水下探測(cè)通信一體化關(guān)鍵技術(shù)分析

盧 俊, 張群飛, 史文濤

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水下探測(cè)通信一體化關(guān)鍵技術(shù)分析

盧 俊, 張群飛, 史文濤

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

水下探測(cè)與水聲通信相結(jié)合的水下探測(cè)通信一體化技術(shù)具有減小平臺(tái)體積、降低功耗、提高隱蔽性等優(yōu)點(diǎn), 但聲吶的物理特性、聲特性以及水聲環(huán)境等因素制約了該技術(shù)的發(fā)展。結(jié)合現(xiàn)有雷達(dá)通信一體化、水下探測(cè)與水聲通信技術(shù), 研究了共享體制下基于通信信號(hào)的水下探測(cè)通信一體化技術(shù), 分析了常用水聲通信調(diào)制方式的探測(cè)與通信性能, 選取了適合水下共享波形的調(diào)制方式。針對(duì)單基地工作模式, 提出了多級(jí)自干擾抑制方法以及利用通信信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)與檢測(cè)的方法, 設(shè)計(jì)了發(fā)射泄漏模擬抵消器。針對(duì)雙基地工作模式, 利用空域矩陣濾波方式進(jìn)行直達(dá)波的消除, 分析了信噪比、誤碼率與探測(cè)性能的關(guān)系, 同時(shí)利用直達(dá)波獲取的發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波, 提高了目標(biāo)參數(shù)估計(jì)與檢測(cè)性能。

水下探測(cè); 水聲通信; 一體化; 單基地聲吶; 雙基地聲吶

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步, 水下作戰(zhàn)方式也向著信息化、系統(tǒng)化發(fā)展。水下探測(cè)以及水下通信作為水聲信息技術(shù)一直備受重視, 而將兩者相結(jié)合的水下探測(cè)通信一體化技術(shù)也成為水聲信息技術(shù)中重要的研究方向, 對(duì)海洋的利用開發(fā)和海洋國(guó)防安全有著深遠(yuǎn)的意義?，F(xiàn)有的水下信息系統(tǒng)中, 水下探測(cè)和水聲通信往往作為獨(dú)立的設(shè)備單獨(dú)設(shè)計(jì)和使用, 給體積占用、功率消耗方面帶來很大壓力, 而兩者在工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理以及工作頻率上的相似, 將兩者有機(jī)的結(jié)合集成, 形成探測(cè)通信一體化, 則可減小平臺(tái)的體積, 降低功耗, 增強(qiáng)隱蔽性[1]。水下探測(cè)通信一體化可以實(shí)現(xiàn)多種資源的共享, 提高系統(tǒng)生存能力與應(yīng)變能力, 將成為未來綜合電子信息系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

1 探測(cè)通信一體化發(fā)展

探測(cè)通信一體化技術(shù)最早應(yīng)用于雷達(dá)上, 在20世紀(jì)60年代, Mealey[2]提出了在雷達(dá)上實(shí)現(xiàn)通信功能的理念, 利用雷達(dá)的脈沖對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)單向通信系統(tǒng)。1975年, Fiden等[3]利用不同的脈沖重復(fù)頻率(pulse recurrence frequency, PRF)表示不同的通信數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的功能。20世紀(jì)80年代, 美海軍研究實(shí)驗(yàn)室在Tilghman島上利用SENRAD雷達(dá)搭建了一系列雷達(dá)通信驗(yàn)證系統(tǒng)[4], 驗(yàn)證了利用雷達(dá)進(jìn)行通信的可行性。此后, 探測(cè)通信一體化越來越受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注, 而基于聲吶的水下探測(cè)通信一體化系統(tǒng)目前還處于起步階段。

1.1 探測(cè)通信一體化工作體制

探測(cè)通信一體化工作體制分為分時(shí)體制、分頻體制、分波束體制以及全共享體制4種。

分時(shí)體制將時(shí)間劃分為多個(gè)間隙, 在每個(gè)間隙中發(fā)送探測(cè)信號(hào)或通信信號(hào), 一個(gè)間隙內(nèi)不能同時(shí)發(fā)送探測(cè)信號(hào)和通信信號(hào), 分時(shí)體制系統(tǒng)復(fù)雜度低, 易實(shí)現(xiàn)。1996年, 美國(guó)海軍研究局開展高級(jí)多功能射頻系統(tǒng)(advanced multifunction RF system, AMRFS)研究計(jì)劃[5], 其研究的集成艦載射頻系統(tǒng)可以保證雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信功能同時(shí)或分時(shí)使用射頻資源。

