被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)性能分析*

王亞莉　俞　劍

(1.91494部隊(duì)92分隊(duì)　秦皇島　066000)(2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所　南京　210007)

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被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)性能分析*

王亞莉1俞劍2

(1.91494部隊(duì)92分隊(duì)秦皇島066000)(2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所南京210007)

摘要空間分布的寬帶多干擾源會(huì)掩蓋被動(dòng)聲納系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)輻射噪聲的接收,形成干擾抑制區(qū)域,降低系統(tǒng)的有效探測(cè)范圍和探測(cè)精度。論文從被動(dòng)聲納方程出發(fā),利用寬帶陣列信號(hào)處理方法,仿真艦艇輻射噪聲、海洋環(huán)境噪聲和寬帶干擾源信號(hào),得出了有指向被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的有效探測(cè)范圍,分析了多干擾源對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)方向輸出信號(hào)波形和系統(tǒng)方位估計(jì)性能的影響。

關(guān)鍵詞寬帶干擾源; 有效探測(cè)范圍; 寬帶聲納信號(hào)處理; 方位估計(jì)

Detection Performance of Passive Sonar System with Multi-Jammers

WANG Yali1YU Jian2

(1. Unit 92, No. 91494 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

(2. The No. 28 Research Institute of CETC, Nanjing210007)

AbstractThe collection of target-radiated noise for passive sonar can be effected by broadband multi-jammers which distributed spatially, the detection range and accuracy will be reduced as a result of the appearance of jammer suppression area. In this paper, with the help of passive sonar equation and the theories of broadband array signal processing, the ship-radiated noise, ocean ambient noise and broadband jammer signal are simulated to deduce the effective detection range of directional passive sonar system under multi-jammers, the direction of arrival and the output signal of passive sonar system are also discussed.

Key Wordsbroadband jammers, effective detection range, broadband sonar signal processing, direction of arrival

Class NumberTP391

1引言

被動(dòng)聲納探測(cè)系統(tǒng)一般通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)的輻射噪聲來(lái)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè),當(dāng)空間存在多個(gè)大功率噪聲干擾源時(shí),系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)輻射噪聲的接收將受到掩蓋,從而在系統(tǒng)原本的空間探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)干擾抑制區(qū)域,系統(tǒng)在該區(qū)域內(nèi)將無(wú)法探測(cè)到目標(biāo)[1～3]。研究被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)性能對(duì)現(xiàn)代海軍水下作戰(zhàn)具有實(shí)際的意義,一方面可以用來(lái)對(duì)被動(dòng)聲納系統(tǒng)的探測(cè)性能做出評(píng)估,對(duì)系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用;另一方面,可以通過(guò)在空間放置多干擾源,對(duì)敵方的聲納探測(cè)系統(tǒng)形成干擾抑制區(qū)域,從而有效地規(guī)避敵方探測(cè)系統(tǒng)。

目前,被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)性能分析,多從被動(dòng)聲納方程出發(fā),將干擾歸結(jié)為系統(tǒng)的背景噪聲,從而由預(yù)先設(shè)定的檢測(cè)閾值得到干擾抑制區(qū)域。由于沒(méi)有結(jié)合聲納信號(hào)處理的理論,無(wú)法進(jìn)行信號(hào)級(jí)仿真,因而不能具體給出多干擾源對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)波形,方位估計(jì)等的影響,因此不能就被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)性能做出全面而具體的分析,無(wú)法滿足實(shí)際水聲對(duì)抗應(yīng)用的需要[4～8]。

本文根據(jù)寬帶陣列信號(hào)處理相關(guān)理論,以被動(dòng)聲納方程為指導(dǎo),研究有指向性被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)性能。利用仿真的艦船輻射噪聲、海洋環(huán)境噪聲和干擾信號(hào),開(kāi)展信號(hào)級(jí)仿真分析,給出了有指向性被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)范圍,以及多干擾源對(duì)系統(tǒng)輸出的目標(biāo)信號(hào)波形和系統(tǒng)方位估計(jì)結(jié)果的影響,從而就被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)性能做出了更加全面而具體的分析。

