主動聲吶發(fā)射波形設(shè)計研究

李峻年，孟士超，佘亞軍

(1.海軍駐431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004;2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064）

主動聲吶發(fā)射波形設(shè)計研究

李峻年1，孟士超1，佘亞軍2

(1.海軍駐431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004;2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064）

主動聲吶可通過發(fā)射波形設(shè)計技術(shù)對抗信道衰落，以改善目標(biāo)檢測能力。因此發(fā)射波形設(shè)計是主動聲吶系統(tǒng)領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一。本文綜述近年來波形設(shè)計領(lǐng)域的研究成果，通過對各種發(fā)射信號的時域、頻域及模糊度特性進(jìn)行對比分析，得出不同信號體制的特點，為相關(guān)行業(yè)的工程應(yīng)用提供參考。

主動聲吶;波形設(shè)計;模糊度;分辨率

0 引言

在潛艇隱身技術(shù)的推動下，現(xiàn)代潛艇正朝著安靜隱蔽的方向發(fā)展，使得探測潛艇的聲吶系統(tǒng)也經(jīng)歷著從被動方式向主動方式發(fā)展的過程［1］。主動聲吶的主要優(yōu)勢之一在于可以通過波形設(shè)計技術(shù)改善系統(tǒng)的作用距離、目標(biāo)檢測精度和穩(wěn)健性［2］。通過發(fā)射端信號設(shè)計，盡可能獲取目標(biāo)信息，隱蔽自身，提高抗干擾能力，是現(xiàn)代主動聲吶研究的主要課題。對于主動聲吶而言，發(fā)射波形體制不僅決定了接收系統(tǒng)的信號處理方法，而且直接影響系統(tǒng)的距離、速度分辨率、參數(shù)估計精度、混響抑制能力、對抗干擾能力以及信道匹配方面的性能。

由于水聲環(huán)境并非理想信道，水下環(huán)境中大量存在的無規(guī)則散射體如海洋生物、泥沙粒子、氣團(tuán)、水泡、不平整海面、海底等對入射信號的散射在主動聲吶的接收端疊加形成混響［3］?；祉懓殡S聲吶發(fā)射信號產(chǎn)生，并與發(fā)射信號特性密切相關(guān)，是一個隨機(jī)過程，按產(chǎn)生特性主要可分為體積混響、海面混響、海底混響等。對抗混響是主動聲吶設(shè)計領(lǐng)域經(jīng)久不衰的研究課題，也是水聲信號處理的主要內(nèi)容之一［5］，而目前的解決方案往往局限于通過后端接收機(jī)處理進(jìn)行混響抑制，包括預(yù)白化處理、非高斯建模、時頻分析、空時處理、高階譜分析、非線性特征分析等［6－7］。長期的理論研究和工程實踐證明，信號的抗混響能力與波形體制密切相關(guān)，聲吶技術(shù)的飛速發(fā)展使得人們可以考慮研究復(fù)雜的發(fā)射方案并且予以實現(xiàn)［8］，從而獲得發(fā)射端的混響對抗能力。

本文介紹幾類常規(guī)主動聲吶發(fā)射信號體制，以及具有混響抑制能力的發(fā)射信號體制，并提出一種最優(yōu)發(fā)射波形設(shè)計思路。

1 CW信號

CW信號又稱單頻矩形脈沖信號，是一種在雷達(dá)和主動聲吶領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用的信號體制，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:f0為信號的載頻;T為脈沖寬度;rec(·）為信號的包絡(luò)函數(shù)。定義如下:

圖1為CW信號時域圖，單頻矩形脈沖信號的時間帶寬積為TeBe=1.5。信號模糊函數(shù)可以表示為:

CW信號的模糊度圖如圖2所示。對模糊度圖的τ軸和φ軸進(jìn)行平面切割，所得交跡分別是時域和頻域的自相關(guān)函數(shù)，表征波形的時間分辨力和頻率分辨力，代表采用這種信號的聲吶系統(tǒng)在距離門和速度門上可分別達(dá)到的最高分辨精度。

圖1 CW信號時域圖Fig.1 Time domain of CW signal

圖2 CW信號模糊度Fig.2 Ambiguity of CW signal

由此可知:1）CW信號不能同時得到較高的時間分辨力和頻率分辨力;2）長脈沖CW信號擁有較好的頻率分辨率，因此適合FFT處理。由于CW信號產(chǎn)生比較容易，發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，所以在實際工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。在主動聲吶領(lǐng)域，對于動目標(biāo)的檢測 (MTD）是一個關(guān)鍵研究問題，最簡單的方法是通過對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理計算多普勒頻移來測量目標(biāo)徑向速度，所以CW信號是一種合適的MTD信號。

在發(fā)射系統(tǒng)采用CW信號的前提下，若要追求較高的時間分辨力，可以通過增加CW信號時長來實現(xiàn)，此時稱之為長脈沖 (LP）;反之，采用短脈沖 (SP）發(fā)射方案，可以保障頻率分辨力。在實際工程應(yīng)用時，具體的發(fā)射時長需要結(jié)合實際系統(tǒng)工作條件和水聲環(huán)境特性綜合考慮。

