淺水環(huán)境魚雷聲自導(dǎo)波形設(shè)計(jì)與分析

雷江濤，　董　萌，　張國鋒

（海軍裝備部， 陜西 西安， 710077）

淺水環(huán)境魚雷聲自導(dǎo)波形設(shè)計(jì)與分析

雷江濤，董萌，張國鋒

（海軍裝備部， 陜西 西安， 710077）

波形設(shè)計(jì)作為魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)設(shè)計(jì)的三大要素之一， 直接決定了魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)的抗混響能力及精確參數(shù)估計(jì)能力。文中以模糊度函數(shù)為分析工具， 通過數(shù)值仿真詳細(xì)對(duì)比分析了LFM、偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)及Costas信號(hào)等3種典型寬帶波形的抗混響能力、距離及速度分辨能力。仿真結(jié)果表明， 相同帶寬和時(shí)寬參數(shù)下， 偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)具有最優(yōu)的抗混響性能、距離及速度聯(lián)合分辨性能， 適用于淺水環(huán)境下低速目標(biāo)的檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別。文中的研究可為魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)波形設(shè)計(jì)提供參考。

魚雷聲自導(dǎo)； 淺水環(huán)境； 波形設(shè)計(jì)； 模糊度函數(shù)； 抗混響

0　引言

隨著現(xiàn)代艦艇靜音性能的逐步發(fā)展， 被動(dòng)聲探測(cè)技術(shù)將逐步被削弱， 取而代之的將是低頻主動(dòng)聲吶。主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷在淺水使用時(shí)與深水有很大不同， 淺水環(huán)境中界面混響（特別是海面混響）強(qiáng)度大、擴(kuò)展嚴(yán)重， 并且環(huán)境噪聲更為惡劣，嚴(yán)重制約了魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)淺水性能。我國近海水域深度大多在200 m以內(nèi)， 因此提高淺水性能是魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

主動(dòng)聲自導(dǎo)的主要優(yōu)勢(shì)之一在于可以通過波形設(shè)計(jì)技術(shù)改善系統(tǒng)的抗噪聲、抗混響、目標(biāo)識(shí)別與反對(duì)抗能力［1］。發(fā)射信號(hào)波形體制不僅決定了接收系統(tǒng)的信號(hào)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(jì)精度、混響抑制能力等性能。目前， 主動(dòng)聲吶常用的波形為單頻連續(xù)波（continuous wave， CW）、線性調(diào)頻（linear frequency modulation， LFM）及雙曲調(diào)頻（hyper-bolic frequency modulated， HFM）等［2～4］， 單頻CW信號(hào)抗混響能力最差， 只適用于高多普勒目標(biāo)，LFM及HFM等調(diào)頻類信號(hào)波形具有較優(yōu)的抗混響性能， 可用于低速目標(biāo)檢測(cè)， 但是具有速度估計(jì)精度差的缺點(diǎn)。國外Doisy Y［5］以及國內(nèi)岳雷［6］等人對(duì)線性調(diào)頻脈沖串（pulse trains of linear frequency-modulated， PTLFM）信號(hào)的抗混響性能進(jìn)行了研究， 但是該信號(hào)特性決定了其不利于目標(biāo)識(shí)別。

文中通過魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)功能需求與發(fā)射信號(hào)波形特性分析， 比較了LFM、Costas跳頻編碼信號(hào)以及偽隨機(jī)調(diào)相信號(hào)3種波形的抗混響及分辨性能， 并進(jìn)行了試驗(yàn)研究， 驗(yàn)證了采用波形設(shè)計(jì)手段可解決魚雷淺水自導(dǎo)探測(cè)能力不高的問題，為魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)波形選擇提供了依據(jù)。

1　淺水環(huán)境魚雷自導(dǎo)波形設(shè)計(jì)

1.1技術(shù)基礎(chǔ)

淺水環(huán)境是指聲波在其中傳播時(shí)， 易受海底、海面等邊界影響的傳播環(huán)境。針對(duì)魚雷自導(dǎo)而言， 一種是實(shí)際水深不超過200 m的淺海區(qū)域，一種是魚雷工作深度較淺的表面聲道（如主動(dòng)聲自導(dǎo)反艦等）。在此種環(huán)境下， 混響干擾嚴(yán)重（特別是海底與海面混響）， 易產(chǎn)生虛警， 特別不利于低速目標(biāo)的檢測(cè)； 同時(shí)， 環(huán)境噪聲和魚雷自導(dǎo)自噪聲更為惡劣， 嚴(yán)重制約自導(dǎo)作用距離的提高。

