空时自适应处理（STAP)技术是近年来主动声呐领域的一个重要研 究方向。《主动声呐空时自适应处理技术》是关于主动声呐STAP技术的一部专著，《主动声呐空时自适应处理技术》包含了作者十余 年来从事STAP技术相关科研工作的研宄成果，同时参考了散见于国内外各 种文献的相关内容。《主动声呐空时自适应处理技术》共8章，系统地介绍了主动声呐STAP的基本理 论、模型与方法。主要内容包括主动声呐STAP模型与方法、主动声呐降 维STAP、主动声呐知识基STAP、多输入多输出声呐STAP、双基地声呐 STAP、主动声呐空时自适应检测以及主动声呐知识基空时自适应检测等。

本书可供从事水声工程、雷达工程、电子工程、信号与信息处理等专业的科技人员阅读和参考，也可以作为上述专业的研究生教材。

目录
丛书序
自序
第１章绪论 1
1.1主动声呐研究的背景与意义 1
1.2主动声呐混响抑制 3
1.3空时自适应处理技术 6
1.3.1主动声呐STAP技术的特点 6
1.3.2STAP技术的研究历史及现状 7
1.3.3主动声呐STAP技术发展趋势 10
1.4空时自适应检测技术 12
参考文献 15
第2章主动声呐STAP模型与方法 20
2.1主动声呐STAP模型 20
2.1.1机载雷达数据结构 20
2.1.2单脉冲数据组织 21
2.1.3干扰空时模型 27
2.2主动声呐STAP方法 34
2.2.1*优 STAP 34
2.2.2STAP工作流程 35
2.2.3性能评价指标 36
2.3性能影响因素 38
2.3.1辅助数据长度 38
2.3.2计算复杂度 40
参考文献 41
第3章主动声呐降维STAP 43
3.1降维STAP基本原理 43
3.2固定结构降维STAP 44
3.2.1EFA-STAP 44
3.2.2staggered-STAP 46
3.2.3JDL-STAP 48
3.2.4性能分析 50
3.3自适应降维STAP 52
3.3.1CS-STAP 52
3.3.2GSCCS-STAP 54
3.3.3MPE-STAP 56
3.3.4性能分析 58
参考文献 59
第4章主动声呐知识基STAP 61
4.1斜对称 STAP 61
4.1.1斜对称特性 61
4.1.2STAP权向量计算 63
4.1.3性能分析 65
4.2稀疏恢复STAP 66
4.2.1问题建模 67
4.2.2MIAA-STAP 69
4.2.3SPICE-STAP 71
4.2.4SLIM-STAP 73
4.2.5性能分析 76
4.3权向量稀疏STAP 78
4.3.1基本原理 78
4.3.2Zj -RLS-STAP 79
4.3.3-SMI-STAP 80
4.3.4性能分析 82
参考文献 84
第5章多输入多输出声呐STAP 86
5.1基本概念 86
5.1.1空域维度 86
5.1.2虚拟孔径 87
5.1.3角度分辨率 89
5.2MIMO声呐空时模型 91
5.2.1接收信号空时模型 91
5.2.2混响空时模型 93
5.2.3混响特征谱 94
5.3MIMO-STAP 方法 96
5.3.1空时二维谱 97
5.3.2混响抑制性能 99
5.4知识基 MIMO-STAP 101
5.4.1基于 Per-MIAA 的 MIMO-STAP 102
5.4.2基于 SLIM 的 MIMO-STAP 104
5.4.3性能分析 105
参考文献 107
第6章双基地声呐STAP 109
6.1双基地声呐混响的空时特性 109
6.1.1几何配置关系 109
6.1.2混响空时分布 110
6.2基于平台信息的辅助数据补偿 116
6.2.1DC 116
6.2.2ADC 118
6.2.3性能分析 119
6.3自适应辅助数据补偿 122
6.3.1DBU 122