2 LFM信號

CW信號的特點是頻率分辨率很好，適合頻域處理，缺點是距離分辨率較差。為了改善距離分辨率，可采用減少發(fā)射時長的方式來實現(xiàn)，而根據(jù)時寬帶積的關(guān)系，又會帶來頻率分辨率降低的問題。為了獲得較好的距離分辨率，發(fā)射端的另一種選擇是線性調(diào)頻信號 (LFM），它的特點是具有很好的距離分辨率，因此廣泛應(yīng)用于主動聲吶系統(tǒng)。矩形包絡(luò)的LFM信號也稱Chirp信號。

LFM信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

在低頻主動聲吶系統(tǒng)實際應(yīng)用中，LFM信號多普勒敏感性與帶寬呈正相關(guān)，帶寬B越大，多普勒敏感性越強(qiáng)，而且不能通過改變信號參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，所以有些學(xué)者認(rèn)為這種信號體制在實際應(yīng)用時有許多不利因素［14－15］。但由于LFM信號在脈沖壓縮上的優(yōu)異性能，所以對于LFM信號的理論研究非常廣泛，主要包括有寬帶模型向窄帶模型的轉(zhuǎn)化，以及相應(yīng)的時延和多普勒估計等參數(shù)估計問題，目的是在保障分辨率的前提下，克服其不利因素。

圖3 線性調(diào)頻脈沖信號Fig.3 LFM signal

圖4 線性調(diào)頻脈沖信號模糊度函數(shù)圖Fig.4 Ambiguity of LFM signal

3 HFM信號

雙曲調(diào)頻 (HFM）信號是一種特殊的非線性調(diào)頻信號。一般的非線性調(diào)頻信號復(fù)數(shù)形式為:

上述信號稱為雙曲調(diào)頻信號。圖5為HFM波形的時域圖，圖6為信號的模糊度圖。

圖5 HFM信號Fig.5 HFM signal

圖6 HFM信號模糊度函數(shù)圖Fig.6 Ambiguity of HFM signal

雙曲調(diào)頻信號是一種多普勒不變信號或多普勒寬容信號。信號對速度或者多普勒頻移敏感性被稱為多普勒容限，當(dāng)目標(biāo)多普勒頻移沒有超過窄帶多普勒容限時，可以只用1個窄帶匹配濾波器來檢測目標(biāo);若目標(biāo)多普勒頻移超過窄帶多普勒容限時，需用1組多普勒濾波器進(jìn)行處理;若目標(biāo)多普勒頻移大于寬帶多普勒容限時，必須考慮波形的寬帶匹配濾波。從接收系統(tǒng)處理算法復(fù)雜性考慮，信號波形的多普勒容忍性越強(qiáng)越好。

4 加窗CW信號

前文介紹的CW信號、LFM信號、HFM信號等均屬于常規(guī)發(fā)射信號。為了使發(fā)射信號具備對抗混響的能力，可以通過發(fā)射波形加權(quán)的方法，銳化發(fā)射波形的主瓣，抑制譜旁瓣，從而抑制混響。常用的加權(quán)窗函數(shù)有:漢明 (Hamming）窗、漢寧窗及切比雪夫窗等。不同的窗函數(shù)對于信號的旁瓣級有不同程度的抑制，在降低旁瓣的同時也會帶來一些其他影響，如主瓣展寬等。相比其他窗函數(shù)，漢明窗實現(xiàn)相對容易，因此本文主要介紹采用Hamming窗加權(quán)信號設(shè)計思想。

式中:N為Hamming窗的長度;k為窗函數(shù)序列值。

圖7是Hamming－CW信號的時域示例圖，圖8是其與普通矩形窗CW信號頻譜分析的對比，可見其旁瓣級水平相對于后者有很大的改善，達(dá)到近30 dB，但是主瓣寬度有一定的展寬，影響信號分辨率。圖9是Hamming－CW信號模糊度函數(shù)。對于有一定多普勒時延的信號，混響譜和回波譜之間重合部分可以控制到很小，因此方便用多普勒濾波來抑制混響成分，其不利因素是因為發(fā)射帶寬變小，導(dǎo)致其時域分辨精度減小。

圖7 Hamming加窗CW信號Fig.7 Hamming-weighted CW signal

圖8 Hamming加窗CW信號頻譜分析Fig.8 Frequency domain of Hamming weighted CW signal

圖9 Hamming－CW模糊度圖Fig.9 Ambiguity of Hamming weighted CW signal

5 調(diào)頻脈沖串信號

調(diào)頻脈沖串信號 (PTFM）是一種時間復(fù)合信號，被認(rèn)為具有混響抑制能力。很多文獻(xiàn)對其進(jìn)行研究。它由多個LFM脈沖串組成，其模糊度函數(shù)與LFM相似，呈疏狀譜形狀。在相鄰梳狀譜線之間，具有較高的頻率分辨率。PTFM信號可以表達(dá)為:

