0 引言

    聲信號(hào)處理技術(shù)影響聲納系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)程感知、探測(cè)、定位以及識(shí)別的能力，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有方位估計(jì)(Direction of Arrival，DOA)^[1-3]和波束形成。本文聚焦具有高分辨能力的DOA估計(jì)方法，以期改善多目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤性能，從而進(jìn)一步提高聲納系統(tǒng)的遠(yuǎn)程感知能力。

    超分辨方位估計(jì)是指突破方位分辨瑞利限的一種方法，子空間類算法是其中典型的超分辨方法之一。子空間類算法主要通過對(duì)陣列輸出協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，以構(gòu)成相互正交的信號(hào)子空間和噪聲子空間。子空間類算法通常分兩種：一種是以多重信號(hào)分類算法(MUltiple SIgnal Classification，MUSIC)^[4]為典型代表的噪聲子空間算法，另一種是以旋轉(zhuǎn)不變子空間算法^[5-6](Estimation of Signal Parameter via Rotational Invariance Techniques，ESPRIT)為典型代表的信號(hào)子空間算法。MUSIC算法利用陣列流形向量與噪聲子空間的正交特性來實(shí)現(xiàn)超分辨方位估計(jì)，ESPRIT算法則利用數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣中信號(hào)子空間的旋轉(zhuǎn)不變特性給出目標(biāo)方位的估計(jì)值，且ESPRIT算法計(jì)算量較MUSIC算法小。

    由于MUSIC算法和ESPRIT算法在估計(jì)目標(biāo)方位時(shí)，均假設(shè)噪聲為加性白噪聲，故噪聲協(xié)方差矩陣可以寫為噪聲方差與單位矩陣的乘積形式。然而，各陣元接收的實(shí)際環(huán)境噪聲可能是相關(guān)的，并且由于風(fēng)成噪聲和遠(yuǎn)處航船噪聲等因素的影響，環(huán)境噪聲強(qiáng)度的空間分布也可能具有方向性^[7]。為此，本文通過建立非均勻環(huán)境噪聲的信號(hào)處理模型，引入稀疏譜擬合算法，提出了一種基于稀疏譜擬合的超分辨估計(jì)算法，從而有效提高非均勻噪聲環(huán)境下的超分辨方位估計(jì)性能。

1 非均勻環(huán)境噪聲模型

    考慮陣列流形為a(θ)∈C^M×1陣元個(gè)數(shù)為M的水聽器陣列接收K個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶入射信號(hào)，根據(jù)窄帶陣列信號(hào)處理模型，在假設(shè)噪聲與信號(hào)不相關(guān)的條件下，數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣表示為：

    通常認(rèn)為水聽器陣列的各陣元噪聲是互不相關(guān)的，一般假設(shè)n(t)為零均值的高斯白噪聲，即E{n(t)n^H(t)}=σ²I，σ²為噪聲方差。此假設(shè)模型對(duì)于電路系統(tǒng)的熱噪聲也適用，然而在實(shí)際環(huán)境噪聲條件下，各陣元接收到的環(huán)境噪聲可能是相關(guān)的，其空間分布也可能是不均勻的。為了更加客觀地表示環(huán)境噪聲場(chǎng)信息，通過使用線性噪聲模型(Linear Noise Model)^[8-9]，認(rèn)為環(huán)境噪聲是空間非均勻分布的噪聲場(chǎng)，并假定噪聲強(qiáng)度是方位角θ的函數(shù)。

    給定采樣時(shí)間t，噪聲強(qiáng)度可看作是一個(gè)隨機(jī)變量v(θ，t)。此時(shí)，陣元接收噪聲波形為：

式中，

2 基于稀疏譜擬合的超分辨方位估計(jì)

    本節(jié)利用建立的非均勻環(huán)境噪聲模型，引入稀疏譜擬合(Sparse Spectrum Fitting，SpSF)算法，提出了一種基于稀疏譜擬合的超分辨方位估計(jì)算法。

    假定空間非均勻環(huán)境噪聲條件下，利用式(8)的線性噪聲模型，對(duì)式(11)兩邊進(jìn)行矩陣向量化運(yùn)算可得^[10]：

式中，λ為正則因子。

    由式(15)可知，DN-SpSF算法對(duì)環(huán)境噪聲信息進(jìn)行參數(shù)化擬合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)方位估計(jì)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 DN-SpSF算法方位譜估計(jì)

