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冰下界面混响建模及时空抗混响处理方法研究

摘要

近年来极地声学受到广泛关注，极地海洋环境复杂多变，主动声纳在冰下海洋环境

探测过程中会产生强烈的混响，这种现象严重影响主动声纳的探测性能，在主动声纳的

应用研究中，对混响抑制方法的探索从未停止过。本文从混响空时域和波束域出发，基

于运动平台下混响的空时二维耦合特性以及静止平台下多帧混响波束数据结构的低秩

特性，应用空时二维自适应处理方法和低秩稀疏分解方法实现混响抑制。

极地海洋环境复杂多变，不同区域的冰层散射特性不同，实验海域采集的散射特性

无法应用到其他海域，为提高主动声纳探测性能，需要建立更具普遍性的冰下混响理论

模型。当水下平台在海洋环境中运动时，平台与散射体之间的相对运动会引起多普勒频

移，另外在冰下环境中，冰层会由于海风等环境因素发生漂浮运动，同样会引起多普勒

频移。本文基于单元散射模型建立基于运动平台的冰下界面混响模型，该模型体现了平

台运动以及冰层漂浮带来的多普勒频移现象以及计算传播引起的传播损失、散射引起的

振幅相位变化和散射强度等。仿真结果表明模型符合混响的理论统计特性，且能反映出

平台运动以及冰层漂浮带来的多普勒频移现象。

平台运动及冰层漂动带来的多普勒频移大小与方位角息息相关，这表现为混响的空

时耦合性。空时自适应处理基于混响空时耦合性建立最优滤波器实现对混响空域和时域

的二维滤波，本文通过分析混响的空时分布特性利用空时二维自适应进行抗混响处理。

通过全维空时自适应及两种降维空时自适应(先滑窗滤波再时空联合处理、局域联合处

)

理的仿真表明，空时自适应可以有效抑制混响，且在理想情况下能够体现出不同条件

下混响的空时分布。

当平台静止时，声纳接收的多帧信号波束域中帧间混响存在强相关性，而目标由于

运动能量一直在变化，所以相关性很弱，在数据矩阵中体现为低秩特性和稀疏特性。本

文基于多帧数据联合处理思想，分析讨论了采用迭代加权最小二乘法(IRLS)实现低秩稀

疏分解的算法，通过性能分析发现该算法效果良好但会受参数设置影响，并通过真实目

标实验验证了这一结论。

混响仿真模型为后续运动平台下的冰下混响抑制技术提供了理论基础。两种抗混响

方法充分运用混响特性有效抑制了混响，具有实际应用价值。

关键词：冰下混响建模；混响抑制；空时自适应；低秩稀疏；迭代加权最小二乘

冰下界面混响建模及时空抗混响处理方法研究

Abstract

Inrecentyears,polaracousticshasbeenwidelyconcerned,andthepolarMarine

environmentiscomplexandchangeable,soactivesonarwillproducestrongreverberationin

thedetectionprocessofundertheiceoceanenvironment.Thisphenomenonseriouslyaffects

thedetectionperformanceofactivesonar.Intheapplicationresearchofactivesonar,the

explorationofreverberationsuppressionmethodhasneverstopped.Basedfromthe

reverberantspacetimedomainandbeamdomain,basedonthespace-timetwo-dimensional

couplingcharacteristicsofreverberationunderthemotionplatformandthelow-rank

characteristicsofmulti-framereverberationbeamdatastructure,theadaptiveandspace-time

low-rankspars