全共享體制是指探測(cè)與通信共享一個(gè)發(fā)射波形, 它具有在同一時(shí)段、同一頻段進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)與數(shù)據(jù)通信的能力, 也稱為同時(shí)同頻體制。這4種體制的優(yōu)缺點(diǎn)如圖1所示。

由于雷達(dá)可用帶寬大、孔徑大且電磁波傳播速度快的特點(diǎn), 現(xiàn)有的基于雷達(dá)的探測(cè)通信一體化系統(tǒng)常采用分時(shí)、分頻及分波束的工作體制, 這3種體制都易于工程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于聲吶而言, 由于可用頻帶窄、陣列孔徑小且水聲傳播速度慢, 較適合采用全共享體制, 通過發(fā)射共享波形, 使探測(cè)與通信在同時(shí)同頻段進(jìn)行, 因此在寬帶利用率、低功耗、小體積方面有著顯著優(yōu)勢(shì), 但也給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶來困難, 下文將首先介紹該體制在雷達(dá)上的研究現(xiàn)狀。

1.2 全共享體制研究現(xiàn)狀

全共享體制根據(jù)共享波形類型可分為通信與探測(cè)波形疊加合成共享波形、基于雷達(dá)波形的共享波形以及基于通信波形的共享波形3類。

疊加合成的共享波形采用2種相互正交的波形來分別執(zhí)行探測(cè)和通信功能[7]。2種波形獨(dú)立產(chǎn)生, 然后疊加合成。2003年, Roberton[8]提出了基于Chirp信號(hào)的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng), 該系統(tǒng)中通信和雷達(dá)波形分別獨(dú)立產(chǎn)生, 然后疊加合成共享波形, 該系統(tǒng)以Up-Chirp信號(hào)作為通信波形, Down-Chirp信號(hào)作為雷達(dá)探測(cè)波形, 在接收端采用獨(dú)立的接收機(jī), 但這2種信號(hào)間的干擾成為影響系統(tǒng)性能的新問題。

基于雷達(dá)波形的共享波形將通信信息調(diào)制到雷達(dá)信號(hào)上, 雷達(dá)信號(hào)成為傳輸信號(hào)的載體[9]。2007年, 荷蘭的Barrenechea等[10]提出將通信數(shù)據(jù)以調(diào)幅的方式調(diào)制在調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)上, 形成一個(gè)調(diào)幅-調(diào)頻連續(xù)波(amplitude modulation- frequency modulated continuous wave, AM-FMCW)寬帶雷達(dá)。Hassanien等[11]使用跳頻的方式將通信信息嵌入到MIMO雷達(dá)中。李曉柏等[12]提出了基于線性調(diào)頻信號(hào)的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng), 其采用同調(diào)頻率不同初始頻率的Chirp信號(hào), 可在不影響雷達(dá)性能的前提下, 實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的傳送, 此特殊共用信號(hào)的設(shè)計(jì)使得通信信號(hào)隱藏在雷達(dá)信號(hào)之中, 增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和信號(hào)的低截獲率。

基于通信波形的共享波形從已有的通信復(fù)用技術(shù)上發(fā)展而來的, 如碼分多址(code division multiple access, CDMA)、正交頻分復(fù)用(orthogo- nal frequency division multiplexing, OFDM)等, 該類方法主要將通信信號(hào)改造成適合雷達(dá)探測(cè)的波形[13], 或者直接用通信信號(hào)作為探測(cè)波形。Sturm等[14]研究了OFDM在車載雷達(dá)通信綜合化中的應(yīng)用, 其利用OFDM信號(hào)的頻域特性, 通過傅里葉變換處理雷達(dá)測(cè)距信號(hào), 不但處理快速、旁瓣低, 且獨(dú)立于調(diào)制數(shù)據(jù)。劉少華等[15]提出基于最小移頻鍵控(minimum shift keying, MSK)直接序列擴(kuò)頻的雷達(dá)通信一體化信號(hào), 通過對(duì)通信中的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻, 使其具有良好的自相關(guān)性, 從而滿足雷達(dá)探測(cè)的要求。以上3種全共享體制的共享波形優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

現(xiàn)階段探測(cè)通信一體化的研究主要是基于雷達(dá), 而基于水下聲吶的探測(cè)通信一體化研究則很少。

2 水下探測(cè)通信一體化技術(shù)難點(diǎn)分析

表 1 不同共享信號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

Table.1 Comparison of advantages and disadvantages among different shared signals

