蛙人探測聲吶兩種常用信號(hào)的分析與應(yīng)用

郭小俊

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化事業(yè)部，上海 200135)

0 引 言

隨著世界安全局勢日益復(fù)雜，水域沖突正朝著多元化的方向發(fā)展，逐漸由水上滲透至水下。蛙人、蛙人運(yùn)載器和水下機(jī)器人等小型化水下武器裝備的崛起對(duì)相關(guān)設(shè)備和人員的安全造成了巨大威脅。目前，各國為對(duì)此類小目標(biāo)進(jìn)行檢測,發(fā)展出多種蛙人探測聲吶(Diver Detection Sonar，DDS),用于對(duì)港口等水域進(jìn)行安全防御。DDS用于水下安保重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)包括作用距離、目標(biāo)分辨能力和定位精度等，設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于目標(biāo)對(duì)象的低速度、低回波強(qiáng)度(TS=-25～-15 dB)和混響噪聲的干擾。

DDS發(fā)射信號(hào)類型和參數(shù)的選擇對(duì)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，直接決定著目標(biāo)的距離分辨力、速度分辨力、抗干擾能力和抗混響能力，同時(shí)與回波的處理息息相關(guān)。當(dāng)前，DDS使用最多的2種信號(hào)是矩形脈沖(Continuous Wareform,CW)信號(hào)和線性調(diào)頻脈沖(Linear Frequency Modulated,LFM)信號(hào)。本文利用模糊函數(shù)對(duì)這2種信號(hào)的分辨力和抗干擾能力進(jìn)行分析，并簡要闡釋其在系統(tǒng)中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上展望DDS的信號(hào)形式的發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外DDS的信號(hào)形式

表1為國外主流蛙人探測聲吶的主要技術(shù)參數(shù)，在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)時(shí)調(diào)查和更新。從表1中可看出，DDS的聲波頻段為60～100 kHz，帶寬為3～20 kHz，多采用窄帶CW和寬帶LFM雙信號(hào)體制。

表1 國外主流蛙人探測聲吶的主要技術(shù)參數(shù)

2 2種信號(hào)的分辨力和抗混響能力

2.1 模糊函數(shù)

聲吶分辨力是指在多目標(biāo)環(huán)境下對(duì)相鄰2個(gè)目標(biāo)的最小可分辨能力，一般按照目標(biāo)的方位、距離、速度和加速度等參數(shù)來分辨，其中距離分辨力和速度分辨力僅取決于信號(hào)的形式及其參數(shù)。在采用匹配濾波的條件下，模糊函數(shù)是與目標(biāo)距離和速度有關(guān)的信號(hào)回波通過匹配濾波器之后的輸出[2]，可用來衡量信號(hào)對(duì)具有不同距離和不同速度的2個(gè)目標(biāo)的分辨能力。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)靜止時(shí)，回波信號(hào)僅體現(xiàn)出時(shí)間延遲和衰減;當(dāng)目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回波信號(hào)還會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移和時(shí)間上的壓縮或展寬。

1) 窄帶信號(hào)僅考慮頻移，其模糊函數(shù)表示為

(1)

式(1):s(t)為信號(hào)包絡(luò)；τ和ξ分別為目標(biāo)的時(shí)間延遲和多普勒頻移；|χ(τ,0)|和|χ(0,ξ)|分別為距離模糊函數(shù)和速度模糊函數(shù)，各自的主瓣寬度分別對(duì)應(yīng)距離分辨力和速度分辨力；|χ(τ,ξ)|隨著τ和ξ的增加而下降的越迅速，2個(gè)目標(biāo)就越容易分辨，模糊度就越小。

2) 寬帶信號(hào)的模糊函數(shù)[3]定義為

(2)

式(2)中:η=(c+v)/(c-v)為尺度因子,c為水中聲速，v為目標(biāo)相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)速度。這里寬帶和窄帶僅是相對(duì)的概念，并沒有一個(gè)嚴(yán)格的定義。一般認(rèn)為窄帶滿足:相對(duì)帶寬B/f0≤0.1,B為信號(hào)頻帶寬度，f0為信號(hào)的中心頻率;時(shí)寬帶寬積TB≤c/2v,T為信號(hào)脈寬。

