水下無(wú)載波超寬帶信號(hào)波形設(shè)計(jì)與回波特性

侯欣雨，　陳　航，2

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院， 陜西 西安， 710072； 2. 水下信息處理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安， 710072）

水下無(wú)載波超寬帶信號(hào)波形設(shè)計(jì)與回波特性

侯欣雨1，陳航1，2

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院， 陜西 西安， 710072； 2. 水下信息處理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安， 710072）

復(fù)雜水聲環(huán)境下， 發(fā)射信號(hào)波形設(shè)計(jì)是提高魚雷自導(dǎo)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。文中基于超寬帶信號(hào)分辨率高、穿透能力強(qiáng)和低占空比等優(yōu)點(diǎn)， 根據(jù)不同位baker碼調(diào)制的Ricker水聲信號(hào)波形， 分析了該信號(hào)的帶寬、頻譜和頻帶內(nèi)的能量均勻性， 優(yōu)選出一種4位baker碼調(diào)制的Ricker信號(hào)作為水下無(wú)載波超寬帶信號(hào)。基于這種超寬帶信號(hào)進(jìn)行了潛艇目標(biāo)多亮點(diǎn)的回波特性仿真分析， 得出了不同入射角度、不同脈沖間隔信號(hào)波形對(duì)目標(biāo)多亮點(diǎn)回波的影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了這種脈沖信號(hào)在水下目標(biāo)探測(cè)中的可行性和優(yōu)良性， 為后續(xù)超寬帶信號(hào)在水下目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域的研究提供參考。

超寬帶信號(hào)； 回波特性； Ricker信號(hào)； 目標(biāo)多亮點(diǎn)

0　引言

隨著現(xiàn)代水下目標(biāo)及裝備技術(shù)的發(fā)展， 傳統(tǒng)的水聲信號(hào)處理技術(shù)遇到了新的挑戰(zhàn)， 這就需要進(jìn)一步研究提高微弱信號(hào)檢測(cè)、目標(biāo)參量精確估計(jì)、目標(biāo)識(shí)別與反對(duì)抗等能力的技術(shù)途徑。超寬帶信號(hào)比窄帶信號(hào)含有更豐富的信號(hào)信息， 將信號(hào)處理頻段向超寬帶信號(hào)的中低頻段擴(kuò)展， 可有效降低傳播損失和潛艇敷瓦的消聲效果， 提高魚雷對(duì)現(xiàn)代水下目標(biāo)的自導(dǎo)探測(cè)性能。由于自導(dǎo)系統(tǒng)的距離分辨力與信號(hào)帶寬成正比， 采用超寬帶信號(hào)并結(jié)合高分辨方位估計(jì)技術(shù)， 可得到精度更高的目標(biāo)回波方位距離信息， 利于尺度目標(biāo)的識(shí)別。此外， 超寬帶系統(tǒng)易采用復(fù)雜的波形與脈沖設(shè)計(jì)， 提高自導(dǎo)系統(tǒng)的抗干擾和反對(duì)抗能力。通過(guò)對(duì)混響的白化， 又可抑制混響， 提高自導(dǎo)系統(tǒng)在淺海環(huán)境下的探測(cè)能力， 并增強(qiáng)對(duì)低速、靜止目標(biāo)的打擊效果。由此看來(lái)， 超寬帶信號(hào)處理必然成為水下復(fù)雜環(huán)境中信號(hào)處理研究的熱點(diǎn)。

無(wú)載波超寬帶技術(shù)廣泛地應(yīng)用在雷達(dá)、醫(yī)療以及地震等領(lǐng)域的研究。極窄脈沖超寬帶信號(hào)的平均發(fā)射功率很低， 甚至降到背景噪聲的程度，從而使超寬帶信號(hào)在很寬的帶寬上可與其他通信系統(tǒng)共存， 并且設(shè)備復(fù)雜程度低、成本低、保密性好， 能夠有效對(duì)付像潛艇這樣有隱身技術(shù)的水下目標(biāo)［1］。

超寬帶信號(hào)在雷達(dá)領(lǐng)域已研究多年， 趙陳亮對(duì)于常見(jiàn)超寬帶信號(hào)作了詳細(xì)的介紹， 并針對(duì)性地研究了超寬帶信號(hào)的發(fā)射和接收技術(shù)［2］。也有很多學(xué)者用 baker碼來(lái)調(diào)制發(fā)射信號(hào)， 但是 4位baker碼調(diào)制的Ricker信號(hào)卻未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。