在水下信息對(duì)抗中, 聲吶系統(tǒng)的隱蔽性和低截獲率尤為關(guān)鍵。主動(dòng)聲吶發(fā)射聲源級(jí)較強(qiáng), 在進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)時(shí)容易暴露己方, 通信信號(hào)發(fā)射聲源級(jí)較弱, 具有較好的隱蔽性。但正是由于通信發(fā)射信號(hào)弱, 導(dǎo)致目標(biāo)回波弱。為了提高檢測(cè)概率, 需要增加信號(hào)累積時(shí)間以獲得累積增益, 這樣就需要連續(xù)的信號(hào)。同時(shí), 在水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)(underwater wireless sensor networks, UWSN), 各節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同探測(cè)和通信中, 利用分布式的多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息融合, 可達(dá)到比單一節(jié)點(diǎn)更高的檢測(cè)能力、參數(shù)估計(jì)精度和容錯(cuò)能力。在通信過程中, 如果同時(shí)利用通信信號(hào)進(jìn)行探測(cè), 有利于提高網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同效率與隱蔽性。因此, 基于通信信號(hào)的水下探測(cè)通信一體化系統(tǒng)是值得研究的。以通信信號(hào)作為共享信號(hào)的探測(cè)通信一體化系統(tǒng)主要應(yīng)用模式如圖2所示。

從圖2中可知, 水下探測(cè)通信一體化應(yīng)用共有4種工作模式: ①利用自身發(fā)射的通信信號(hào)的單基地主動(dòng)探測(cè); ②利用其他節(jié)點(diǎn)通信信號(hào)的雙基地探測(cè); ③利用其他節(jié)點(diǎn)主動(dòng)聲吶照射信號(hào)(含通信信號(hào))的雙基地探測(cè); ④在通信的同時(shí)被動(dòng)目標(biāo)探測(cè)。

借鑒雷達(dá)與聲吶的相似性及雷達(dá)通信一體化的研究成果, 文中根據(jù)自研的水聲通信與探測(cè)系統(tǒng), 進(jìn)行水下探測(cè)通信一體化的研究。該一體化系統(tǒng)是在保證正常通信性能的前提下, 兼顧目標(biāo)主動(dòng)探測(cè)功能。通信發(fā)射信號(hào)既作為信息傳遞信號(hào), 又作為主動(dòng)探測(cè)照射源, 從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)通信一體化。因此, 文中研究的水下探測(cè)通信一體化系統(tǒng)是全共享體制下, 采用通信信號(hào)作為共享波形, 重點(diǎn)研究圖2中模式①與模式②。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。該系統(tǒng)由發(fā)射端、接收基陣及電子倉(cāng)組成, 發(fā)射端為單陣元, 接收端為陣列。下面分別就2種探測(cè)模式的研究難點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 單基地主動(dòng)探測(cè)模式

單基地主動(dòng)探測(cè)模式利用節(jié)點(diǎn)自身發(fā)射的通信信號(hào)分別完成目標(biāo)探測(cè)與信息傳輸, 此時(shí)通信信號(hào)具有信息傳遞以及目標(biāo)主動(dòng)探測(cè)2種功能, 其實(shí)現(xiàn)過程中存在如下難點(diǎn)。

1) 通信信號(hào)波形選取

探測(cè)與通信系統(tǒng)在波形上存在差異: 探測(cè)系統(tǒng)要求發(fā)射信號(hào)平均功率大、時(shí)寬帶寬積大、在接收端可準(zhǔn)確復(fù)制副本, 以確保匹配濾波帶來的處理增益, 進(jìn)而提高信號(hào)的檢測(cè)能力和參數(shù)分辨能力, 常用連續(xù)波形、線性調(diào)頻等波形; 通信系統(tǒng)要求發(fā)射信號(hào)盡可能多地?cái)y帶變化的信息, 帶寬利用率高, 常用OFDM、相移鍵控(phase-shift keying, PSK)等波形, 因此, 通信信號(hào)波形選取是關(guān)系到一體化系統(tǒng)探測(cè)與通信性能的重要因素。

2) 發(fā)射泄漏抑制

單基地水下探測(cè)通信一體化系統(tǒng)采用同時(shí)同頻工作體制, 受限于平臺(tái)尺寸, 發(fā)射端與接收端隔離度有限, 導(dǎo)致發(fā)射泄漏功率遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波信號(hào)功率, 回波信號(hào)被干擾信號(hào)淹沒, 不利于目標(biāo)的探測(cè), 因此, 如何對(duì)發(fā)射泄漏的自干擾信號(hào)進(jìn)行抑制是一大關(guān)鍵問題。

