主動超聲引信回聲干擾與對策

嚴(yán) 侃

（海軍裝備部，陜西 西安 710054）

1 概 述

主動超聲引信可通過本身發(fā)出超聲波脈沖信號，借助目標(biāo)艦船的聲反射，接收到脈沖回聲信號，以探測到目標(biāo)艦船。其工作原理類似回聲探測的主動聲納。主動超聲引信較被動式聲引信具有以下特點(diǎn)：1）其探測不依賴于目標(biāo)自身的物理場，與目標(biāo)本身的航速、噪聲無關(guān)，可以探測各種噪聲大小、不同航速的艦船目標(biāo)。2）可以自主地確定發(fā)射脈沖信號的功率，以保證必要的接收信號的信噪比，便于實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的探測距離。3）借助發(fā)射與接收的雙重波束指向性和回聲測距辦法，較好地控制動作區(qū)域性。4）便于通過頻域、空域和時域信號處理，消除環(huán)境噪聲干擾，利用較為簡便的算法，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的測距、定位和航速、航向估算。

主動超聲引信在水下長期工作過程中，除了會遇到環(huán)境噪聲干擾之外，還會遇到其本身特有的混響、界面反射、尾流反射和魚群反射等回聲干擾問題。這些回聲干擾信號，已影響到主動超聲引信對正常目標(biāo)反射信號的檢測和判斷，因此判別和消除回聲干擾信號是主動超聲引信的一項艱巨而復(fù)雜的課題。

2 主動超聲引信的回聲干擾種類

2.1 體積混響

體積混響是由海水內(nèi)部的不均勻性對聲波的散射所引起的，主要是由在水中近似均勻分布的氣泡、微粒和小的浮游生物的反向散射造成。體積混響是隨著信號發(fā)射緊接著出現(xiàn)的，并隨著聲波傳播距離的增大，即發(fā)射后時間的推延，其混響強(qiáng)度逐漸減弱。根據(jù)理論計算和試驗(yàn)結(jié)果，體積混響強(qiáng)度與發(fā)射信號的長度和波束的等效束寬立體角成正比。體積混響級通常小于同距離上的目標(biāo)艦船反射回聲級，但是在近距離的體積混響級可能大大超過遠(yuǎn)處目標(biāo)的回聲級。由于散射的性質(zhì)、尺度和局部分布的不均勻性以及各個散射體散射聲波的相互干涉結(jié)果，致使體積混響總是呈現(xiàn)明顯的起伏，發(fā)射信號脈寬越小，這種起伏就越大。

2.2 海面混響和海面反射

海面混響是指分布在海面附近的散射體所產(chǎn)生的混響。通過理論計算可知海面混響強(qiáng)度也與發(fā)射信號的長度及波束的等效束寬的平面角成正比，也隨距離增大，即發(fā)射后時間的推延而變小，且變小的速度比體積混響要大。當(dāng)輻射聲源不是處于海面附近時，海面混響并不是信號一發(fā)射就存在，而是當(dāng)聲波信號傳播到海面后才出現(xiàn)。海面的混響級一般要比同距離的體積混響級大20 dB以上，特別是當(dāng)海面上存在大風(fēng)時。

當(dāng)聲波的入射角接近90°時，海面的混響級是相當(dāng)大的，通常會超過目標(biāo)艦船發(fā)射的回聲級。如果海面是完全平靜的，就不再是反向散射，而是形成鏡面反射，其反射回聲信號具有明顯的前沿和后沿，且其脈沖寬度基本上與艦船反射回聲的脈寬系統(tǒng)。

2.3 尾流反射

在艦船航行時，由于其螺旋槳的空化作用，在艦船后方形成一個十分明顯的泡沫區(qū)域，稱為尾流。尾流的厚度一般為艦船吃水的兩倍，對于小型艦艇則可能達(dá)到其吃水的4倍。尾流的寬度主要取決于艦船的航速，航速越高尾流寬度擴(kuò)展越大。尾流的長度可延續(xù)數(shù)公里，持續(xù)存在時間可達(dá)數(shù)10 min。

艦船尾流中的氣泡相當(dāng)密集，因此具有很強(qiáng)的聲反向散射能力，尾流的回聲很像一個延伸較大的目標(biāo)反射信號，可以看作是集中目標(biāo)反射。但是尾流回聲畢竟是由于氣泡的反向散射所形成，氣泡的分布不均勻性及各個氣泡散射聲波的相互干擾結(jié)果，使得尾流回聲具有混響的顯著特征。

2.4 魚群反射

海洋中有大量的海洋生物，它們對超聲波信號均具有一定的反向散射和反射能力。分散的、個體很小的海洋生物的聲散射，已包含在體積混響之內(nèi)。而長度從幾米到幾十米的大型魚類個體及密集型魚群，其反射回來的回聲信號相當(dāng)強(qiáng)，具有明顯的脈沖包絡(luò)形狀，很像是由集中目標(biāo)反射的回聲信號。當(dāng)然對于密集魚群的聲反射，顯然也會具有混響的某些特性。

當(dāng)魚群的密集程度很高且厚度較大時，由于各個魚之間的復(fù)散射、相互干涉以及魚體對聲能的吸收等效應(yīng)，使得回聲關(guān)系更為復(fù)雜，也使得回聲起伏更大。

