多路水聲信號(hào)抗串漏檢測(cè)技術(shù)仿真

杜召平，張 強(qiáng)，劉百峰

(1.91388部隊(duì)，廣東湛江524022;2.92854部隊(duì)，廣東 湛江524022)

0 引言

水下多目標(biāo)定位系統(tǒng)用來精確跟蹤定位加裝合作聲信標(biāo)的多個(gè)水下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。每個(gè)合作聲信標(biāo)的發(fā)射信號(hào)為正弦填充CW信號(hào)，每個(gè)同步周期有2個(gè)脈沖信號(hào)(測(cè)距、測(cè)深脈沖信號(hào))，雙脈沖間隔在30～70 ms之間。系統(tǒng)在對(duì)多路水聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和處理時(shí)，其水聲信道輸入為多個(gè)CW窄脈沖信號(hào)、高斯白噪聲和魚雷尋的噪聲。CW窄脈沖信號(hào)含有豐富的頻譜，在多頻率多通道信號(hào)處理系統(tǒng)中，強(qiáng)信號(hào)的邊帶頻譜將通過鄰近頻率通道，成為鄰近通道中的尖脈沖干擾，形成“通道串漏”，容易造成檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生大量的虛警。為有效克服多路水聲信號(hào)通道串漏和高斯白噪聲、魚雷尋的噪聲對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響，本文系統(tǒng)采用FIR寬帶濾波器、Notch濾波器組和瞬時(shí)頻率方差序列等技術(shù)，對(duì)接收到的水聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和處理。

1 系統(tǒng)多路水聲信號(hào)檢測(cè)處理仿真模型

1.1 系統(tǒng)水聲信號(hào)處理流程

系統(tǒng)水聽器接收多個(gè)CW窄脈沖信號(hào)、高斯白噪聲和魚雷尋的噪聲，經(jīng)FIR寬帶濾波器一級(jí)前端濾波后，送Notch濾波器組實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二次濾波，最后利用每個(gè)Notch濾波器的權(quán)值實(shí)時(shí)計(jì)算瞬時(shí)頻率方差序列，經(jīng)聯(lián)合檢測(cè)判決后，輸出檢測(cè)判決結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)多路水聲信號(hào)檢測(cè)處理模型

根據(jù)系統(tǒng)水聲通道組成，建立系統(tǒng)多路水聲信號(hào)檢測(cè)處理仿真模型綜合框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)多路合作水聲信號(hào)處理仿真模型綜合框圖Fig.1 Integrated block diagram for the system simulated model to process multi-path cooperative underwater acoustic signals

其中，輸入信號(hào)為多個(gè)CW脈沖信號(hào)、高斯白噪聲和魚雷尋的噪聲。CW信號(hào)的填充頻率為n路規(guī)定的信號(hào)頻率之一，每個(gè)CW脈沖的脈寬固定，各路CW脈沖之間的間距和脈沖幅度可以設(shè)定，信號(hào)同步周期為1s，系統(tǒng)采樣頻率120 kHz。

寬帶濾波對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。由于接收信號(hào)中可能包含填充頻率為n個(gè)規(guī)定頻率中的1個(gè)或多個(gè)(也包括沒有信號(hào))，寬帶濾波通帶必須涵蓋n個(gè)可能的頻率。仿真中取通帶為8～32 kHz?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)中為硬件濾波器，并且要保證線性相位，我們?nèi)‰A數(shù)為40階的FIR濾波器。

主處理模塊是系統(tǒng)對(duì)多路水聲信號(hào)檢測(cè)處理的核心，由n路并聯(lián)的Notch濾波器組和瞬時(shí)頻率方差解算模塊組成。主處理模塊如圖2所示。

圖2 主處理模塊框圖Fig.2 Block diagram for the main processing module

綜上所述，建立系統(tǒng)多路水聲信號(hào)抗串漏檢測(cè)處理仿真模型，模型由輸入信號(hào)、寬帶濾波、主處理模塊和檢測(cè)判決模塊組成。其中輸入信號(hào)和寬帶濾波部分為模型的輔助部分，采用理想的信號(hào)源和寬帶濾波器。主處理模塊和聯(lián)合判決模塊部分是水聲信號(hào)檢測(cè)處理的核心，采用Notch濾波器組、瞬時(shí)頻率方差序列實(shí)現(xiàn)對(duì)多路水聲信號(hào)的抗串漏檢測(cè)處理。

2 系統(tǒng)水聲信號(hào)抗串漏檢測(cè)仿真及結(jié)果分析

為精確預(yù)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)水聲通道的功能和質(zhì)量，分別對(duì)系統(tǒng)水聲通道的抗串漏能力、1 ms和2.5 ms脈寬多通道檢測(cè)能力、魚雷尋的信號(hào)對(duì)檢測(cè)的影響程度進(jìn)行仿真和分析。仿真工具為Math Works-Matlab Program。