2多干擾源影響探測(cè)性能的基本原理

由被動(dòng)聲納方程可知,被動(dòng)聲納系統(tǒng)處于噪聲掩蔽時(shí),有

SL-TL-(NL-DI)=DT

(1)

由式(1)可以得到無(wú)干擾源存在情況下,聲納系統(tǒng)在不同空間方位上的正常探測(cè)距離R0。

當(dāng)空間存在多干擾源時(shí),背景噪聲除了包含環(huán)境噪聲NL以外,還需考慮干擾源的強(qiáng)度。因此,受干擾源的影響,此時(shí)被動(dòng)聲納方程應(yīng)調(diào)整為

SL-TL-[(NL-DI)+(SLI-TLI+DI(θI))]=DT

(2)

其中,SLI為干擾聲源級(jí),TLI為干擾對(duì)應(yīng)的傳播損失,DI(θI)為聲納基陣對(duì)θI方向干擾源的空間增益。式中的‘+’代表聲壓的合成,表示場(chǎng)景中干擾和背景的共同作用,而不是分貝的直接相加。式中的‘+’項(xiàng)表征的是當(dāng)波束指向目標(biāo)時(shí),干擾源在波束軸向?qū)?yīng)干擾源方向上的能量泄露,這個(gè)能量泄露增加了系統(tǒng)工作的背景噪聲級(jí),直接降低了輸入信號(hào)的信噪比,使得系統(tǒng)的探測(cè)范圍被抑制。多源干擾對(duì)被動(dòng)聲納系統(tǒng)的作用示意如圖1所示。

圖1　多干擾源對(duì)被動(dòng)聲納系統(tǒng)的作用示意

由式(2)可以預(yù)估出存在干擾時(shí)聲納系統(tǒng)在不同空間方位上的探測(cè)距離R,R

根據(jù)噪聲聲壓非相干疊加的計(jì)算方法,當(dāng)聲納基陣接收到的干擾源能量明顯高于背景噪聲能量時(shí),背景噪聲對(duì)合成噪聲的能量貢獻(xiàn)基本可以忽略,即當(dāng)

SLI-TLI+DI(θI)>(NL-DI)

(3)

此時(shí),聲納系統(tǒng)處于干擾掩蔽條件下,式(2)可以簡(jiǎn)化為

SL-TL-(SLI-TLI+DI(θI))=DT

(4)

當(dāng)一定距離上干擾源噪聲級(jí)很低時(shí)或干擾噪聲級(jí)一定,而干擾源距離聲納太遠(yuǎn),傳播損失過(guò)大時(shí),聲納處的干擾噪聲掩蓋不了聲納的背景噪聲,即

SLI-TLI+DI(θI)<(NL-DI)

(5)

此時(shí)干擾源不起作用或者干擾作用很小,由此可求得干擾源對(duì)某一特定聲納的最大干擾距離LImax。

(6)

最大干擾距離決定了某一參數(shù)確定的干擾源針對(duì)干擾某型聲納設(shè)備探測(cè)的效能,在空間可以布放的區(qū)域。超出這一最大范圍時(shí),干擾源將無(wú)法很好地對(duì)聲納探測(cè)設(shè)備造成干擾。

根據(jù)上述原理,圖2給出了多源干擾影響被動(dòng)聲納系統(tǒng)探測(cè)性能的示意圖。

圖2　多源干擾影響被動(dòng)聲納系統(tǒng)探測(cè)性能的示意圖

從干擾抑制區(qū)域的寬度上看,本來(lái)干擾源和潛艇相對(duì)聲納方位開(kāi)角超過(guò)聲納波束開(kāi)角的一半,干擾源就可能失去作用。但實(shí)際上在某一距離范圍內(nèi),處于被動(dòng)聲納旁瓣波束上的干擾源仍可掩蔽處于主波束方位的目標(biāo)艦艇輻射噪聲,只要滿足干擾源在波束旁瓣方向能量泄露大于背景噪聲能量即可,所以在主波束寬度外仍存在一定的干擾角度范圍。

由上述分析可知,干擾源的干擾抑制性能是干擾聲源級(jí)SLI、干擾源距離RI、干擾源相對(duì)目標(biāo)的空間方位θI三個(gè)參量的共同作用結(jié)果。任意一個(gè)參量的變化都會(huì)影響干擾對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)設(shè)備的抑制區(qū)域的范圍,改變其干擾抑制性能。