目前， 針對(duì)水下超寬帶信號(hào)已展開(kāi)一系列的研究， 崔小明等人研究了水下等離子體超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生， 為后續(xù)水下超寬帶研究提供依據(jù)［3］；徐瑜等人針對(duì)潛艇的多亮點(diǎn)目標(biāo)， 提出一種基于信號(hào)模型的潛艇目標(biāo)回聲的過(guò)渡特性分析方法［4］，把潛艇等效為5個(gè)多亮點(diǎn)目標(biāo)， 以研究潛艇的目標(biāo)回聲強(qiáng)度等內(nèi)容； 陳晟等人構(gòu)造了 1個(gè)只有 3個(gè)亮點(diǎn)的潛艇多亮點(diǎn)目標(biāo)， 并研究了不同入射角度的多亮點(diǎn)目標(biāo)的回波變化［5］。但是， 這些文獻(xiàn)中并沒(méi)有同時(shí)考慮回波強(qiáng)度、入射角度、脈沖間隔等對(duì)水下目標(biāo)回波的影響。

文中結(jié)合上述2種定義多亮點(diǎn)的方式， 借鑒極窄脈沖 Ricker超寬帶信號(hào)在雷達(dá)領(lǐng)域的研究，通過(guò)一種baker碼調(diào)制獲得Ricker脈沖串形成的水聲信號(hào)波形， 并對(duì)信號(hào)的功率譜、目標(biāo)回波與多亮點(diǎn)等特性展開(kāi)分析。將這種超寬帶信號(hào)引入魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)， 從而為水下復(fù)雜環(huán)境的目標(biāo)探測(cè)提供新的研究思路。

1　Ricker超寬帶信號(hào)

Ricker超寬帶信號(hào)在時(shí)域表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間極短的脈沖， 頻域上表現(xiàn)為帶寬非常寬的信號(hào)。其時(shí)域表達(dá)式為

相應(yīng)的頻域表達(dá)式為

其中: t為時(shí)間； f為頻率；Mf 為峰值頻率。Ricker脈沖信號(hào)的時(shí)域波形圖如圖 1所示， 功率譜密度函數(shù)如圖2所示。

圖1　Ricker脈沖時(shí)域信號(hào)Fig. 1　Ricker pulse signal in time domain

圖 2　功率譜密度函數(shù)Fig. 2　Function of power spectral density

Ricker信號(hào)是零相位， 且波形對(duì)稱， 旁瓣低且少， 即能量集中在極窄的時(shí)間范圍內(nèi)， 故分辨率高。根據(jù)水聲應(yīng)用的特點(diǎn)， 其信號(hào)時(shí)寬一般為幾十到幾百微秒， 帶寬一般為幾十或者上百千赫茲。

2　Baker碼調(diào)制Ricker脈沖信號(hào)

由于單脈沖Ricker信號(hào)的發(fā)射時(shí)間極短、單位發(fā)射時(shí)間內(nèi)占空比低， 通常情況下， 信號(hào)的發(fā)射需由一系列的脈沖來(lái)完成， 把Ricker信號(hào)當(dāng)成基信號(hào)組成脈沖串作為水下發(fā)射信號(hào)， 用于水下目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別。

編碼脈沖信號(hào)由N個(gè)時(shí)間間隔為Tn， 幅度為an的子脈沖信號(hào)組成， 其表達(dá)式為

其中， an的選擇從理論上來(lái)講是任意的， 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 考慮信號(hào)的相關(guān)性和檢測(cè)方法， 使用最多的是baker碼。目前已找到的baker碼有10組， 通過(guò)分析研究， 只有3位、4位、7位和13位baker碼的頻譜能夠達(dá)到要求。給定脈沖時(shí)寬為50 μs，不同位baker碼脈沖串信號(hào)帶寬變化見(jiàn)表1。

表1　不同baker碼的脈沖串參數(shù)分析Table 1　Parameter analysis of pulse train with different baker codes

從編碼脈沖信號(hào)的構(gòu)成看， 似乎單位發(fā)射時(shí)間內(nèi)， 脈沖串越多， 信號(hào)的能量越高， 對(duì)距離尺度相關(guān)的測(cè)量越精確。但研究結(jié)果顯示并非如此，通過(guò)對(duì)不同位baker編碼組合Ricker超寬帶信號(hào)的仿真表明， 表1列舉的4種波形具有相對(duì)較寬的信號(hào)帶寬， 結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　不同位baker碼脈沖串波形圖Fig. 3　Waveforms of pulse train with different bit baker codes