3) 基于通信回波信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)方法

通信回波信號(hào)功率小、帶寬寬、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn), 以及復(fù)雜時(shí)變的水聲環(huán)境, 可能使信號(hào)發(fā)生畸變。通信信號(hào)較主動(dòng)探測(cè)信號(hào)復(fù)雜, 其根據(jù)傳輸?shù)男畔?、調(diào)制方式不同而不同, 以二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)調(diào)制方式為例, 這時(shí)調(diào)制波形相位跳變快, 從而更容易發(fā)生畸變, 畸變更為嚴(yán)重, 不易于目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì), 需研究有效的回波處理方法。

2.2 雙基地探測(cè)模式

雙基地工作模式下, 節(jié)點(diǎn)利用其他節(jié)點(diǎn)發(fā)射的通信信號(hào)作為目標(biāo)探測(cè)照射源, 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè),同時(shí), 通信信號(hào)攜帶通信信息, 從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)與通信一體化的功能, 其實(shí)現(xiàn)也存在一定難度。

1) 直達(dá)波干擾抑制

接收端首先接收的是其他節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的直達(dá)波, 其強(qiáng)度往往強(qiáng)于目標(biāo)回波信號(hào), 因此在檢測(cè)目標(biāo)時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行抑制。

2) 目標(biāo)反射波的不確定性

雙基地模式是利用其他節(jié)點(diǎn)發(fā)射的通信信號(hào)作為照射源, 通信信號(hào)根據(jù)所需發(fā)射的信息而變化, 接收端無發(fā)射信號(hào)副本, 且不同的調(diào)制方式以及復(fù)雜時(shí)變的水聲環(huán)境可能使信號(hào)發(fā)生畸變, 不易確定回波的正確波形。

從對(duì)水下探測(cè)通信一體化的單基地與雙基地2種模式實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)的分析可以知道, 其較陸上雷達(dá)通信一體化的實(shí)現(xiàn)具有更大的難度, 這些難度源于聲吶的物理特性、聲特性以及水聲環(huán)境等, 如何解決這些問題是水下探測(cè)通信一體化研究的重點(diǎn)。

3 單基地水下探測(cè)通信一體化突破點(diǎn)

借鑒雷達(dá)通信一體化的研究, 以及現(xiàn)有水下目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)方法, 針對(duì)單基地水聲探測(cè)通信一體化面臨的難點(diǎn), 給出一些初步方法。單基地水聲探測(cè)通信一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖中可知, 解決問題的關(guān)鍵在于共享波形的選取、發(fā)射泄漏抑制以及回波信號(hào)處理三方面。

3.1 共享波形選取

常用的水聲無線調(diào)制方式有頻移鍵控(frequ- ency-shift keying, FSK)、PSK、MSK, 以及多載波的OFDM等, 特點(diǎn)見表2。

表2 常用無線調(diào)制方式特點(diǎn)

(1)

3種調(diào)制波形的模糊函數(shù)圖如圖5所示。從圖中可知, MSK與2FSK調(diào)制信號(hào)的模糊函數(shù)旁瓣較高, 而BPSK調(diào)制信號(hào)呈“釘板型”, 都具有良好的時(shí)間與頻率分辨率, BPSK調(diào)制信號(hào)還具有較強(qiáng)的抗多普勒混響能力。在無多徑理想信道條件、載頻6 kHz, 頻帶3~8 kHz, 采樣頻率48 kHz, 碼元寬度12時(shí), 3種調(diào)制方式的誤碼率仿真圖如圖6所示。從圖中可知, BPSK誤碼率最低, MSK次之, 2FSK誤碼率最大。由于碼元寬度過小, 導(dǎo)致2FSK失效。綜合比較3種調(diào)制方式的模糊函數(shù)以及通信誤碼率可知, BPSK較適用于探測(cè)通信一體化的共享信號(hào)。

3.2 多級(jí)自干擾抑制

探測(cè)通信一體化系統(tǒng)中發(fā)射泄漏的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波, 需要在接收端對(duì)發(fā)射泄漏進(jìn)行抑制?？筛鶕?jù)發(fā)射泄漏特點(diǎn)進(jìn)行多級(jí)抑制: 首先利用接收端聲學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)收發(fā)換能器進(jìn)行聲學(xué)隔離; 再利用多個(gè)接收水聽器的對(duì)稱性, 通過兩兩相減對(duì)自干擾進(jìn)行初步抑制; 然后測(cè)出發(fā)射信號(hào)到接收端的傳遞函數(shù), 在模擬電路中減去發(fā)射泄漏的估計(jì)值, 實(shí)現(xiàn)自干擾的抑制; 經(jīng)過前2級(jí)的干擾抑制后, 模擬信號(hào)量化成數(shù)字信號(hào), 完成進(jìn)一步的自干擾數(shù)字化抑制。探測(cè)通信一體化系統(tǒng)多級(jí)自干擾抑制示意圖如圖7所示。