上述分析基于被動(dòng)聲納方程,方程中的各參量并不涉及具體信號(hào)形式、基陣信號(hào)處理方法等信息。而在實(shí)際應(yīng)用中,這樣的分析一般只能起指導(dǎo)作用,要想明確干擾源對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)設(shè)備的影響情況,需要模擬實(shí)際處理流程,研究所采用處理方法的特性,進(jìn)行信號(hào)級(jí)的分析,以期望達(dá)到對(duì)干擾源干擾抑制性能的一個(gè)實(shí)用而具體的分析。

3仿真與分析

仿真中的被動(dòng)聲納系統(tǒng)采用96元均勻線列陣,考慮基陣的處理頻段為10Hz～500Hz,陣元間距按照500Hz布置。仿真中,艦艇輻射噪聲和海洋環(huán)境噪聲按其設(shè)定的頻譜參數(shù)進(jìn)行信號(hào)級(jí)仿真,寬帶噪聲干擾源信號(hào)為寬帶高斯白噪聲,被動(dòng)聲納系統(tǒng)的檢測(cè)閾設(shè)定為DT=3dB。主要研究干擾源對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)系統(tǒng)的干擾抑制區(qū)域以及對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)方向波束輸出和對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)方位估計(jì)結(jié)果的影響。

3.1各類(lèi)信號(hào)的仿真

1) 艦艇輻射噪聲的仿真

典型的艦艇輻射噪聲譜是由線譜成份和寬帶連續(xù)譜成份構(gòu)成[9～10],這里設(shè)置仿真參數(shù)如下:艦船輻射噪聲譜在20Hz～200Hz頻段內(nèi)存在兩根線譜,線譜強(qiáng)度相差5dB,最大線譜強(qiáng)度135dB,200Hz后按-6dB/oct衰減,考慮1000Hz處的譜級(jí)為110dB。艦艇輻射噪聲譜結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示,線譜位于50Hz和150Hz處。

圖3　艦艇輻射噪聲仿真結(jié)果

按照上述參數(shù),采用FIR濾波器設(shè)計(jì)方法對(duì)艦艇輻射噪聲進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖3(b)所示。圖3(b)給出了仿真的艦艇輻射噪聲信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜,由于設(shè)定的被動(dòng)聲納探測(cè)系統(tǒng)的工作頻率范圍為10Hz～500Hz,對(duì)其進(jìn)行帶通濾波處理,即為聲納接收機(jī)處理的艦艇輻射噪聲信號(hào)。

2) 海洋環(huán)境噪聲的仿真

海洋環(huán)境噪聲頻譜級(jí)在較高頻率時(shí)近似按照6dB每倍頻程衰減,采用FIR濾波器設(shè)計(jì)方法對(duì)海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行仿真[11]。仿真參數(shù)設(shè)置如下:海洋環(huán)境噪聲譜100Hz后按-6dB/oct衰減,考慮1000Hz處的譜級(jí)為64dB。海洋環(huán)境噪聲頻譜示意如圖4(a)所示。海洋環(huán)境噪聲仿真結(jié)果如圖4(b)所示。圖4(b)給出了仿真的海洋環(huán)境噪聲信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜,類(lèi)似于對(duì)艦艇輻射噪聲信號(hào)的帶通濾波處理,同樣的方法可以得到系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲。

圖4　海洋環(huán)境噪聲仿真結(jié)果

3) 干擾源信號(hào)仿真

寬帶噪聲干擾源信號(hào)采用高斯白噪聲進(jìn)行仿真,設(shè)定10Hz～500Hz帶寬內(nèi)聲源級(jí)為160dB。定義SL為聲源級(jí),SLf為頻譜級(jí),B為有效帶寬,則有

SL=SLf+10lgB

(7)

利用式(7)得到頻譜級(jí)后,便可以采用帶通濾波器處理高斯白噪聲的方法得到指定參數(shù)下的干擾源信號(hào)。圖5給出了仿真得到的干擾源信號(hào)。

