簡析高頻水聲信號(hào)的空間相關(guān)性

周慶飛，沈亞東

91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041

于聲納裝備和魚雷自導(dǎo)的系統(tǒng)當(dāng)中，一般采用多個(gè)的換能器基元組合而成水聲換能設(shè)備。經(jīng)過處理各個(gè)基元所獲取的信號(hào)，就能夠獲得相關(guān)的目標(biāo)和背景的特點(diǎn)，繼而進(jìn)行對目標(biāo)的檢測，識(shí)別目標(biāo)。為了獲得優(yōu)良的目標(biāo)檢測與識(shí)別的性能可對于各個(gè)基元所輸出的信號(hào)采用空間與實(shí)踐處理的方法。當(dāng)中，目標(biāo)和背景信號(hào)的空間整理特點(diǎn)極大地影響著陣列處理的效果。高頻水聲信號(hào)的收集和探析主要運(yùn)用聲學(xué)陣列方法，收集高頻水聲信號(hào)數(shù)據(jù)的處理和探析對高頻水聲信號(hào)的陣列形式有著密切的聯(lián)系。于當(dāng)前的高頻水聲設(shè)備當(dāng)中，多是窄帶信號(hào)的形式，因此對于高頻水聲信號(hào)的收集數(shù)據(jù)過程中應(yīng)當(dāng)采用差頻預(yù)方法進(jìn)行處理，可使得數(shù)據(jù)信息不受損失，又可使得采樣的頻率降低，以減輕數(shù)據(jù)的處理負(fù)擔(dān)。

1 高頻水聲信號(hào)數(shù)據(jù)收集、分析系統(tǒng)

高頻水聲信號(hào)數(shù)據(jù)的收集、分析系統(tǒng)主要適用于海上的實(shí)航所實(shí)驗(yàn)信號(hào)的記錄與收集、計(jì)算機(jī)的后置分析處理的功能。高頻水聲信號(hào)數(shù)據(jù)的收集、分析系統(tǒng)的構(gòu)成。高頻水聲數(shù)據(jù)的收集、分析系統(tǒng)主要是由聲學(xué)基陣和水下的傳輸驅(qū)動(dòng)器、船上的接收電路以及多通道的差頻轉(zhuǎn)換器、收集數(shù)據(jù)的處理器、收集數(shù)據(jù)分析處理器等構(gòu)成。聲學(xué)基陣的功能主要為接收海上高頻水聲的目標(biāo)與背景信號(hào)，并將收集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲電信號(hào)；船上的接收電路功能主要是接收長電纜所傳輸電信號(hào)，并且完成和長電纜的電性能配合與記錄多通道的信號(hào)；多通道的差頻轉(zhuǎn)換器功能主要是完成轉(zhuǎn)換高頻的電信號(hào)頻帶，并且使得其由高頻降到低頻；數(shù)據(jù)收集處理、分析器的功能主要是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的回波與背景數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤和處理、數(shù)據(jù)圖形的顯示、分析。該系統(tǒng)適用的環(huán)境為：海區(qū)的深度為40m～50m之間；基本的入水深度為7.5m；水文的條件為等溫層、3級(jí)以下的海況；目標(biāo)的距離為400m～1500m。

2 高頻水聲信號(hào)的空間相關(guān)性分析

根據(jù)上述的高頻水聲信號(hào)數(shù)據(jù)、分析的系統(tǒng)，可對水下目標(biāo)的回波河海洋混響、水下噪聲空間的相關(guān)性進(jìn)行有針對性的試驗(yàn)探析。

2.1 對目標(biāo)回波空間的相關(guān)性進(jìn)行試驗(yàn)