6.3.2NTW 125
6.3.3AADC 127
6.3.4性能分析 128
6.4知识基双基地STAP 131
6.4.1双基地斜对称STAP 131
6.4.2双基地 MIAA-STAP 131
6.4.3双基地 SPICE-STAP 134
6.4.4性能分析 135
参考文献 138
第7章主动声呐空时自适应检测 140
7.1二元假设检验问题 140
7.2常用检验准则 141
7.2.1一步 GLRT 准则 142
7.2.2两步 GLRT 准则 142
7.2.3Rao 准则 143
7.2.4Wald 准则144
7.3 **STAD检测器 145
7.3.1 一步 GLRT 检测器 145
7.3.2两步GLRT检测器 147
7.3.3 Rao 检测器 148
7.3.4 Wald 检测器 149
7.4性能分析 150
7.4.1均匀环境 150
7.4.2部分均匀环境 153
参考文M 156
第8章主动声呐知识基空时自适应检测 157
8.1 斜对称STAD检测器 157
8.1.1问题建模与检测器设计 157
8.1.2性能分析 163
8.2谱对称STAD检测器 166
8.2.1问题建模 167
8.2.2检测器设计 167
8.2.3性能分析 177
8.3双知识基STAD检测器 179
8.3.1 问题建模 180
8.3.2检测器设计 181
8.3.3性能分析 185
8.4贝叶斯STAD检测器 187
8.4.1 问题建模 188
8.4.2检测器设计 188
8.4.3性能分析 191
参考文献 193
索引 195
彩图

第1章绪论
　　1.1主动声呐研究的背景与意义
　　我国是一个大陆海岸线长约18000公里、管辖海域面积约300万平方公里的 海洋大国，拥有广泛的海洋战略利益和大量的海洋资源。目前，我国海洋事业发 展已进入历史机遇期，为实现加快建设海洋强国这一国家战略，开展海洋信息获 取与应用技术研究有着至关重要的意义[1-6]。
　　经过国内外学者的长年探索，发现声波是在水介质中传播损失*小的信息载 体。声呐的定义为利用水下声波判断海洋中物体的存在、位置及类型的方法和设 备[5_7]，可见声呐的作业介质是水，信息载体是以机械纵波形式传递的声波。相比 电磁波，声波在水中传播时被水介质吸收的能量要小很多，可以在水下远距离 传播，因此声呐是当前*主流的水下探测设备，已广泛应用于海洋观测、海底 石油勘测、海洋灾害预报等领域。在国家安全领域，声呐也是不可或缺的关键 装备之一，在水下目标探测、跟踪识别、水下导航定位等应用中发挥着不可或 缺的作用。
　　早在第二次世界大战时期，科研人员就意识到利用信号处理技术可提升接收 信号的信噪比，大幅增加了声呐系统的作用距离。但受当时水声物理和电子信息 等领域的技术水平所限，早期的声呐接收机仅对回波信号进行放大和检波，声呐 员依据显控平台的信号幅度来判定监控区域内是否存在可疑目标。这种人工判决 方式对声呐员的个人专业经验要求高，且需要长时间监视显控平台，存在较大的 漏检和错判风险。随着水声物理学的发展，科学家对声波在水下传播物理规律的 认识逐渐加深，如可以更精确地对声波的传播过程进行定量描述，这些工作为从 复杂的水下环境提取有用信息奠定了理论基础。另外，近年来信息技术发展迅猛， 一系列高性能数字信号处理器不断出现，使得将现代信号处理算法应用于声呐系 统成为可能，从而为其实现自动判决功能提供了技术基础。
　　目前已研制成功并应用的新型声呐种类繁多，按照工作方式可分为主动声呐 和被动声呐[8]，按照功能用途可分为探测声呐、通信声呐、定位声呐和导航声呐 等，按装备对象可分为水面舰艇声呐、潜艇声呐、航空声呐和岸基声呐等，按照 发射机和接收机的布放位置可分为单基地声呐和双/多基地声呐。下面我们聚焦按 工作方式的分类，其中被动声呐主要由换能器基阵、接收机、显控平台等几部分