圖4　不同位baker碼脈沖頻譜圖Fig. 4　Pulse spectrum of different bit baker codes

從圖 4的頻譜看， 不同位 baker編碼組合Ricker超寬帶信號(hào)在頻帶內(nèi)的能量均勻性又有一定的差異。從相對(duì)帶寬來(lái)看， 4位baker碼調(diào)制的Ricker超寬帶信號(hào)帶寬最大， 相對(duì)帶寬較寬、同時(shí)頻帶內(nèi)的能量均勻性較其他編碼更好， 因此，選擇4位baker碼調(diào)制的Ricker信號(hào)作為后面研究的對(duì)象。

3　目標(biāo)回波模型

如果把潛艇認(rèn)為是傳統(tǒng)意義上的點(diǎn)目標(biāo)， 傳播過(guò)程波形保持不變， 則信道的系統(tǒng)函數(shù)為

式中: A是到達(dá)信號(hào)的幅度； τ是信號(hào)的時(shí)延。

實(shí)際的水下情況較為復(fù)雜， 一般情況下， 把目標(biāo)各散射中心認(rèn)為理論上適用的點(diǎn)目標(biāo)， 目標(biāo)的沖激響應(yīng)函數(shù)就是由各散射點(diǎn)的沖激函數(shù)加權(quán)疊加而成［6］。理想狀態(tài)下， 假設(shè)目標(biāo)的姿態(tài)角在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化， 在反射的過(guò)程中， 信號(hào)會(huì)發(fā)生幅度衰減， 則目標(biāo)的響應(yīng)函數(shù)

對(duì)于理想的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)， 各散射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加權(quán)幅度和相位固定， 也就是說(shuō)為常數(shù)。

根據(jù)信號(hào)回波方面的理論知識(shí)， 理想狀態(tài)下，得出目標(biāo)在信號(hào)波形的反射下， 多亮點(diǎn)目標(biāo)的理想回波模型

由多普勒效應(yīng)可知， 多普勒時(shí)移和多普勒頻移在本質(zhì)上是相同的， 技術(shù)上不易從超寬帶信號(hào)多普勒頻移中提取有效信息， 所以從時(shí)域角度考慮多普勒時(shí)移［7-8］。則回波信號(hào)

式中，fts為時(shí)間尺度因子， 且

式中: c為海洋聲傳播的速度； v為目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。取目標(biāo)遠(yuǎn)離聲吶時(shí)速度為正。

回波的脈沖寬度

由于聲傳播速度遠(yuǎn)大于目標(biāo)速度， 發(fā)射信號(hào)時(shí)寬又是微秒級(jí)，2vT/（c-v）很小，在理論研究中可忽略不計(jì)，認(rèn)為 Teco≈T，即認(rèn)為回波波形的變化可忽略。但是在時(shí)域來(lái)看，發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔Td比信號(hào)時(shí)寬大很多，回波信號(hào) seco的重復(fù)周期不能忽略。回波信號(hào)的時(shí)間間隔

圖5　不同目標(biāo)速度回波信號(hào)變化曲線Fig. 5　Curves of echo signal for different target velocity

分析圖 5可知， 當(dāng)目標(biāo)靠近聲吶時(shí)， 接收到的回波信號(hào)的間隔逐漸縮??； 相反， 當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離聲吶時(shí)， 接收到的回波信號(hào)之間的間隔逐漸增大，符合理論的設(shè)想。

4　多亮點(diǎn)目標(biāo)模型

把潛艇看作多亮點(diǎn)目標(biāo)模型［4-5，9-12］， 由于其表面結(jié)構(gòu)和方位的分布不同， 艇聲目標(biāo)強(qiáng)度最大的5個(gè)部位為潛艇的5個(gè)亮點(diǎn)目標(biāo)， 分別為艇艏、前艇體、艦橋、后艇體和艇艉， 假設(shè)潛艇的長(zhǎng)度為80 m， 亮點(diǎn)模型如圖6所示。圖中， 把潛艇5個(gè)亮點(diǎn)目標(biāo)等效為5個(gè)半徑不同的剛性球體。其中， 代表艦橋的剛性球體最大， 取直徑為8 m， 接下來(lái)依次是艇艉、艇艏、前（后）艇體。分別取7 m，6 m， 5 m和5 m。