3.2被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)性能分析

空間內(nèi)分布多個(gè)干擾源,彼此作用區(qū)域可重疊也可不重疊,各個(gè)干擾源獨(dú)立工作,效能上聯(lián)合作用于敵方探測(cè)和攻擊設(shè)備。聲源級(jí)、布放距離和相對(duì)目標(biāo)開(kāi)角等參數(shù)按照干擾效能的需要進(jìn)行調(diào)整。

圖5　干擾源信號(hào)仿真

仿真中,目標(biāo)艦艇輻射噪聲信號(hào),海洋環(huán)境噪聲信號(hào)均采用3.1節(jié)中的仿真結(jié)果,干擾源信號(hào)形式為高斯白噪聲,為了反應(yīng)多干擾源形成的干擾抑制區(qū)域的特點(diǎn),將單干擾源和多干擾形成的干擾抑制區(qū)域進(jìn)行對(duì)比。

1) 單干擾源形成的干擾抑制區(qū)域

干擾源參數(shù)設(shè)定為SLI=160dB,RI=5000m,θI=20°。利用式(2)可求得單源干擾下被動(dòng)聲納系統(tǒng)的探測(cè)范圍如圖6(a)所示。改變干擾源參數(shù)為SLI=170dB,RI=5000m,θI=20°,得到單干擾源下被動(dòng)聲納系統(tǒng)的探測(cè)范圍如圖6(b)所示。

圖6　存在單干擾源時(shí)的系統(tǒng)探測(cè)范圍

2) 多干擾源形成的干擾抑制區(qū)域

仿真參數(shù)1設(shè)置如表1所示,表中的SLI項(xiàng)表示干擾源的聲源級(jí),RI項(xiàng)表示干擾源距離聲納基陣的距離,θI表示干擾源相對(duì)基陣的空間方位。此時(shí),聲納探測(cè)范圍的仿真結(jié)果如圖7所示。由單干擾源的性能分析中可看出,改變干擾源的參數(shù)時(shí),其干擾性能也會(huì)隨之發(fā)生變化,多干擾源的仿真參數(shù)2設(shè)置如下表。聲納探測(cè)范圍的仿真結(jié)果如圖8所示。

表1　多源干擾參數(shù)1

表2　多源干擾參數(shù)2

圖7　存在多源干擾時(shí)的系統(tǒng)探測(cè)范圍圖(表1參數(shù))

圖8　存在多源干擾時(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)探測(cè)范圍(表2參數(shù))

由仿真結(jié)果可以看出,相比于單源干擾,在空間分布多個(gè)干擾源,可以對(duì)探測(cè)設(shè)備形成較大區(qū)域的干擾抑制,因而實(shí)際水聲對(duì)抗等應(yīng)用中,通常采用多源干擾的聯(lián)合使用。

比較圖7和圖8可以看出,采用表1所示多源干擾參數(shù),形成的干擾抑制區(qū)域更規(guī)則,在實(shí)際中更容易利用,因此在實(shí)際應(yīng)用中,通常采用同種干擾器材,在空間相同距離,等間距分布的方式。

3) 被動(dòng)聲納系統(tǒng)對(duì)不同空間位置目標(biāo)的探測(cè)性能

當(dāng)目標(biāo)處于空間不同位置時(shí),被動(dòng)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)性能也不同,下面分幾種情況進(jìn)行討論。

(1)假設(shè)目標(biāo)的空間方位為5°方向,距離基陣RS=8000m,由圖7可知此時(shí)目標(biāo)處于聲納系統(tǒng)的檢測(cè)范圍之外,聲納系統(tǒng)在目標(biāo)方向波束輸出信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜如圖9(a)所示。此時(shí)聲納基陣多波束輸出的功率方位譜如圖9(b)所示。

由圖9(b)可以看出,由于此時(shí)目標(biāo)處于系統(tǒng)的探測(cè)范圍以外,功率方位譜在目標(biāo)方向(5°)基本沒(méi)有出現(xiàn)高于背景噪聲的尖峰,預(yù)示著該方位無(wú)目標(biāo)出現(xiàn),此時(shí)干擾源對(duì)系統(tǒng)方位估計(jì)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響;由圖9(a)可以看出由于干擾源的存在,目標(biāo)方向輸出信號(hào)的50Hz和150Hz處的低頻線譜被遮蔽,50Hz以下低頻段譜級(jí)稍高,原因是低頻段波束寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)寬于其他頻段,干擾能量泄露大于其他頻段。