由信號(hào)檢測(cè)理論［1］可知: 此種環(huán)境下易采用大時(shí)間帶寬積（BT）信號(hào)， 白化混響， 提高信號(hào)處理增益。描述水聲信道的2個(gè)重要參數(shù)為多途擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展， 或者說為信道的相干帶寬和相干時(shí)間［7］。信號(hào)時(shí)寬T的選擇， 應(yīng)與信道的相干時(shí)間相當(dāng)， 信號(hào)帶寬B的選擇， 應(yīng)與信道的相干帶寬相當(dāng)。在遠(yuǎn)程， 自導(dǎo)的主要任務(wù)是信號(hào)檢測(cè)， 信號(hào)應(yīng)具有足夠的能量； 在中近程， 自導(dǎo)的主要任務(wù)是精確參數(shù)估計(jì)及目標(biāo)識(shí)別， 應(yīng)采用具有高時(shí)延和頻率分辨能力的寬帶編碼波形。

1.2波形分析及參數(shù)選擇

模糊度函數(shù)是信號(hào)分析和波形設(shè)計(jì)的有效工具。模糊度函數(shù)僅由發(fā)射波形決定， 它反映了不同波形在采用最優(yōu)信號(hào)處理?xiàng)l件下系統(tǒng)所具有的時(shí)延（距離）分辨、多普勒頻率（速度） 分辨以及混響抑制能力。一般情況下， 信號(hào)模糊度圖主瓣越尖銳， 旁瓣越低， 則能量在頻域和時(shí)域上越集中，信號(hào)的分辨力也越強(qiáng)。

信號(hào)的寬帶模糊度函數(shù)定義如下［2］

式中: τ是目標(biāo)回波時(shí)延； s稱為時(shí)間尺度因子或多普勒壓縮因子， 且， c為水中聲速， v為徑向速度， 相向運(yùn)動(dòng)時(shí)為負(fù)；u（t）是信號(hào)的復(fù)包絡(luò)。

1.2.1線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)

LFM信號(hào)是主動(dòng)聲吶中廣泛使用的波形之一， 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖1為LFM信號(hào)的寬帶模糊度函數(shù)數(shù)值仿真結(jié)果?？梢钥闯觯?其圖形為傾斜刀刃形， 具有尖銳的時(shí)延（距離）分辨特性且旁瓣很低； 具有優(yōu)越的抗混響能力， 但是速度模糊度函數(shù)比較平坦；具有較高的多普勒容限， 且存在距離和速度間的耦合模糊， 當(dāng)目標(biāo)距離和速度均未知時(shí)， 容易測(cè)不準(zhǔn)， 估計(jì)誤差很大。由此可見， LFM信號(hào)適合于淺水環(huán)境下魚雷自導(dǎo)的遠(yuǎn)程檢測(cè)， 但不適合于中近程的目標(biāo)識(shí)別， 或者說不能單獨(dú)用于中近程的目標(biāo)識(shí)別。

1.2.2偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)

偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)是一種相位按偽隨機(jī)編碼變化的二進(jìn)制調(diào)相信號(hào)， 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中: cn為偽隨機(jī)序列，； N為偽隨機(jī)序列長度； Ts為偽隨機(jī)序列碼片寬度；f0為中心頻率。

常用的偽隨機(jī)序列有m序列、M序列以及Gold序列等［8］， 圖2給出了基于m序列的偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)的寬帶模糊度函數(shù)數(shù)值仿真結(jié)果。可以看出， 其模糊度函數(shù)接近理想的圖釘形， 具有尖銳的時(shí)延（距離）、速度分辨特性且不存在距離與速度的耦合， 測(cè)量精度高， 具有優(yōu)越的抗混響能力， 適用于淺水環(huán)境下低速（甚至靜止）目標(biāo)的檢測(cè)與識(shí)別。缺點(diǎn)是對(duì)速度敏感， 當(dāng)可能的多普勒速度超過該容限時(shí)， 需配置新的多普勒濾波器，增加了接收設(shè)備的復(fù)雜性。

圖1　線性調(diào)頻信號(hào)模糊度函數(shù)圖（f0=20 kHz， B =2 kHz， T =128 ms）Fig. 1　The ambiguity function diagram of linear frequency modulation（LFM） signal（f0=20 kHz， B=2 kHz， T=128 ms）

圖2　m序列偽隨機(jī)調(diào)相信號(hào)模糊度函數(shù)圖Fig. 2　The ambiguity function diagram of m sequence pseu do random binary phase coding signal

1.2.3Costas信號(hào)

Costas信號(hào)是一種載頻按Costas編碼變化的時(shí)頻跳變信號(hào)， 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中: N為子脈沖個(gè)數(shù)； Tr為子脈沖重復(fù)周期； Ts為子脈沖寬度； fn為第n個(gè)子脈沖的載波頻率； n指第n個(gè)子脈沖。

