基于匹配相關(guān)的潛艇亮點方位估計方法

朱坤安, 楊云川, 石 磊, 李 博, 郭 磊

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基于匹配相關(guān)的潛艇亮點方位估計方法

朱坤安1,2, 楊云川1, 石 磊1, 李 博1, 郭 磊1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710077)

為了更可靠地實現(xiàn)對潛艇目標亮點方位的估計, 建立了潛艇目標的多亮點回波模型, 采用匹配相關(guān)法對其進行方位估計, 并根據(jù)目標的短時方位信息方差比環(huán)境背景的小這一特點, 提出了剔除環(huán)境噪聲干擾的方法。仿真結(jié)果表明, 該模型能夠?qū)崿F(xiàn)對潛艇目標回波的模擬, 使用環(huán)境噪聲剔除方法對采用匹配相關(guān)法得到的目標方位進行處理, 降低了環(huán)境噪聲對方位估計結(jié)果的干擾, 增加了潛艇目標方位估計的可靠性。

潛艇; 亮點模型; 方位估計; 匹配相關(guān)法

0 引言

在現(xiàn)代復(fù)雜的水下作戰(zhàn)環(huán)境下, 魚雷需要準確快速發(fā)現(xiàn)、跟蹤和命中目標, 這就要求魚雷自導系統(tǒng)須采用簡單、有效的目標識別方法。目前, 較為成熟和易于實現(xiàn)的識別技術(shù)主要有以下幾方面[1-2]: 1) 利用目標回波信號的波束寬度及回波信號時延近似估計目標尺度, 進而判斷目標真假; 2) 將目標回波頻譜與預(yù)先存入的數(shù)據(jù)庫對比, 判斷目標真?zhèn)? 3) 估計目標亮點方位走向及其變化量來判斷目標真?zhèn)? 4) 通過目標回波的方位起伏頻譜, 來判斷目標的真假。

當目標回波信號的信噪比較低時, 采用方法1進行目標尺度估計, 其識別結(jié)果可信度低, 不能成為魚雷自導系統(tǒng)決策的依據(jù); 方法2需要預(yù)先收錄目標不同姿態(tài)下回波信號的頻譜, 實際上這些信息的獲取會遇到各種困難, 使得目標頻譜往往不可能完全獲取, 實現(xiàn)起來難度較大; 使用方法3和方法4實現(xiàn)對目標的識別, 都是在獲取目標亮點方位的基礎(chǔ)上進行的, 而如果獲取到的目標方位信息受到環(huán)境噪聲干擾時, 其估計結(jié)果將變得不可信, 最終導致錯誤識別目標。

鑒于此, 文中建立了潛艇目標的多亮點回波模型, 該模型不僅考慮了潛艇目標的尺度延展特性, 還考慮了潛艇表面的回波特性: 亮點回波和背景回波, 在得到潛艇回波信號的基礎(chǔ)上, 采用匹配相關(guān)法[3]來估計目標方位信息, 并針對環(huán)境背景對方位的干擾提出了干擾剔除的方法。仿真結(jié)果表明, 潛艇目標的多亮點回波模型能夠較真實的模擬潛艇回波, 環(huán)境噪聲剔除方法降低了環(huán)境噪聲對方位估計結(jié)果的干擾, 增加了潛艇目標方位估計的可靠性。

1 潛艇目標多亮點回波模型

理論分析和試驗結(jié)果均表明, 在高頻情況下, 任何一個目標的回波都是由若干子回波迭加而成, 而每個子回波都可以認為是從某個散射點發(fā)出的, 當這個散射點的目標強度較大時就形成目標的亮點[4], 否則這個散射點就是目標的散射背景。這樣, 可以將潛艇目標等效成若干個亮點和散射背景的組合, 每個亮點和散射背景都會產(chǎn)生一個回波, 潛艇目標的多亮點回波模型就是這些回波的相干疊加形成的。

設(shè)魚雷自導發(fā)射信號為(), 接收到目標回波信號為(), 魚雷與潛艇目標相對運動的徑向速度為, 根據(jù)文獻[5]介紹的點目標回波的數(shù)學模型, 其回波可寫成

對于潛艇這種大尺度水下目標而言, 由于其尺度的延展特性, 造成亮點和散射背景在潛艇表面的分布位置不同, 魚雷聲吶基陣接收到的各亮點和散射背景回波的方位也不同, 每個反射點回波均可看作點目標回波, 將目標上的所有等效反射點的回波線性相干疊加, 即可得潛艇目標回波信號。因此, 潛艇目標總的回波信號可表示為

通常認為目標上各反射點速度相同, 因此可將式(2)改寫為

當目標回波到達接收基陣時, 還需考慮魚雷接收基陣的波束形成。設(shè)魚雷接收基陣采用水平線列陣, 陣元個數(shù)為, 陣元間距為。通常, 魚雷和目標之間滿足遠場條件, 因此認為亮點回波信號在接收基陣上可看成平面波, 同一亮點回波信號入射方向相同, 不同亮點回波信號入射方向不同。根據(jù)圖1所示等效雙子陣的基陣結(jié)構(gòu)[6], 可求出某一亮點的回波在接收基陣陣元之間的時延