圖9　被動(dòng)聲納系統(tǒng)輸出結(jié)果(RS=8000m),目標(biāo)位于5°

(2)假設(shè)目標(biāo)的空間方位為30°方向,距離基陣RS=5000m,由圖7可知此時(shí)目標(biāo)處于聲納系統(tǒng)的檢測(cè)范圍之內(nèi),聲納系統(tǒng)在目標(biāo)方向波束輸出信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜如圖10(a)所示。此時(shí)聲納基陣多波束輸出的功率方位譜如圖10(b)所示。

由圖10(b)可以看出,由于此時(shí)目標(biāo)處于系統(tǒng)的探測(cè)范圍以內(nèi),功率方位譜在目標(biāo)方向(30°)出現(xiàn)明顯高于背景噪聲的尖峰,可知該方位有目標(biāo)出現(xiàn),此時(shí)干擾源對(duì)系統(tǒng)方位估計(jì)性能不產(chǎn)生影響;由圖10(a)可以看出由于強(qiáng)干擾源的存在,目標(biāo)方向輸出信號(hào)的50Hz和150Hz處的低頻線譜被遮蔽,干擾對(duì)目標(biāo)方向輸出信號(hào)波形造成影響。

以上為就空間存在多干擾源情況下,被動(dòng)聲納系統(tǒng)探測(cè)性能的仿真與分析,由仿真結(jié)果可以看出,多擾源干可以在空間形成較大的干擾抑制區(qū)域,從而更好地干擾敵方探測(cè)和攻擊設(shè)備,保護(hù)己方艦船。

圖10　被動(dòng)聲納系統(tǒng)輸出結(jié)果(Rs=5000m),目標(biāo)位于30°

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)結(jié)合被動(dòng)聲納方程和寬帶陣列信號(hào)處理理論,闡述了多干擾源對(duì)被動(dòng)聲納系統(tǒng)的影響原理,利用仿真的艦船輻射噪聲、海洋環(huán)境噪聲和干擾信號(hào),開(kāi)展信號(hào)級(jí)仿真分析,得出了多干擾源對(duì)有指向被動(dòng)聲納系統(tǒng)的有效抑制區(qū)域,分析了多干擾源對(duì)被動(dòng)聲納系統(tǒng)輸出的目標(biāo)方向波形和系統(tǒng)方位估計(jì)結(jié)果的影響,歸納仿真分析,可以得出以下結(jié)論:

1) 多源干擾的相關(guān)參數(shù)(聲源級(jí),距離,空間方位)共同決定了其在聲納基陣上的旁瓣泄露能量,從而決定了多源干擾對(duì)被動(dòng)聲納系統(tǒng)的有效抑制范圍的形狀和大小。

2) 多源干擾對(duì)目標(biāo)信號(hào)的頻譜有影響,提高了背景噪聲,掩蓋了低頻線譜成分。

3) 多源干擾對(duì)系統(tǒng)的方位估計(jì)性能有較大影響,當(dāng)目標(biāo)處于干擾抑制區(qū)域或者與干擾源空間方位相隔較近時(shí),系統(tǒng)無(wú)法正確估計(jì)目標(biāo)方位。

被動(dòng)聲納系統(tǒng)在多干擾源場(chǎng)景下的探測(cè)性能分析,對(duì)于如何減少空間分布的多干擾源對(duì)己方探測(cè)設(shè)備的影響,如何利用多干擾源特性有效規(guī)避敵方系統(tǒng)的探測(cè)具有一定的參考價(jià)值。

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中圖分類(lèi)號(hào)TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.036

作者簡(jiǎn)介:王亞莉,女,高級(jí)工程師,研究方向:雷達(dá)試驗(yàn)總體、多源異類(lèi)傳感器處理。俞劍,男,高級(jí)工程師,研究方向:雷達(dá)、水聲信息處理。

*收稿日期:2015年8月2日,修回日期:2015年9月29日