    考慮兩個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶信號(hào)分別從45°和90°入射到一個(gè)半波長(zhǎng)間隔的10陣元均勻直線陣上，假定端射方向?yàn)?°與180°，入射信號(hào)的功率均為0 dB，且入射信號(hào)間互不相關(guān)。空間噪聲功率密度函數(shù)ε(θ)如圖1所示，生成噪聲所用的模型階數(shù)為3階，相應(yīng)的傅里葉級(jí)數(shù)展開系數(shù)為η=[1.5，0，0.2，0，0.4，0，0.1]^T?？偟目炫臄?shù)等于陣元數(shù)的10倍，即T=100。SpSF和DN-SpSF兩種算法中，取正則參數(shù)λ為2。觀測(cè)空間從0°變化到180°，并以0.1°為步長(zhǎng)間隔。也就是說，掃描網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為Ω=1 801，而信號(hào)個(gè)數(shù)為K=2，故Ω>>K，滿足稀疏信號(hào)處理模型的條件。仿真時(shí)信噪比為-10 dB，DN-SpSF算法中使用的線性噪聲模型階數(shù)與生成噪聲所用模型階數(shù)都為3階。

    信噪比定義為第一個(gè)信號(hào)功率與參考陣元接收噪聲功率的比值，即：

    對(duì)比了常規(guī)波束形成(Conventional Beamforming，CBF)、SpSF和DN-SpSF三種估計(jì)算法，相應(yīng)方位譜如圖2所示。由圖可以看出，CBF算法由于受到非均勻環(huán)境噪聲的影響，具有很高的旁瓣級(jí)，且旁瓣走勢(shì)也與空間噪聲功率密度譜走勢(shì)一致。SpSF和DN-SpSF算法由于利用了信號(hào)模型的稀疏特性，其方位估計(jì)性能明顯優(yōu)于CBF算法，旁瓣級(jí)也被控制在更低的水平上。由于SpSF算法的旁瓣走勢(shì)也與空間噪聲功率密度譜走勢(shì)一致，這導(dǎo)致方位譜估計(jì)的信號(hào)功率嚴(yán)重失真。DN-SpSF算法利用了線性噪聲模型，故具有最低的旁瓣水平和最高的空間分辨能力，空間噪聲功率密度譜的影響基本被屏蔽。

3.2 正則參數(shù)λ對(duì)DN-SpSF的影響

    仿真條件同3.1，對(duì)SpSF和DN-SpSF算法進(jìn)行Monte Carlo實(shí)驗(yàn)，正則參數(shù)取值范圍從0.5變化到3，以0.1為步長(zhǎng)間隔，獨(dú)立試驗(yàn)次數(shù)200次，信噪比0 dB。

    DOA估計(jì)的均方根誤差(Root-Mean-Square Error，RMSE)定義為：

    圖3給出了SpSF和DN-SpSF算法在不同正則參數(shù)取值條件下方位估計(jì)的RMSE?？梢钥闯?，在非均勻環(huán)境噪聲背景條件下，DN-SpSF算法較SpSF算法具有更低的RMSE，且SpSF算法的RMSE值隨著正則參數(shù)的變化在很窄的數(shù)值范圍內(nèi)變動(dòng)，說明DN-SpSF算法對(duì)正則參數(shù)的取值較SpSF算法更為穩(wěn)健。

3.3 線性噪聲模型階數(shù)選取對(duì)DN-SpSF算法性能的影響

    仿真條件同3.1，DN-SpSF算法所用的線性噪聲模型階數(shù)取值從1階連續(xù)增加到5階，同時(shí)分別在信噪比在0 dB和-5 dB條件下對(duì)DN-SpSF算法重復(fù)進(jìn)行200次獨(dú)立試驗(yàn)，正則參數(shù)取為2。

    選取不同線性噪聲模型的階數(shù)，并將相應(yīng)的RMSE列于表1中。當(dāng)DN-SpSF算法中使用線性噪聲模型階數(shù)的取值接近或者大于生成噪聲功率密度譜的階數(shù)（仿真時(shí)生成噪聲功率密度譜的階數(shù)為3階）時(shí)，RMSE的值近似不變，并且明顯小于1階噪聲模型的情況。正如式(9)和式(10)所示，考慮到在實(shí)際感興趣的海洋環(huán)境中，空間噪聲功率密度ε(θ)通常是一個(gè)隨著方位角θ緩慢變化的平滑函數(shù)，傅里葉級(jí)數(shù)展開的高階項(xiàng)系數(shù)近似為零。因此，傅里葉級(jí)數(shù)展開的低階項(xiàng)是影響噪聲空間譜擬合性能的關(guān)鍵因素，式(8)中線性噪聲模型的階數(shù)L通常為一個(gè)較小的數(shù)值。在海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，選取模型階數(shù)為5階，且認(rèn)為5階已足夠包含主要的低階傅里葉級(jí)數(shù)展開項(xiàng)。