產(chǎn)生Costas編碼的方法有Welch-Costas法［9］，表1列出了該方法生成的N=10時(shí)4組Costas序列。

表1　N=10時(shí)的Costas序列Table 1　Costas sequence when N=10

圖3～圖5給出了Costas信號(hào)寬帶模糊度函數(shù)數(shù)值仿真結(jié)果。在B和T一定的情況下， Costas信號(hào)特性與N的取值關(guān)系較大， 當(dāng)N取10時(shí)， 信號(hào)模糊度函數(shù)具有明顯的多峰現(xiàn)象， 時(shí)延（距離）副瓣高（約-4 dB）， 且存在微弱的距離和速度耦合； 當(dāng)N取22時(shí)， 信號(hào)模糊度函數(shù)的多峰現(xiàn)象明顯減弱，時(shí)延（距離）副瓣降低（約-19 dB）， 但依然存在微弱的距離和速度耦合； 當(dāng)N取16時(shí)， 信號(hào)模糊度函數(shù)的多峰現(xiàn)象最弱， 時(shí)延（距離）副瓣低（約-24 dB）， 且不存在距離和速度耦合， 具有尖銳的時(shí)延（距離）、速度分辨特性， 抗混響性能及分辨性能接近于相同時(shí)間帶寬參數(shù)下的偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)， 適用于淺水環(huán)境下低速（甚至靜止）目標(biāo)的檢測(cè)與識(shí)別。

圖3　子脈沖個(gè)數(shù)N=10時(shí)Costas信號(hào)模糊度函數(shù)圖Fig. 3　The ambiguity function diagram of Costas signal when number of sub-pulses N=10

圖4　N=16時(shí)Costas信號(hào)模糊度函數(shù)圖Fig. 4　The ambiguity function diagram of Costas signal when N=16

圖5　N=22時(shí)Costas信號(hào)模糊度函數(shù)圖Fig. 5　The ambiguity function diagram of Costas signal when N=22

2　試驗(yàn)驗(yàn)證

理論與仿真分析可知: 與LFM信號(hào)及Costas信號(hào)相比， 在相同B、T參數(shù)下， 偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)具有最優(yōu)的抗混響及距離-速度聯(lián)合分辨性能， 最適合用于低速目標(biāo)的檢測(cè)與目標(biāo)識(shí)別。為了驗(yàn)證偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)的優(yōu)越性， 在魚雷中程采用偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)， 在外場(chǎng)進(jìn)行了信號(hào)分辨能力靜態(tài)試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)水域深度約100 m， 接收裝置置于水下10 m； 發(fā)射信號(hào)為偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)， 帶寬4 kHz， 時(shí)寬127.75 ms； 模擬聲源為5個(gè)亮點(diǎn)， 亮點(diǎn)間距10 m， 布于水下20 m， 距離1 000 m， 多普勒設(shè)定為-8 kn。

對(duì)10個(gè)周期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 結(jié)果表明， 偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)可以精確估計(jì)出模擬聲源的距離及多普勒， 清晰地分辨出5個(gè)亮點(diǎn)，圖6給出了某周期數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)的高分辨特性及其應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別時(shí)的有效性。

圖6　偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)尺度識(shí)別試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig. 6　Data processing result of dimension identification trial of pseudo random binary phase coding signal

3　結(jié)束語

針對(duì)魚雷自導(dǎo)在淺水環(huán)境中的抗混響及精確參量估計(jì)需求， 闡述了發(fā)射信號(hào)波形設(shè)計(jì)對(duì)于魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性。然后利用信號(hào)模糊度函數(shù)工具， 對(duì)LFM信號(hào)、偽隨機(jī)二相編碼信號(hào)及Costas信號(hào)3種典型波形的抗混響能力、距離及速度分辨能力等進(jìn)行了深入分析與比較， 并給出了Costas信號(hào)具體的參數(shù)選擇方法。最后通過外場(chǎng)靜態(tài)試驗(yàn)， 驗(yàn)證了采用波形設(shè)計(jì)手段改善魚雷自導(dǎo)淺水性能的有效性， 文中的工作可為淺水環(huán)境魚雷自導(dǎo)波形設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇提供依據(jù)。

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（責(zé)任編輯: 楊力軍）

Waveform Design and Analysis of Torpedo Acoustic Homing in Shallow Water

LEI Jiang-tao，DONG Meng，ZHANG Guo-feng
（Naval Armament Department， Xi′an 710077， China）

As one of three major design factors of a torpedo active acoustic homing system， waveform design determines the anti-reverberation capability and accurate parameter estimation of the torpedo active acoustic homing system. In this study， ambiguity function is adapted to analyze the anti-reverberation capability， range and velocity resolution of three typical wideband waveforms， i.e. linear frequency modulation（LFM） waveform， pseudo random binary phase coding waveform， and Costas waveform. Simulation results demonstrate that the pseudo random binary phase coding waveform has the best anti-reverberation performance and joint resolution of velocity and range， and it is suitable to low speed target detection and identification in shallow water. This research may provide a reference for design of torpedo active acoustic homing waveform.

torpedo acoustic homing； shallow water environment； waveform design； ambiguity function； anti-reverberation

TJ630.34； TB566

A

1673-1948（2016）05-0346-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.006

2016-05-03；

2016-07-04.

雷江濤（1971-）， 男， 高級(jí)工程師， 長期從事魚雷總體及質(zhì)量管理工作.