　　组成，如图1.1所示。被动声呐是*早出现的声呐系统，其捕捉的对象是目标自 身辐射的声波信号，具有结构简单、隐蔽性高、成本较低等优点[5]。20世纪后半 叶，随着舰船声隐身技术的不断发展，舰船自身辐射噪声能量大幅降低，导致被 动声呐往往工作在低信噪比环境，其探测性能受到严峻挑战。
　　与被动声呐不同，主动声呐有目的地发射特定形式的声波信号照射监测区域， 其捕捉对象是目标的反射回波。主动声呐具有设计灵活、对隐身目标探测能力强、 参数测量精度高等优点，近年来受到声呐工作者的青睐。主动声呐主要由换能器 基阵（包含发射基阵和接收基阵)、发射机、定时模块、接收机、显控平台等几部 分组成，如图1.2所示。主动声呐不仅能够判定水下目标是否存在，还能通过对 回波时延、目标多普勒频率等信息的测量实现对目标距离、径向速度（也称为多 普勒速度）等参数的估计，所探测的对象包括水下航行器等运动目标以及沉船等 固定目标。主动声呐通常采用相控阵工作方式，即通过对发射阵元和接收阵元的 信号相位进行精确调节，使得在所期望的方向上分别形成发射波束和接收波束， 从而提高目标回波的信混比并达到提升目标检测性能的目的。值得一提的是，单 输入多输出（single-input multiple-output，SIMO)声呐可以看成是相控阵声呐的一 个特例，其特点是在发射端使用单个阵元发射信号，而在接收端对回波信号进行 相控接收[9]。由于SIMO声呐的发射端较为简单，其适合作为不同类型声呐性能 对比的基准。
　　我国近海水域大部分属于典型的浅海区域。对于在该区域作业的主动声呐 而言，除了船舶噪声、海洋背景噪声外，混响是影响其探测性能的主要干扰因 素[1，1()_11]。混响可以看作是一种由主动发射引发的干扰，当发射信号被水中的不 均匀介质或不规则边界散射时，就会产生大量散射波，它们在接收换能器基阵处 叠加形成混响。主动声呐工作时需要对混响进行有效抑制，否则其性能将受到严 重影响。
　　1.2主动声呐混响抑制
　　如1.1节所述，对工作于浅海的主动声呐来说，抑制混响是其*主要的一个 任务。从信号处理角度看，抑制混响的方法主要包括发射波形设计和接收信号后 处理两部分。
　　主动声响常用的发射波形包括连续波（continuous wave， CW)、线性调频 (linear frequency modulated， LFM)波和双*调步页(hyperbolic frequency modulated， HFM)波等[8]，具体波形及对应的频谱如图1.3所示。CW脉冲可视为加矩形窗的 单频信号，属于窄带信号，由于其带宽和脉宽互为倒数，所以CW脉冲的距离分 辨率和多普勒分辨率不可兼得。LFM脉冲在整个可用频带范围内能量分布相对均 匀，其带宽和脉宽可以单*设置，所以具备同时调节距离分辨率和多普勒分辨率 的能力。对于低径向速度目标，LFM脉冲受到混响的影响更小，但是随着目标多 普勒频率的增大，CW脉冲的抗混响能力将超越LFM脉冲。HFM脉冲的特点是 具有多普勒不变性，其抗混响能力不受目标多普勒频率大小的影响。具体来说， 对于采用HFM脉冲的主动声呐，其匹配滤波后的输出幅度不会因为目标与声响 之间存在相对运动而发生明显变化，但是相对运动造成的目标多普勒频率将引入 附加时延，会导致HFM脉冲的测距精度下降[12]。
　　图1.3主动声呐常用的发射波形及对应频谱