3.4 海上試驗(yàn)驗(yàn)證

    本小節(jié)使用DN-SpSF算法進(jìn)行水下聲源的DOA估計(jì)，并與傳統(tǒng)的CBF算法和SpSF算法進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步說明了DN-SpSF算法在非均勻海洋環(huán)境條件下的方位估計(jì)性能。

    海上試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行水聲信號(hào)采集用的是一條32陣元的均勻線列陣，試驗(yàn)季節(jié)在秋季，試驗(yàn)地點(diǎn)為南海某海域。32陣元均勻線列陣的陣元間距為4 m，水平置于海面以下50 m處。兩條實(shí)驗(yàn)船分別記為A和B，在陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)范圍沿著直線軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖4所示。

    觀測(cè)空間Θ=[0°，180°]以0.5°為步長(zhǎng)間隔劃分掃描網(wǎng)格，端射方向?yàn)?°和180°方向。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，關(guān)注的帶寬在100 Hz到200 Hz的低頻段，采樣頻率為f_S=2 048 Hz，快速傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)取2 048個(gè)采樣點(diǎn)。整個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度取為60 min，積分時(shí)間設(shè)為20 s，每個(gè)積分時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)被劃分為20個(gè)時(shí)間快拍，且使用50%作為快拍數(shù)據(jù)重疊率。

    圖5中給出了算法CBF、SpSF和DN-SpSF的時(shí)間方位歷程，其中DN-SpSF算法使用5階線性噪聲模型，SpSF和DN-SpSF算法的正則參數(shù)均為0.5。兩艘實(shí)驗(yàn)船軌跡和一些其他干擾均顯示在圖5(a)～圖5(c)中。依據(jù)實(shí)驗(yàn)船提供的GPS信息，實(shí)驗(yàn)船A從大約150°的角度方向運(yùn)動(dòng)到180°的水聽器基陣端射方向，然后接著運(yùn)動(dòng)到大約90°的正橫方向。當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在端射附近時(shí)，DOA的估計(jì)性能急劇下降，這是由于在端射附近，水聽器基陣的等效孔徑尺度將嚴(yán)重下降。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)船B從大約60°方向運(yùn)動(dòng)到大約150°方向，并且由近及遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)度反映在空間譜圖的幅度上。

    如圖5所示，由于利用了信號(hào)模型的稀疏性，SpSF和DN-SpSF算法的時(shí)間方位歷程圖明顯優(yōu)于CBF算法。容易看出，在前30 min的時(shí)間方位歷程圖上，SpSF和DN-SpSF算法估計(jì)的實(shí)驗(yàn)船B的空間方位較CBF算法分辨能力更高。然而，實(shí)際的環(huán)境噪聲由于風(fēng)成噪聲和遠(yuǎn)處航船噪聲影響，通常是非均勻的。如圖5(c)所示，利用線性噪聲模型，DN-SpSF算法較SpSF算法可以獲得更低的旁瓣水平。圖5(d)是上述算法在t=35 min時(shí)的方位譜圖，DN-SpSF算法在實(shí)驗(yàn)船A和B中間的空間角度范圍內(nèi)的平均旁瓣級(jí)為-36.7 dB，明顯小于SpSF算法的-28 dB。同時(shí)，圖5(d)中使用SpSF算法得到實(shí)驗(yàn)船A和B的信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)值分別為-12.86 dB和-9.42 dB；使用DN-SpSF算法得到實(shí)驗(yàn)船A和B的信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)值分別為-13.02 dB和-9.32 dB。因此，DN-SpSF算法可以獲得和SpSF算法估計(jì)信號(hào)強(qiáng)度一致的方位譜圖，并且DN-SpSF算法具有更低的旁瓣級(jí)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了DN-SpSF算法具有更好的環(huán)境適應(yīng)性。

4 結(jié)論

    考慮到各陣元接收到的實(shí)際環(huán)境噪聲可能是相關(guān)的，并且由于風(fēng)成噪聲和遠(yuǎn)處航船噪聲等因素，環(huán)境噪聲強(qiáng)度的空間分布也可能具有方向性，因此本文提出了基于稀疏譜擬合的超分辨方位估計(jì)算法。該算法利用信號(hào)方位的稀疏性和線性噪聲模型擬合誤差的l1，l2范數(shù)聯(lián)合最小化實(shí)現(xiàn)非均勻環(huán)境噪聲條件下的超分辨方位估計(jì)。仿真試驗(yàn)討論了正則參數(shù)和線性噪聲模型階數(shù)對(duì)算法的性能影響，海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理有效驗(yàn)證了基于稀疏譜擬合的超分辨估計(jì)算法的性能。

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作者信息:

郭曉明，吳姚振，喬正明

（中國(guó)人民解放軍海洋環(huán)境保障基地籌建辦公室，北京100088）