3 抗回聲干擾的方法和對策

根據(jù)上述的幾種回聲干擾的性質(zhì)和特點(diǎn)，可以采取針對性措施，來消除或剔除主動超聲的回聲干擾。

3.1 空間域處理法抑制回聲干擾

通過對體積混響、界面混響、尾流反射和魚群反射的聲級計算，可以看出這些回聲干擾均與主動超聲引信的發(fā)射與接收的等效束寬角有關(guān)，若等效束寬角越大，則干擾聲級越高。因此，如果采用強(qiáng)指向性的窄波束進(jìn)行發(fā)射和接收，其等效束寬角較小，就可以減小回聲干擾的等級，從而提高信號/干擾比。當(dāng)然波束的寬度也不能無限小，實(shí)際采用的波束寬度和波束指向，要根據(jù)具體的探測要求來確定。

3.2 時變增益控制法抑制近距離的回聲干擾

主動超聲引信的目標(biāo)反射回聲級和各種回聲干擾的干擾級，都與目標(biāo)和干擾體所處的相對于主動聲探測器的距離有關(guān)，即距離越大，聲級越小。盡管通常同距離的干擾級小于或遠(yuǎn)小于目標(biāo)反射的回聲級，但是近距離回聲干擾的聲級卻可能大于或甚大于遠(yuǎn)距離的目標(biāo)反射回聲級，從而造成誤判斷而動作。為此，可采用自適應(yīng)時變調(diào)節(jié)動作閾值或時變調(diào)節(jié)接收電路增益，以達(dá)到無論近距離或遠(yuǎn)距離的干擾聲級均不會誤判斷的目的[1]。

3.3 多個發(fā)射周期回聲起伏連續(xù)判斷

對于強(qiáng)的回聲干擾，例如尾流反射和海面混響回聲，其信號/干擾比可能很小，其強(qiáng)干擾回聲可能會超過保證目標(biāo)艦船回聲信號可靠動作所設(shè)定的動作閾，從而造成誤動作。但是由于目標(biāo)艦船的發(fā)射為實(shí)體反射，其反射回聲信號起伏較小，而尾流反射和界面混響都是由分散的散射體反向散射所形成，存在著局部分布的不均勻性和相互干涉，其干擾回聲是有較大的起伏特征。因此當(dāng)閾值確定得較為合適時，艦船目標(biāo)回聲信號可以穩(wěn)定地連續(xù)多周期地超過該閾值，而干擾回聲只能在個別周期內(nèi)間斷地超過該閾值，因此可以采取多個發(fā)射周期內(nèi)回聲起伏連續(xù)判斷的辦法，將目標(biāo)反射回聲與干擾回聲區(qū)分出來。

3.4 空間帶或時域區(qū)間自適應(yīng)控制

海面界面反射的回聲較大，通常會超過目標(biāo)艦船反射的回聲級。目前有兩種方法可以提取出目標(biāo)回聲：1）通過回聲測距學(xué)習(xí)，自適應(yīng)地確定界面所處的空間帶，也是確定海面反射回聲到達(dá)的時間區(qū)間，并依此控制主動超聲引信在此時間區(qū)間內(nèi)，對接收到的信號不做處理判別，而對該時間區(qū)間外的信號進(jìn)行處理判別。2）通過對海面反射回聲的幅值及波形學(xué)習(xí)，自適應(yīng)地抵消海面反射回聲，并進(jìn)行重疊于其上的信號的識別與檢測。

3.5 艦船目標(biāo)的反射回聲與干擾回聲的特征判別

艦船目標(biāo)反射回聲和干擾回聲，除了在聲級、包絡(luò)形狀、包絡(luò)寬度及包絡(luò)起伏等方面有區(qū)別外，在回聲的微波形結(jié)構(gòu)上也是不相同的。干擾回聲是多點(diǎn)反射與散射、復(fù)散射及相互干涉的結(jié)果，雖然發(fā)射信號為單頻，但其回波信號也不再是相位一致的單頻信號，而在不同時刻出現(xiàn)一些瞬時相位和瞬時頻率，表現(xiàn)在填充信號的微波形上就是子波形狀、長短和連接相位的隨機(jī)變化，并且會根據(jù)反射或散射體的不同而變化[2]。但艦船目標(biāo)殼體的反射回波與反射信號卻是高度一致的，其回波的微結(jié)構(gòu)與干擾回聲有所區(qū)別，因此可以利用過零點(diǎn)分析和極性相關(guān)技術(shù)，提取各種的特征量，就能進(jìn)行分類識別。

4 結(jié) 論

在確定了主動超聲引信的工作頻率、發(fā)射功率和接收動作閾值等相應(yīng)參數(shù)時，同時應(yīng)考慮到抗噪聲干擾問題，根據(jù)各種回聲干擾的特征，采用相應(yīng)對策以區(qū)分出目標(biāo)回聲和干擾回聲。對于信噪比較低的情況，可以根據(jù)信號脈沖包絡(luò)與噪聲包絡(luò)隨機(jī)起伏的不同，利用幅值與脈寬雙重判決技術(shù)進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)低信噪比回聲信號檢測。還可以根據(jù)回聲信號與噪聲的頻譜結(jié)構(gòu)的不同，利用過零點(diǎn)分析特征識別技術(shù)、極性相關(guān)特征識別技術(shù)、自適應(yīng)短周期相關(guān)檢測技術(shù)和自適應(yīng)抵消技術(shù)，來區(qū)分目標(biāo)回聲信號和干擾回聲信號，實(shí)現(xiàn)低信噪比狀態(tài)下的信號檢測和判別。目前已有一型主動超聲引信采用了以上的抗回聲干擾對策和算法，經(jīng)過海上試驗(yàn)和使用，取得了很好的效果。

[1]RJ尤立克.水聲原理[M].哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990.

[2] 汪德昭.水聲學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1981.