，王蕾，王方勇. 基于序贯蒙特卡洛与概率假设密度滤波的主动分布式声纳多目标跟踪[J]. 兵工学报, 2020, 41(5): 941-949.
[8]	林伟，夏茂龙，刘正浩，黎胜，孟春霞. 水中目标自由场声辐射特性还原及远场声辐射热区识别[J]. 兵工学报, 2020, 41(1): 119-126.
[9]	刘福臣，姬托，张巧力. 基于声场模信号特征和多项式拟合的声速剖面反演技术研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(11): 2283-2295.
[10]	罗祎，陈鑫. 水下空气腔角反射器声散射特性[J]. 兵工学报, 2019, 40(10): 2129-2135.
[11]	贾基东，李淑秋，高善国. 一种基于Costas序列的多输入多输出声纳正交发射信号集设计方法[J]. 兵工学报, 2019, 40(8): 1680-1687.
[12]	鞠阳，元勇虎，林蔚，徐海生. 基于声信息的匀加速目标快速目标运动分析解算[J]. 兵工学报, 2019, 40(8): 1688-1692.
[13]	徐国军，张林，韩梅，范培勤. 基于声干涉特征匹配的水中目标运动分析研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(5): 1038-1049.
[14]	穆森，李京华，张恒，陈果. 基于谐波集检测的飞行目标水下声探测算法研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(5): 1050-1057.
[15]	郑恩明，陈新华，李嶷. 基于引导信号修正的时域干扰阻塞方法[J]. 兵工学报, 2019, 40(3): 561-569.