發(fā)射信號采用線性調(diào)頻信號, 表達式為

故, 當使用常規(guī)波束形成時, 魚雷基陣接收到的總回波信號為

2 匹配相關(guān)法目標定向原理

匹配相關(guān)法是在匹配濾波器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的, 匹配濾波器是一個最佳線性濾波器, 其頻率響應(yīng)函數(shù)的表達式為

從式(9)可以看出, 匹配濾波器對振幅和時延不同的信號具有適應(yīng)性。因此, 利用這種特性可以求解分裂波束系統(tǒng)雙通道間的時延差。

根據(jù)圖1所示等效陣元結(jié)構(gòu), 設(shè)兩子陣接收到的某一亮點的回波信號分別為和, 且滿足

分別對兩通道回波信號做匹配相關(guān)處理, 當通道1輸出波形在時達到最大, 則有

對比式(13)和式(14)可以看出, 兩通道時延差存在于它們比值的相位中

式中,f為回波信號的中心頻率, 滿足f=0, 此處的與式(1)中的相同。則目標亮點方位為

由于水聲信道及魚雷工作環(huán)境的復(fù)雜性, 魚雷觀測到的回波信號會受到海洋環(huán)境噪聲、海洋混響和魚雷自噪聲等的干擾, 這些干擾來自空間不同方向上, 其方位分布無規(guī)律性, 短時方位方差較大, 而潛艇目標為大尺度連續(xù)散射體, 其回波信號是潛艇表面各反射點回波疊加形成的。 因此, 采用匹配相關(guān)法估計得到的潛艇表面各亮點的方位信息具有連續(xù)性, 其短時方位方差要遠小于沒有目標存在時的方位方差。為了準確估計目標視在張角大小, 進而識別潛艇目標, 需要在求解目標張角前將環(huán)境背景方位剔除。當短時方位方差滿足

時, 認為當前方位為目標方位, 可信度高。其中:表示短時方位方差;表示目標方位序列;表示時間窗的長度;表示短時方差門限。

在剔除環(huán)境背景干擾后, 估計目標視在張角大小, 進而實現(xiàn)對目標真?zhèn)蔚淖R別。

3 潛艇目標方位估計仿真

仿真采用的發(fā)射信號形式為線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM), 中心頻率30 kHz, 采樣頻率200 kHz, 脈寬0.05 s, 調(diào)頻帶寬2 kHz, 魚雷與潛艇距離500 m, 潛艇幾何尺度為80 m。仿真結(jié)果見圖2~圖6。其中: 圖3為估計的回波信號方位信息; 圖4為方位信息的短時方差; 圖5和圖6中, “o”形標記位置為真實潛艇方位走向,“*”形標記位置為估計得到的潛艇各反射點的方位走向。

圖5 潛艇目標方位走向(干擾剔除后)

從圖2中可以看出, 根據(jù)文中提出的多亮點模型, 仿真得到的潛艇目標回波不僅表現(xiàn)了潛艇的尺度特征(回波時間展寬), 還表現(xiàn)了艇體表面的反射特性(亮點和散射背景), 驗證了模型的正確性。從圖3到圖6中可以看出, 在使用背景噪聲剔除方法將背景干擾剔除后, 利用剩余的目標方位信息可準確估計出目標視在張角的大小。當潛艇目標的舷角為30°時, 其真實幾何視在張角為5.36°, 從圖6中估計得到的目標視在張角大小為4.83°, 兩者相差0.47°, 估計誤差較小, 可為進一步識別潛艇目標提供可靠依據(jù)。

4 結(jié)束語

為更可靠地實現(xiàn)對潛艇目標亮點方位的估計, 建立了潛艇多亮點回波的數(shù)學模型, 采用了基于匹配相關(guān)法的目標方位估計方法, 并針對環(huán)境背景對方位的干擾提出了剔除干擾的方法。仿真結(jié)果表明, 文中所使用的潛艇目標多亮點回波的數(shù)學模型可用于模擬潛艇目標回波信號, 在目標方位估計的基礎(chǔ)上剔除背景干擾, 增加了目標方位估計的準確性, 可為潛艇目標的識別提供可靠證據(jù)。

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A DOA Estimation Method of Submarine Highlight Based on Correlation Matching Algorithm

ZHU Kun-an1,2, YANG Yun-chuan1, SHI Lei1, LI Bo1, GUO Lei1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To improve reliability of the DOA estimation of submarine highlights, a multi-highlight echo model of a submarine was established based on the mathematical model of point target echo, and the DOA was estimated by using the correlation matching algorithm. And according to the characteristic that the variance of target short-time bearing information is smaller than that of environmental background, a method for eliminating interference of environmental noise was proposed. Simulation results show that the proposed model can simulate the echo signal of a submarine, and deal with the target bearing obtained by the correlation matching algorithm by means of the proposed environmental noise elimination method to reduce the interference of environmental noise and improve the reliability of submarine target DOA estimation.

submarine; highlight model; direction of arrival(DOA) estimation; correlation matching algorithm

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.02.006

TB566; TN911.7

A

1673-1948(2016)02-0111-04

2016-02-22;

2016-03-09.

朱坤安(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向為聲自導信號處理技術(shù).

(責任編輯: 楊力軍)