1) 聲學(xué)隔離

首先把發(fā)射換能器和接收水聽器布置在水密儀表艙的兩端, 然后在兩者之間加聲障板, 達(dá)到隔離收發(fā)之間聲傳播通道的效果。

2) 聲學(xué)抑制

利用陣元布置結(jié)構(gòu), 進(jìn)行自干擾抵消。如文獻(xiàn)[16]中所提的半波長(zhǎng)抵消法, 兩接收陣元與發(fā)射陣元在同一直線上, 且兩接收陣元相對(duì)于發(fā)射端距離差半個(gè)波長(zhǎng), 因此兩陣元接收信號(hào)的具有“等幅同相”特性, 利用這一特性進(jìn)行對(duì)消, 達(dá)到15~30 dB的對(duì)消性能。這種雙陣元相減的方法相當(dāng)于壓差式矢量水聽器, 它會(huì)把法線方向的信號(hào)也減掉, 所以為了確保各方向信號(hào)的正常接收, 至少需要2對(duì)連線正交的水聽器。

由于陣元布置精度以及結(jié)構(gòu)影響, 陣元間難以達(dá)到“等幅同相”的情況, 這會(huì)影響對(duì)消的性能, 仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖8可知, 幅度與相位誤差越小, 對(duì)消比越大, 因此陣元間的幅相一致性較為重要。

3) 模擬域發(fā)射泄漏抑制

模擬域發(fā)射泄漏抑制主要利用延遲器、衰減器和移相器等重建干擾信號(hào), 再用重建的干擾信號(hào)與接收信號(hào)相減達(dá)到干擾抑制目的。常見的方法為多抽頭延遲濾波[16], 其結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

多抽頭延遲濾波模型是當(dāng)前同頻同時(shí)全雙工(co-frequency co-time full duplex, CCFD)系統(tǒng)中模擬域自干擾消除的原型。自干擾消除效果與模擬電路重建的自干擾信號(hào)的幅度、相位以及時(shí)間延遲偏差有關(guān)。以時(shí)間延遲偏差為例說明, 采用BPSK調(diào)制信號(hào), 發(fā)射聲源級(jí)180 dB, 仿真得到延遲時(shí)間、信號(hào)帶寬與殘余自干擾功率關(guān)系如圖10所示。

從仿真結(jié)果看, 殘余自干擾功率隨著延遲時(shí)間的增加而增加, 當(dāng)延遲時(shí)間增加到一定程度時(shí), 殘余自干擾功率達(dá)到恒定值; 當(dāng)延遲時(shí)間一定時(shí), 隨著信號(hào)帶寬的增加, 殘余自干擾功率增加。所以為了增加自干擾消除能力, 應(yīng)盡量減小信號(hào)帶寬與延遲時(shí)間偏差。

依據(jù)電話機(jī)的回聲抵消原理, 根據(jù)文中研究的一體化系統(tǒng), 設(shè)計(jì)適合該研究的發(fā)射泄漏抵消濾波器(如圖11所示), 它是一種自適應(yīng)干擾抵消器, 根據(jù)抵消輸出調(diào)整濾波器系數(shù), 使輸出最小, 最大程度抵消接收信號(hào)中的發(fā)射泄漏。濾波器系數(shù)在數(shù)字域調(diào)整, 抵消過程在模擬信號(hào)域進(jìn)行, 充分保證了微弱目標(biāo)回波的信噪比。

4) 數(shù)字域發(fā)射泄漏抑制

經(jīng)過前面兩級(jí)自干擾抵消后, 模擬信號(hào)經(jīng)過A/D量化成數(shù)字信號(hào), 在數(shù)字域進(jìn)一步進(jìn)行干擾抵消處理。常用的方法有基于干擾信道估計(jì)與重建的自干擾抑制及自適應(yīng)濾波。基于干擾估計(jì)與重建的數(shù)字干擾抑制, 其抑制效果主要取決于干擾信道的估計(jì)精度。自適應(yīng)濾波需要一個(gè)接收信號(hào)輸入和一個(gè)參考輸入, 以便抵消原始輸入中的干擾信號(hào), 而對(duì)其中的有用信號(hào)則不產(chǎn)生影響。