　　近年来，正弦调频（sinusoidal frequency modulated， SFM)、调频脉冲串（pulse trains of frequency modulated，PTFM)等梳状谱波形的研究取得了一定进展，SFM和PTFM的波形及对应频谱如图1.4所示。相比上述常用发射波形，梳状谱波形 的频谱由许多*立的线谱或子谱组成，其能量如同宽带信号一样在频域广泛分布，而较窄的线谱或子谱分量如同单频信号一样具有多普勒敏感性，因此梳状谱波形 理论上同时具有较高的距离分辨率和多普勒分辨率[13_15]。实际上，SFM和PTSM 都可以看成是由一个单周期调频信号构成的子脉冲与一个周期冲击序列进行卷积 形成的，其中SFM频率与时间的变化关系是一个低频正弦波，PTFM则呈现出多个LFM脉冲频谱重复的特征。这两类信号虽然对单个目标的距离分辨率较髙，但 也存在较多旁瓣、测量模糊、多峰值及峰值混叠等问题。对于梳状谱波形感兴趣 的读者，可进一步参阅文献[16]等相关资料。
　　图1.4 SFM信号和PTFM信号波形及对应频谱
　　接收信号后处理方法可分为空域滤波处理和时域滤波处理两种，二者往往釆 取级联方式实现对混响的抑制，级联顺序可以为先空后时，也可以先时后空。空 域滤波处理利用的是阵列信号处理中的波束形成技术，它能让空间中某些方位或 区域的信号通过，而抑制其他方位或区域的干扰[17_18]。对于时域滤波，*常用的 手段是匹配滤波（matched filter， MF)技术，匹配滤波器是*佳线性滤波器的一种， 其准则是*大化输出信号，具有天然的抑制混响能力[19_2()]。如果是对非平稳、非 高斯混响进行抑制，往往需要先对接收数据做预白化处理，再进行匹配滤波处理。
　　作为一种伴随发射信号产生的特殊干扰，混响在频域和空域所覆盖的区域与 发射信号基本重合[21_22]。而当主动声呐载体具有一定的运动速度时，从不同空间 锥角入射的散射回波将具有不同的多普勒频率，会使混响频谱呈现出大幅扩展现 象，该现象称为混响的空时耦合特性。图1.5给出了典型阵面构型条件下运动声 呐混响的空时分布示意图，可以看到，前视阵和正侧视阵的混响在由归一化空间 频率和多普勒频率（具体定义见2.1.3小节）所组成的空时平面上分别表现为椭圆 *线和一条斜线。空时耦合特性会导致静止或低径向速度目标回波在频域上完全 被混响所掩盖，此时前述级联滤波方法由于未考虑阵列运动所带来的影响，其混 响抑制及目标检测性能将大幅下降。
　　图1.5运动声呐混响的空时分布示意图
　　事实上，运动声呐混响的空时耦合特性与机载雷达杂波的空时扩展特性非常 相似[23-27]。对于机载雷达而言，当目标相对于机载阵列具有非零的径向速度时， 目标回波与杂波在角度-多普勒平面上是可分离的。STAP技术正是利用这一特点， 将单一的时域或空域滤波扩展为空时二维滤波，即使用二维滤波器在角度域和频 率域（也称为多普勒域）进行联合滤波，从而达到实现隐式的平台运动补偿、滤 除空时扩展杂波的目的[28-30]。近年来，国内外声呐工作者尝试将STAP技术用于 抑制混响[25，31-38]，取得了可喜的研究进展。
　　1.3空时自适应处理技术
　　1.3.1主动声呐STAP技术的特点
　　根据散射体的不同可以将混响分为三类：**类是散布于海水本身的众多杂 乱散射体引起的体积混响，例如水流的不均匀性、海洋生物、沙粒、鱼群等散射 体；第二类是海面混响，由波浪形成的气泡层及海面的不平整性所引起；第三类 是海底沉积物或不平整海底引起的海底混响。第二类和第三类混响散射体的分布 是二维的，这种混响被视为界面混响[39-41]。值得说明的是，在浅海环境中，界面 混响相比体积混响对主动声呐的影响要大很多。从产生机理来看，主动声呐的界 面混响与机载雷达对地、对海探测时所面临的地海杂波具有髙度的相似性，这种 相似性为STAP技术应用于主动声呐提供了重要依据[25，39]。
　　机载雷达通常采用脉冲多普勒体制，也称为机载脉冲多普勒雷达，它在一个 相干处理间隔（coherent processing interval， CPI)内发射并接收由多个相干脉冲组