圖6　目標(biāo)多亮點(diǎn)模型Fig. 6　Model of multi-highlight target

各亮點(diǎn)的目標(biāo)強(qiáng)度

則得到亮點(diǎn)回波的幅度

假設(shè)聲波的入射角度為θ，發(fā)射波與潛艇艇艏的距離為r，各亮點(diǎn)到艇艏的距離為li，由于脈沖的發(fā)射周期很短，可認(rèn)為在一個(gè)脈沖發(fā)射周期里聲源與潛艇的相對(duì)位置不變，且認(rèn)為俯仰角為0。則第i個(gè)亮點(diǎn)的時(shí)延

不考慮海洋環(huán)境和聲信道傳播損失的情況，假設(shè)潛艇和聲吶之間相對(duì)靜止， 在確定信噪比條件下， 多亮點(diǎn)靜止目標(biāo)回波信號(hào)就是各散射點(diǎn)回波的相干疊加［13］。以潛艇為例， 不同角度的baker碼調(diào)制的Ricker超寬帶信號(hào)多亮點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)如圖7所示。從圖中可以看出， 隨著角度的改變，觀測(cè)到的回波信號(hào)也有所不同。當(dāng)信號(hào)從0逐漸增大到90°時(shí)， 得到的回波間隔越來(lái)越小。當(dāng)入射角度為 90°時(shí)， 各亮點(diǎn)的重疊較嚴(yán)重， 基本分不清各亮點(diǎn)目標(biāo)。隨著角度從90°增加， 目標(biāo)亮點(diǎn)的間隔又慢慢展寬， 可以觀察到明顯的信號(hào)。同時(shí)，在這一段觀察角度內(nèi)， 先觀測(cè)到艇艉的亮點(diǎn)， 最后觀測(cè)到艇艏的亮點(diǎn)。

圖7　不同角度目標(biāo)回波變化Fig. 7　Change of target echo at different angles

通過(guò)對(duì)上述4位baker碼調(diào)制Ricker信號(hào)的分析， 可知多亮點(diǎn)目標(biāo)的分辨情況較理想。下面進(jìn)一步分析改變 Ricker信號(hào)脈沖間隔dT能不能達(dá)到同樣的效果。以入射角度30°為例， 如圖8所示。

圖8　不同脈沖間隔目標(biāo)回波變化Fig. 8　Variation of target echo with different pulse interval

從圖 8中可以看出， 隨著脈沖間隔增大， 觀測(cè)到的多亮點(diǎn)目標(biāo)回波越來(lái)越不清晰。因此， 選擇發(fā)射baker碼調(diào)制Ricker信號(hào)脈沖的長(zhǎng)度必須小于亮點(diǎn)間最小距離時(shí)延。

5　結(jié)束語(yǔ)

為提高魚雷自導(dǎo)在淺海時(shí)的綜合性能、自導(dǎo)作用距離和距離探測(cè)分辨率， 針對(duì)水下無(wú)載波超寬帶信號(hào)波形設(shè)計(jì)與回波特性進(jìn)行了研究， 根據(jù)不同baker碼調(diào)制的Ricker水聲信號(hào)波形， 分析了信號(hào)的帶寬、頻譜和頻帶內(nèi)的能量均勻性， 優(yōu)選出一種4位baker碼調(diào)制的Ricker信號(hào)作為水下無(wú)載波超寬帶信號(hào)。并基于這種超寬帶信號(hào)進(jìn)行了潛艇目標(biāo)多亮點(diǎn)的回波特性仿真分析， 仿真驗(yàn)證了這種脈沖信號(hào)在水下目標(biāo)探測(cè)中的可行性和優(yōu)良性。下一步工作的重點(diǎn)將側(cè)重于該信號(hào)檢測(cè)目標(biāo)的實(shí)用性研究。

［1］ 劉朝暉， 馬國(guó)強(qiáng). 水下聲自導(dǎo)武器目標(biāo)識(shí)別技術(shù)綜述［J］. 聲學(xué)與電子工程， 2004， 75（3）: 25-30.

［2］ 趙陳亮. 典型超寬帶信號(hào)的發(fā)射與接收技術(shù)［D］. 南京:南京理工大學(xué)， 2013.

［3］ 崔小明， 何軻， 雷開(kāi)卓， 等. 水下窄脈沖超寬帶信號(hào)的傳播特性仿真［J］. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2015， 23（1）: 218-220. Cui Xiao-ming， He Ke， Lei Kai-zhuo， et al. Simulation of Propagation Properties of Underwater Narrow Pulse and UWB Signal［J］. Computer Mesurement &control， 2015，23（1）: 218-220.

［4］ 徐瑜， 苑秉成， 唐波. 基于亮點(diǎn)模型的潛艇回聲過(guò)度特性分析［J］. 魚雷技術(shù)， 2012， 20（2）: 153-156. Xu Yu， Yuan Bing-cheng， Tang Bo. Analysis on Transition Characteristics of Echoes from Submarine Based on Highlight Model［J］. Torpedo Technology， 2012， 20（2）: 153-156.