PTFM作為一種相對簡單的時間復(fù)合信號 (見圖10），其檢測性能具有許多特點。因脈沖時間分散，接收端能夠進(jìn)行多次脈沖內(nèi)檢測。PTFM信號具有離散的刀刃瓣組合模糊度函數(shù) (見圖11），有利于對混響環(huán)境下低多普勒目標(biāo)的檢測和估計。

圖10 PTFM信號Fig.10 PTFM signal

圖11 PTFM信號頻譜Fig.11 Frequency domain of PTFM signal

圖12 PTFM信號模糊度圖Fig.12 Ambiguity of PTFM signal

6 最優(yōu)信號設(shè)計

從以上內(nèi)容可以看到，聲吶波形選擇是一個綜合因素，根據(jù)使用環(huán)境的不同，波形選擇策略也會相應(yīng)變化。如何選擇波形以及設(shè)計相應(yīng)參數(shù)，使得適應(yīng)給定聲吶信道 (回波特征和混響背景）達(dá)到最有效的檢測，是波形設(shè)計的最終目的。在白高斯或者有色噪聲背景下，接收端的檢測性能與發(fā)射能量有關(guān)，也就是說可以通過增加發(fā)射功率來獲得良好的檢測性能，盡管這意味著潛艇暴露自身的風(fēng)險有所增加。而混響背景下，主動聲吶的綜合性能更加受制于波形的模糊度和水聲信道的混響環(huán)境［9－10，11］。

眾所周知，由于信道的擴(kuò)展和干擾的非白性，匹配濾波器檢測不是最佳的接收機(jī)檢測。但是在實際應(yīng)用中，考慮到實現(xiàn)可行性問題，一般采用與發(fā)射信號相匹配的濾波器，而選擇最佳的信號形式來提高接收機(jī)的檢測性能。設(shè)發(fā)射信號是u(t），對于匹配接收機(jī)，其權(quán)重波形z(t）=u(t），接收機(jī)輸出信噪比是:

RS(t，t'）和RI(t，t'）是與u(t）有關(guān)的回波相關(guān)函數(shù)和干擾相關(guān)函數(shù)，稱使λm最大時的波形u(t）為匹配濾波檢測的最佳波形。

可以看出，所謂匹配檢測的最佳波形是指其模糊度函數(shù)的主要部分能覆蓋目標(biāo)回波的散射函數(shù)，同時又不和混響散射函數(shù)有重疊，或者理解為使目標(biāo)回波的主要能量集中在該波形的一個分辨單元內(nèi)，而又使這個分辨單元內(nèi)包含的混響能量最少。顯然，除非目標(biāo)回波和混響有分離的散射函數(shù)，否則，都要考慮使分辨單元內(nèi)回波能量最大和混響能量最小的折衷方案。

7 結(jié)語

本文主要對主動聲吶系統(tǒng)的發(fā)射信號研究成果進(jìn)行綜述性研究，包括3種常規(guī)發(fā)射信號CW，LFM，HFM，廣泛應(yīng)用于實際聲吶裝備。并介紹2種具有混響抑制能力的信號體制Hamming－CW和PTFM。最后介紹了基于最優(yōu)匹配原理的最優(yōu)發(fā)射波形設(shè)計思想。但實際上，由于散射函數(shù)和模糊度函數(shù)的性質(zhì)，大多數(shù)場合下最優(yōu)波形設(shè)計思想不可能實現(xiàn)，主要原因在于:

1）模糊度函數(shù)有對原點的對稱性，而散射函數(shù)則一般不具有中心對稱性，因此就回波散射函數(shù)和混響散射函數(shù)而言，一般不會有一個波形的模糊度函數(shù)與之完全匹配;

2）模糊度體積不變性，要使得信號模糊度體積從混響區(qū)移出，必然增加其他區(qū)域的旁峰體積，因此均勻混響條件下無最佳波形可選;

3）模糊度函數(shù)的可實現(xiàn)性，即使某個模糊度函數(shù)對稱、已知，但迄今為止未找到能滿足使其成為某一信號的模糊度函數(shù)的充要條件。要獲得實際系統(tǒng)所要求的模糊度形式的信號困難，在實際工程應(yīng)用時只有通過不斷的修正擬合來設(shè)計信號。

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Review on research development of active sonar waveform design

LIJun-nian1，MENG Shi-chao1，SHE Ya-jun2
(1.Navy Representative Office of 431 Shipyard，Huludao 125004，China;2.Wuhan Second Ship Design and Research Insitute，Wuhan 430064，China）

Active sonar could confront channel decline and obtain more target information by transmitting waveform design techenology.For this reseaon waveform design is one of the most important research fields on active sonar.This paper reviews the recently main research productions in this field.The properties of different transform signals are analyzed with comparison on timedomain，frequency-domain and ambiguitycharacteristics，which provide app lication references to related engineer projects.

active sonar;waveform design;ambiguity;resolution

U666.7

A

1672－7649(2014）04－0108－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.022

2013－12－26;

2014－01－06

李峻年(1972－），男，工程師，從事艦艇聲吶技術(shù)和質(zhì)量管理工作。