自適應(yīng)濾波器如圖12所示, 其核心是自適應(yīng)對(duì)消器, 自適應(yīng)對(duì)消器的特性是當(dāng)輸入過程的統(tǒng)計(jì)特性未知或輸入過程的統(tǒng)計(jì)特性變化時(shí), 能自適應(yīng)調(diào)整自身的參數(shù), 以滿足某種準(zhǔn)則要求, 常見的準(zhǔn)則有遞歸最小二乘(recursive least squa- res, RLS)準(zhǔn)則、最小均方(least mean square, LMS)準(zhǔn)則、歸一化最小均方(normalized least mean squ- are, NLMS)準(zhǔn)則。

經(jīng)過多級(jí)自干擾抑制, 使發(fā)射泄漏自干擾被抑制在可以接受的范圍內(nèi), 從而保證系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程弱目標(biāo)的探測(cè)性能。

3.3 回波信號(hào)處理

水下探測(cè)通信一體化對(duì)于目標(biāo)回波信號(hào)的處理, 可以借鑒常規(guī)的主動(dòng)聲吶信號(hào)處理方法。通信發(fā)射聲源級(jí)(180~185 dB)要小于主動(dòng)聲吶發(fā)射聲源級(jí)(200~205 dB), 因此, 目標(biāo)回波信號(hào)能量更弱。

為提高微弱信號(hào)的檢測(cè)能力和估計(jì)精度, 可對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波、增加時(shí)寬帶寬積處理增益, 但同時(shí)也增加了運(yùn)算復(fù)雜度和內(nèi)存資源開銷。因此, 需要對(duì)接收到的回波分段, 再對(duì)各段進(jìn)行信號(hào)處理, 最后對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行融合, 達(dá)到降低運(yùn)算復(fù)雜度, 提高探測(cè)性能的目的, 其過程如圖13所示。

信號(hào)分段的長(zhǎng)度不僅影響時(shí)間累積增益大小, 同時(shí)關(guān)系到運(yùn)算復(fù)雜度, 因此合適的信號(hào)分段長(zhǎng)度對(duì)平衡運(yùn)算復(fù)雜度與系統(tǒng)性能尤為關(guān)鍵。

回波信號(hào)為目標(biāo)對(duì)通信信號(hào)的反射波, 利用通信信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)的方位估計(jì)與檢測(cè)是一種方法。如BPSK調(diào)制信號(hào), 其具有非圓特性[17], 依據(jù)這一特性, 同時(shí)利用接收數(shù)據(jù)矩陣及其共軛, 組成擴(kuò)展的接收數(shù)據(jù)矩陣

利用擴(kuò)展的接收數(shù)據(jù)矩陣可以提高信息的利用率, 等效于虛擬擴(kuò)展陣列的陣元數(shù), 從而提高波達(dá)方向(direction of arrival, DOA)估計(jì)的分辨率,并增加可估計(jì)的信源個(gè)數(shù)。

基于通信信號(hào)的水下探測(cè)通信一體化回波信號(hào)具有功率小、帶寬寬、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)以及可能存在畸變等特點(diǎn), 給信號(hào)處理帶來難度, 需要進(jìn)一步研究有效的處理方法。

4 雙基地水下探測(cè)通信一體化突破點(diǎn)

雙基地水下探測(cè)通信一體化是利用其他節(jié)點(diǎn)發(fā)射的通信信號(hào)作為照射聲源來探測(cè)目標(biāo)。首先通過接收、解調(diào)該通信信號(hào)的直達(dá)波, 獲得發(fā)射節(jié)點(diǎn)的信息, 然后濾除該直達(dá)波去檢測(cè)微弱的目標(biāo)回波。它面臨的問題主要是直達(dá)波抑制以及不確定性信號(hào)檢測(cè)。

4.1 直達(dá)波抑制

雙基地水下探測(cè)通信一體化工作過程中通信信號(hào)直達(dá)波的強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)高于目標(biāo)對(duì)通信信號(hào)的回波。假設(shè)雙基地距離為, 目標(biāo)位于中點(diǎn)/2處、目標(biāo)強(qiáng)度10 dB, 兩者的吸收衰減差別不大, 但擴(kuò)展損失相差很大(見表3)。距離1 km的2個(gè)節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)雙基地探測(cè), 接收系統(tǒng)需要具有38 dB的直達(dá)波抑制能力, 才能獲得0 dB的信干比。這對(duì)直達(dá)波抑制能力提出了較高的要求。