［5］ 陳晟， 謝植廣， 余毅. 一種潛艇回波簡(jiǎn)化亮點(diǎn)模型仿真［J］. 電聲技術(shù)， 2011， 35（7）: 53-55. Chen Sheng， Xie Zhi-guang， Yu Yi. Simulation of Simplified Reflect Highlights Model from Submarine［J］. Audio Engineering， 2011，35（7）: 53-55.

［6］ 孟祥青. 雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)特性分析及仿真［D］. 天津:河海大學(xué)， 2007.

［7］ 姜衛(wèi). 水下目標(biāo)寬帶回波特性研究［D］. 上海: 上海交通大學(xué)， 2008.

［8］ 丁前軍， 王春陽(yáng)， 楊峰. 無(wú)載波超寬帶雷達(dá)時(shí)域多普勒處理［J］. 現(xiàn)代雷達(dá). 2002， （2）: 56-59.Ding Qian-jun， Wang Chun-yang， Yang Feng. Time-domain Doppler Processing for Carrier-free UWB Radars［J］. Modern Radar， 2002， （2）: 56-59.

［9］ 倪云鹿， 陳航， 楊虎， 等. 超寬帶水聲信號(hào)目標(biāo)回波仿真［J］. 聲學(xué)技術(shù)， 2009， 28（6）: 71-73. Ni Yun-lu， Chen Hang， Yang Hu， et al. Simulation for Target Echo of UWB Acoustic Signal［J］. Technical Acoustics， 2009，28（6）: 71-73.

［10］ 徐瑜， 唐波， 苑秉成. 水下目標(biāo)回波亮點(diǎn)高分辨方位估計(jì)與仿真［J］. 魚雷技術(shù)， 2012， 20（3）: 190: 194. Xu Yu， Tang Bo， Yuan Bing-cheng. High-Resolution DOA Estimation Algorithm for Underwater Target Echo Highlight with Simulation［J］. Torpedo Technology， 2012， 20（3）: 190-194.

［11］ 董仲臣， 李亞安， 陳曉. 一種基于亮點(diǎn)模型的潛艇回波仿真方法［J］. 計(jì)算機(jī)仿真， 2013， 30（6）: 38-42. Dong Zhong-chen， Li Ya-an， Chen Xiao. Submarine Echo Simulation Method Based on Highlight Model［J］. Computer Simulation， 2013， 30（6）: 38-42.

［12］ Trifonov A P， Rudnev P E. Detection of an Ultra-wideband Quasi-radio Signal with Unknown Arrival Time Against the Background of White Noise［J］. Radiophysics and Quantum Electronics， 2011， 54 （6）: 415-429.

［13］ 李志舜. 魚雷自導(dǎo)信號(hào)與信息處理［M］. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2004.

（責(zé)任編輯: 楊力軍）

Waveform Design and Echo Characteristic of Underwater Carrier-free Ultra-Wide Band Signal

HOU Xin-yu1，CHEN Hang1，2
（1. School of Marine Science and Technology， Northwestern Polytechnical University， Xi′an 710072； 2. National Key Lab of Underwater Information Processing and Control， Xi′an 710072）

The design of signal waveform is very important for improving torpedo homing performance under complex underwater acoustic environment. Ultra-wide band signal has many advantages in target detection， such as high resolution， strong penetrability， and low duty ratio. In this paper， According to the Ricker waveform of underwater acoustic signals modulated by different bit baker codes， the signal′s bandwidth， frequency spectrum and energy uniformity within a frequency band are analyzed， a Ricker signal modulated by a 4 bit baker code is optimized as an underwater carrier-free ultra-wide band signal. Based on this kind of ultra-wide band signal， the echo characteristic simulation analysis of submarine target is carried out， and the influences of incident angle and signal waveform with different pulse interval on the echo of multi-highlight target are obtained. Simulation results verify the feasibility of this kind of pulse signal in underwater target detection， and may provide reference for further research on application of ultra-wide band signal to underwater target detection.

ultra-wide band signal； echo characteristic； Ricker signal； multi-highlight target

TJ630.34； O427.1

A

1673-1948（2016）05-0340-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.005

2016-06-27；

2016-07-13.

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705所科學(xué)研究資助項(xiàng)目（705JCH2015-4.1）.

侯欣雨（1990-）， 女， 在讀碩士， 主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理.