水下运动目标前向散射探测的直达波抑制方法研究

When objects are penetrated into the source-receiver line of bistatic sonar, the forward scattering signal is interference with strong direct blast in this situation. It’s not easily detected using the traditional processing technologies for bistatic sonar. However, the scattering signal strength from forward direction is about 20dB above the backward scattering signal. If the direct blast is well suppressed, the advantage of forward scattering would be exploited fully, and the performance of underwater detection would be elevated. Hence, the direct blast suppression technologies will be investigated..In this project, the pulse compression with mismatched filter will be researched and time frequency analysis will be utilized for the waveguide response acquisitions of the direct blast and forward scattering signal. Hence, the cancelling method with the stable waveguide impulse response of direct blast, and the method with the direct blast set to be zero after the coherent processing will be researched to suppress the direct blast. The generalized spatial filtering combined with range-frequency interference pattern will also be proposed for direct blast suppression. The forward scattering signal is kept and the direct blast is suppressed. The key problems for direct blast suppression for forward scattering will be solved. These results will provide some significant theories and methods for real application.

当物体位于双基地声纳的收发连线附近时，由于散射信号在时频空域上受直达波的强干扰，导致常规的双基地声纳处理方法失效。然而，此时目标的前向散射信号强度比反向散射信号强度可高出20dB以上，若能够实现对直达波的抑制，就能充分利用前向散射的优势，实现对水下目标远程探测。因此，本课题拟重点研究前向散射探测中的直达波抑制技术。.本课题通过失配滤波器设计和时频分析等，深化水声信道中直达波和前向散射信号的响应特征，以此为基础，研究直达波信道响应相消和垂直阵上信道响应相关输出的直达波置零处理方法，以及基于信道中声场距离-频率相干特征的直达波广义空域滤波方法等，在抑制直达波的同时保持前向散射信号不变，最终突破水下目标前向散射远距离探测中的直达波抑制难题，为提高前向散射探测能力奠定必要的理论和方法基础。

在前向散射探测中，直达波干扰是急需解决的问题之一，本项目围绕这一问题开展研究，深化目标前向散射引起的声场时空特性变化物理机理研究，通过将垂直阵波束形成技术分别用于信道中目标散射场理论模型计算数据和湖上实验验证数据，分析了等声速环境中目标前向声散射简正波耦合的垂直阵空域响应特征。结果表明，目标靠近接收端时前向散射引起的声波垂直达到结构与无目标时相比差异显著，高阶简正波向低阶简正波转化导致信号到达时延宽度展宽，采用指向水平方向的窄波束可显著提取目标前向散射引起的接收声波变化特征。在此基础上针对动态环境提出了基于声信号波形的自适应相消处理框架，定义了基于误差序列的二阶累积量作为待检测量，结果表明当目标靠近收发连线时检测结果可以调高10dB。针对多脉冲信号检测提出了基于机器学习的检测方法，该方法使用小规模、未标记的数据进行训练，将数据空间分为正常和异常数据空间。采用了归一化的包络谱来提高在实际应用环境中进行检测的鲁棒性。实验结果表明，当接收机收到的声场像差约为1 dB时检测器仍然能够成功实现检测。针对单脉冲信号检测提出了一种基于广义似然比检验方法的双基地声纳盲区目标检验方法，数值仿真证实了该方法的有效性。该方法可分为已知噪声方差和未知噪声方差两种情况，通过预先对两种假设条件下的多径时延进行估计，计算接收信号的似然比与检测门限即可实现对盲区内目标的检测，该方法具有恒虚警率特性，可以根据所需要的虚警率选取门限，并对于不同的信噪比条件可以保持同样的虚警率不变。