表3 雙基地不同距離下直達(dá)波與回波強(qiáng)度分析

式中:是設(shè)定的阻帶扇面的衰減率;為目標(biāo)方位。

從仿真結(jié)果可以看出, 當(dāng)不進(jìn)行空域?yàn)V波, 干噪比為10 dB時(shí), 目標(biāo)信號(hào)被干擾淹沒; 經(jīng)過最小二乘矩陣濾波后, 在干噪比10 dB時(shí)依然能較好地分辨出目標(biāo)?；诹泓c(diǎn)約束的空域?yàn)V波結(jié)果, 在信干比25 dB時(shí)依然能檢測(cè)到目標(biāo), 比最小二乘空域?yàn)V波具有更好的干擾抑制效果。

4.2 不確定性信號(hào)檢測(cè)

雙基地模式中, 通信信號(hào)由于發(fā)送信息的不同, 其發(fā)射信號(hào)波形中除了同步頭、訓(xùn)練段是確定的, 其余大部分是不確定的數(shù)據(jù)段。同時(shí), 信道環(huán)境引起信號(hào)的畸變導(dǎo)致目標(biāo)反射回波的不確定性, 給回波信號(hào)的處理帶來難度。

從仿真結(jié)果上看, 目標(biāo)回波與副本做匹配濾波后, 隨著信噪比的提高, 信號(hào)通信誤碼率降低, 目標(biāo)分辨概率隨之提高。

因此, 如何獲取準(zhǔn)確波形, 降低誤碼率對(duì)探測(cè)性能的影響值得研究。將通信幀中攜帶信息的不確定部分進(jìn)行分塊校驗(yàn), 校驗(yàn)正確則加入到檢測(cè)副本中, 否則相應(yīng)位置的檢測(cè)副本置零, 排除解調(diào)錯(cuò)誤的波形給檢測(cè)帶來的負(fù)面影響。分塊校驗(yàn)的關(guān)鍵是分塊長(zhǎng)度的確定, 分塊太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致可用的塊太少, 分塊太短則需要引入太多的校驗(yàn)信息、降低了通信有效數(shù)據(jù)率, 且不同誤碼率情況下的最佳分塊長(zhǎng)度也不同。以正交相移鍵控調(diào)制(quadrature phase shift keying, QPSK), 編碼數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)1 000 bit為例, 考慮每塊加入4 bit校驗(yàn)和, 表4為不同誤碼率和分塊長(zhǎng)度時(shí)的可用分塊比例。

表4 不同誤碼率和分塊長(zhǎng)度時(shí)的可用分塊比例

利用解調(diào)以及校驗(yàn)等方式, 根據(jù)回波信號(hào)準(zhǔn)確重建發(fā)射端發(fā)射信號(hào), 是解決目標(biāo)回波不確定性的一種有效方式。

5 結(jié)束語

水下探測(cè)通信一體化系統(tǒng)同時(shí)具備水聲通信與水下目標(biāo)主動(dòng)探測(cè)功能, 是水下技術(shù)向集成化發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。文中參考雷達(dá)通信一體化技術(shù), 根據(jù)水下探測(cè)和通信的特點(diǎn), 提出了全共享體制下基于通信信號(hào)的水下探測(cè)通信一體化技術(shù)。分析傳統(tǒng)水聲通信調(diào)制方式的探測(cè)與通信性能, 為共享信號(hào)選取合適的通信調(diào)制方式。針對(duì)單基地工作模式, 提出多級(jí)自干擾抑制方法對(duì)發(fā)射泄漏信號(hào)進(jìn)行抑制、以及利用通信信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)的方位估計(jì)與檢測(cè)方法。針對(duì)雙基地工作模式, 利用空域矩陣濾波進(jìn)行直達(dá)波的消除, 同時(shí)利用直達(dá)波獲取的發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波, 提高目標(biāo)參數(shù)估計(jì)與檢測(cè)性能。文中是對(duì)水下探測(cè)通信一體化技術(shù)初步探討, 后續(xù)還需有更深入的研究。

[1] 李廷軍, 任建存, 趙元立, 等. 雷達(dá)—通信一體化研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2001, 23(2): 1-2.Li Ting-jun, Ren Jian-cun, Zhao Yuan-li, et al. Research of Radar-Communication Integration[J]. Modern Radar, 2001, 23(2): 1-2.

[2] Mealey R M. A Method for Calculating Error Probabilities in a Radar Communication System[J]. IEEE Transactions on Space Electronics & Telemetry, 1963, 9(2): 37-42.

[3] Fiden W H, Czubiak D W. Radar-compatible Data Link System: US 7298313 B1[P]. 2007.

[4] Coleman J O. Architecture for a Demonstration Radar co- mmunication Link[R]. Naval Research Lab Report, 1984.

[5] Hughes P K, Choe J Y. Overview of Advanced Multifunction RF System(AMRFS)[C]//IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology, 2000. Dana Point, CA, USA: IEEE, 2000: 21-24.