2.1 系統(tǒng)水聲通道抗串漏檢測(cè)能力仿真

設(shè)n路規(guī)定頻率的CW信號(hào)有5路都存在，其中1個(gè)為強(qiáng)信號(hào)，其他為弱信號(hào) (信噪比相差60 dB)，5路規(guī)定頻率的CW信號(hào)出現(xiàn)在不同時(shí)刻，各為相差40 ms的雙脈沖。系統(tǒng)水聲通道抗串漏能力仿真結(jié)果顯示，由于第3路的信號(hào)非常強(qiáng)，串漏到了其他4路，在信號(hào)的上升沿和下降沿各會(huì)產(chǎn)生1個(gè)串漏信號(hào)，于是就出現(xiàn)了大量的虛警。但從VIFD檢測(cè)器的輸出 (輸入為Notch濾波器輸出)來看，雖然強(qiáng)信號(hào)在其他路有很強(qiáng)的串漏，但串漏過來的是信號(hào)的旁瓣，瞬時(shí)頻率的方差較大，而本路信號(hào)的方差較小。取頻率方差的倒數(shù)輸出，串漏被很好地消除掉。

仿真表明，系統(tǒng)水聲通道具有很好的多路水聲信號(hào)抗串漏檢測(cè)能力。

2.2 系統(tǒng)窄脈沖多通道檢測(cè)能力仿真

2.2.1 系統(tǒng)1 ms窄脈沖信號(hào)多通道檢測(cè)能力仿真

設(shè)輸入信號(hào)為5路規(guī)定頻率的CW信號(hào)，信號(hào)出現(xiàn)在不同時(shí)刻，各為相差40 ms的雙脈沖，脈寬1 ms，信噪比為0 dB，輸入信號(hào)湮沒在噪聲中。應(yīng)用Notch濾波器和VIFD技術(shù)很難檢測(cè)1 ms脈寬、信噪比為0 dB的輸入信號(hào)，從仿真結(jié)果來看，當(dāng)信噪比為3 dB時(shí)，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)具有較好的檢測(cè)能力。通過對(duì)比可知，隨著信噪比的增大，系統(tǒng)對(duì)多路信號(hào)的檢測(cè)能力趨于理想。

2.2.2 系統(tǒng)2.5 ms脈沖信號(hào)多通道檢測(cè)能力仿真

設(shè)輸入信號(hào)為5路規(guī)定頻率的CW信號(hào)，信號(hào)出現(xiàn)在不同時(shí)刻，各為相差40 ms的雙脈沖，脈寬2.5 ms，信噪比為0 dB，輸入信號(hào)湮沒在噪聲中。對(duì)比系統(tǒng)脈寬為1 ms、2.5 ms輸入信號(hào)的檢測(cè)處理仿真結(jié)果可知，在低信噪比條件下，1 ms脈寬由于積分時(shí)間較短，噪聲沒有被較好地平均，有較大起伏，造成了大量虛警;另外，由于噪聲包絡(luò)的寬度為波器帶寬的倒數(shù)，1 ms脈寬和噪聲的包絡(luò)寬度相近，使判寬對(duì)剔除虛警的作用不大。而當(dāng)輸入信號(hào)脈寬為2.5 ms時(shí)，由于積分時(shí)間較長(zhǎng)，噪聲可以被很好地平均，大大減少了虛警;另外，由于輸入信號(hào)脈寬增大，使得判寬的門限大于噪聲包絡(luò)的寬度，判寬可以有效剔除虛警;隨著輸入信號(hào)脈寬的增大，信號(hào)的旁瓣對(duì)臨近信號(hào)通道的干擾減小，也導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)能力增強(qiáng)。

根據(jù)上述仿真分析結(jié)果，建議在條件允許的情況下，適當(dāng)增大輸入信號(hào)的信噪比和脈寬，這樣可以大大增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)能力。

2.3 魚雷尋的信號(hào)對(duì)檢測(cè)的影響程度仿真

水下多目標(biāo)定位系統(tǒng)對(duì)魚雷進(jìn)行跟蹤時(shí)，魚雷發(fā)射尋的信號(hào)會(huì)干擾系統(tǒng)對(duì)信號(hào)檢測(cè)。仿真檢驗(yàn)了魚雷尋的信號(hào)對(duì)系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)的影響程度。

圖3 有魚雷尋的信號(hào)時(shí)Notch濾波器輸出信號(hào)波形Fig.3 Output signal waveform for the Notch filter while there are torpedo homing signals

假設(shè)魚雷尋的信號(hào)比Ping信號(hào)信噪比高40 dB，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3可知，在Notch輸出時(shí)，魚雷尋的信號(hào)的上升沿和下降沿各有1個(gè)串漏信號(hào)。而VIFD檢測(cè)器可以很好地去掉串漏，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)原有多路合作水聲信號(hào)的檢測(cè)。

圖4 有魚雷尋的信號(hào)時(shí)VIFD檢測(cè)器輸出信號(hào)波形Fig.4 Output signal waveform for the VIFD detector while there are torpedo homing signals

3 結(jié)語

通過對(duì)系統(tǒng)多路水聲信號(hào)抗串漏檢測(cè)處理仿真研究，可以得到這樣的結(jié)論:采用FIR寬帶濾波器、并聯(lián)Notch濾波器組和瞬時(shí)頻率方差序列等水聲信號(hào)處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)對(duì)多路合作水聲信號(hào)的檢測(cè)。

仿真還表明:在條件允許的情況下，可適當(dāng)增大目標(biāo)合作聲信號(hào)的信噪比和脈寬。這樣，可大大增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)多路合作水聲信號(hào)的檢測(cè)能力。

［1］梁國(guó)龍.回波信號(hào)瞬時(shí)參數(shù)序列分析及其應(yīng)用研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)，1997.

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