該試驗(yàn)當(dāng)中運(yùn)用圖1中的水平直線基陣以收集相關(guān)目標(biāo)的回波信號(hào)，并用此進(jìn)行分析各個(gè)陣元元所輸出的信號(hào)橫向空間的相關(guān)性。試驗(yàn)當(dāng)中于淺海當(dāng)中的目標(biāo)距離是1200m～1400m，當(dāng)在600m～800m的時(shí)候，其目標(biāo)回波空間的相關(guān)性經(jīng)過多次的試驗(yàn)檢測所統(tǒng)計(jì)出的平均數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)當(dāng)中以3種不同的發(fā)射信號(hào)，以LFM、CW為發(fā)射信號(hào)，其中兩條信號(hào)的發(fā)射信號(hào)為LFM，其脈寬可為100ms和50ms，其調(diào)頻的寬度可為1000Hz和800Hz，其目標(biāo)距離分別是800m和1400m；第三條發(fā)射信號(hào)為CW，其脈寬是100ms，其目標(biāo)距離是1300m，試驗(yàn)當(dāng)中3種信號(hào)的中心頻率都是30kHz。經(jīng)試驗(yàn)可知：實(shí)際目標(biāo)的回波信號(hào)空間相關(guān)性的系數(shù)值約是 0.9，空間系數(shù)值于試驗(yàn)當(dāng)中的陣元布陣范圍當(dāng)中不以空間的距離發(fā)生變化，表明了于試驗(yàn)基陣的空間尺寸與目標(biāo)距離中，回波信號(hào)空間的相關(guān)系數(shù)較為穩(wěn)定，發(fā)射信號(hào)的形式不對其產(chǎn)生影響。

圖1 接收聲學(xué)基陣布陣形式圖

2.2 對混響空間的相關(guān)性進(jìn)行試驗(yàn)

該試驗(yàn)依然運(yùn)用圖一水平直線基陣進(jìn)行接收混響的信號(hào)，并且對陣元間所輸出的混響空間的相關(guān)性進(jìn)行分析。以LFM為發(fā)射信號(hào)，其脈沖的寬度是100ms，其中心的頻率是30kHz，其調(diào)頻的寬度是1kHz。有該試驗(yàn)可知：海洋混響空間的相關(guān)性系數(shù)隨著目標(biāo)的距離的增加而相對減小；倘若空間的距離是半波長的時(shí)候，混響空間的相關(guān)性系數(shù)為0.6；倘若空間的距離比1.5個(gè)波長還遠(yuǎn)的時(shí)候，混響空間的相關(guān)性系數(shù)為0.3。當(dāng)接收的陣元距離與半波長一樣時(shí)，混響空間的相關(guān)性系數(shù)為0.6，目標(biāo)回波的空間相關(guān)性系數(shù)卻是0.9，因此可知常規(guī)的波束形成器具有一定的抗響性能。

2.3 對高頻水聲噪聲空間的相關(guān)性進(jìn)行試驗(yàn)

在試驗(yàn)當(dāng)中，可運(yùn)用于接收的聲學(xué)基陣后設(shè)置噪聲的發(fā)射轉(zhuǎn)換器，并且發(fā)射噪音。接收基本依然采用圖1水平直線基陣。其接收的陣元頻帶的寬度是5kHz，其中心的頻率是30kHz。由試驗(yàn)可知：當(dāng)噪音和半波距離一致時(shí)，噪音的空間相關(guān)性系數(shù)為0.3；當(dāng)噪音空間的距離比半波長度還遠(yuǎn)時(shí)，噪音的空間相關(guān)性系數(shù)為0.4。由此可知，常規(guī)波束所形成的基陣無法達(dá)到噪聲的假設(shè)理論值。

3 結(jié)論

本文依據(jù)高頻水聲信號(hào)的數(shù)據(jù)收集、分析系統(tǒng)，并且采用試驗(yàn)的方式對目標(biāo)回波、混響以及噪聲的空間相關(guān)性進(jìn)行了研究。目前，對于高頻水聲信號(hào)的空間相關(guān)性理論比較多，但是針對其進(jìn)行試驗(yàn)研究相對較少。因此，從試驗(yàn)的角度對其進(jìn)行研究，獲得高頻水聲信號(hào)當(dāng)中的目標(biāo)回波、混響以及噪聲的空間相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對實(shí)際的高頻水聲學(xué)探測的裝備設(shè)計(jì)和對其性能的配件、仿真有著一定的應(yīng)用價(jià)值。

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