[6] Antonik P, Bonneau R, Brown R, et al. Bistatic Radar Denial/Embedded Communications Via Waveform Diversity[C]// Radar Conference, 2001. Proceedings of the Atlanta, GA, USA: IEEE, 2001: 41-45.

[7] Cantrell B H, Coleman J O, Trunk G V. Radar Communications[R]. Naval Research Lab Report, 1981: 1-15.

[8] Roberton M, Brown E R. Integrated Radar and Communications Based on Chirped Spread-spectrum Techniques[C]// IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Philadelphia, PA, USA: IEEE, 2003: 611-614.

[9] Lu L I, LI G J, Li C Q. A Communication System Based on Active Phased-array Radar[J]. Journal of China Acade- my of Electronics & Information Technology, 2008, 2: 131-135.

[10] Barrenechea P, Elferink F, Janssen J. FMCW Radar with Bro- adband Communication Capability[C]//Radar Conference, 2007. Boston, MA, USA: IEEE, 2007: 130-133.

[11] Hassanien A, Himed B, Rigling B D. A Dual-function MIMO Radar-communications System Using Frequency-hopping Waveforms[C]//Radar Conference. Seattle, WA, USA: IEEE,2017: 1721-1725.

[12] 李曉柏, 楊瑞娟, 程偉. 基于Chirp信號(hào)的雷達(dá)通信一體化研究[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2012, 10(2): 180-186.Li Xiao-bai, Yang Rui-juan, Cheng Wei. Integrated Radar and Communication Based on Chirp[J]. Radar Science and Technology, 2012, 10(2): 180-186.

[13] Liu Y, Liao G, Xu J, et al. Adaptive OFDM Integrated Radar and Communications Waveform Design Based on Information Theory[J]. IEEE Communications Letters, 2017, 21(10): 2174-2177.

[14] Sturm C, Wiesbeck W. Waveform Design and Signal Processing Aspects for Fusion of Wireless Communications and Radar Sensing[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(7): 1236-1259.

[15] 劉少華, 黃志星. 基于擴(kuò)頻的雷達(dá)通信一體化信號(hào)的設(shè)計(jì)[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2014(1): 69-75.Liu Shao-hua, Huang Zhi-xing. Design of Intergrate Radar-Communication Signal Based on Spread Spectrum[J]. Radar Science and Technology, 2014(1): 69-75.

[16] Mueller K. A New Digital Echo Canceler for Two-Wire Full-Duplex Data Transmission[J]. Communications IEEE Transactions on, 1976, 24(9): 956-962.

[17] Chen H, Hou C, Liu W, et al. Efficient Two-Dimensional Direction-of-Arrival Estimation for a Mixture of Circular and Noncircular Sources[J]. IEEE Sensors Journal, 2016, 16(8): 2527-2536.

Analysis on the Key Technology of Integrated Underwater Detection and Communication

LU Jun, ZHANG Qun-fei, SHI Wen-tao

(Northwestern Polytechnical University, College of Marine Engineering, Xi’an 710072, China)

The integrated technology combined with underwater acoustic communication and underwater detection possesses the advantages of reducing platform volume and power consumption, and enhancing concealment. However, the development of this technology is restricted by the physical characteristics, acoustic characteristics and underwater acoustic environment of a sonar. In this paper, an integrated detection and communication technology based on communication signals under the sharing system is researched by means of the existing radar communication integration technology, underwater acoustic communication and detection technology. The detection and communication performances of the commonly used underwater acoustic communication modulation mode are analyzed, and the modulation modes suitable for underwater shared waveforms are selected. Aiming at the single base operation mode, a multi-level self-interference cancellation method and a method for estimating and detecting target based on the characteristics of communication signal are proposed, and a emiting leakage analog canceller is designed. Aiming at the bistatic operation mode, a spatial matrix filter is used to eliminate the direct waves, the relationship among signal-to-noise ratio(SNR), bit error rate(BER) and detection performance are analyzed, and the transmitted signal and echo wave which are obtained by direct wave are matched for filtering, so the performance of target parameter estimation and detection is improved..

underwater detection; underwater acoustic communication; integration; single base sonar; bistatic sonar

TJ630.34;TN911.7

A

2096-3920(2018)05-0470-10

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.015

2018-7-30;

2018-9-12.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1400203), 國(guó)家自然科學(xué)基金(61531015).

盧 俊(1989-), 男, 在讀博士,主要研究方向?yàn)樗滦盘?hào)處理技術(shù).

盧俊, 張群飛, 史文濤. 水下探測(cè)通信一體化關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(5): 470-479.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)