2.2 CW信號(hào)及其模糊函數(shù)

CW信號(hào)可視為加矩形窗的單頻載波信號(hào)，當(dāng)窗寬為T時(shí)，其復(fù)包絡(luò)可表示為

(3)

將式(3)代入式(1)，得到CW信號(hào)的模糊函數(shù)表達(dá)式為

(4)

從式(4)中可看出,距離模糊函數(shù)表現(xiàn)為三角形，速度模糊函數(shù)表現(xiàn)為sinc函數(shù)形狀。

2.3 LFM信號(hào)及其模糊函數(shù)

矩形脈沖LFM信號(hào)的復(fù)包絡(luò)信號(hào)可表示為

(5)

將式(5)代入式(1)即可得到LFM信號(hào)的窄帶模糊函數(shù)表達(dá)式為

(6)

式(6)中:μ=B/T為頻率變化率。當(dāng)TB?1時(shí)，信號(hào)能量主要集中在[-B/2，+B/2]，TB越大，其振幅譜越接近于矩形，可近似表示為

(7)

對(duì)于窄帶LFM信號(hào)，時(shí)延分辨常數(shù)Aτ=1/B，多普勒分辨常數(shù)Aξ=1/T。在寬帶模型下，LFM信號(hào)的Aτ=1/ηB，當(dāng)v?c時(shí)，η=1，Aτ=1/B，與窄帶情況一致[4]。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]都對(duì)寬帶LFM信號(hào)的速度分辨力進(jìn)行了分析，其速度分辨力不僅與脈寬T有關(guān)，而且與帶寬和載頻有關(guān)，在相對(duì)帶寬<0.25時(shí)，LFM信號(hào)基于窄帶模型和寬帶模型的速度分辨力之間的誤差可忽略[6]。

2.4 2種信號(hào)的分辨力

基于2種信號(hào)的模糊函數(shù)表達(dá)式，通過MATLAB仿真出2種信號(hào)的模糊函數(shù)圖(見圖1和圖2)，仿真條件為：載頻f0=80 kHz;CW信號(hào)脈寬為0.2 ms;LFM信號(hào)脈寬為10 ms;帶寬為4 kHz。

a) 模糊函數(shù)圖

b) 距離模糊函數(shù)

c) 速度模糊函數(shù)

a) 模糊函數(shù)圖

b) 距離模糊函數(shù)

c) 速度模糊函數(shù)

從圖1中可看出，CW 信號(hào)模糊函數(shù)圖與時(shí)間軸重和，距離分辨力與脈寬成反比，速度分辨力與脈寬成正比，良好的速度分辨力和距離分辨力不可兼得。從圖2中可看出,LFM信號(hào)模糊函數(shù)圖不與坐標(biāo)軸重疊，單獨(dú)改變脈寬和帶寬均可獲得良好的距離分辨力和速度分辨力，但當(dāng)距離和速度均不可知時(shí)，存在時(shí)延-頻移之間的耦合，測量誤差較大。2種信號(hào)在當(dāng)前參數(shù)下的理論分辨特性見表2。

表2 2種信號(hào)的理論分辨特性

2.5 2種信號(hào)的抗混響能力

混響是海水介質(zhì)中和界面上大量不均勻散射體的聲散射在接收點(diǎn)的疊加。與其他類型的噪聲不同，混響是由發(fā)射信號(hào)引起的，其頻譜與發(fā)射信號(hào)幾乎相同，單獨(dú)增加發(fā)射信號(hào)能量，混響也隨之增大，目標(biāo)檢測能力并未提高。在混響背景下，匹配濾波器的檢測指數(shù)[7-8]為

(7)

式(7)中:Et為發(fā)射信號(hào)的能量;Er為接收信號(hào)的能量;?hh(τ,ξ)為混響信道散射函數(shù);χ(τ,ξ)為信號(hào)模糊函數(shù)。從式(7)中可看出，信號(hào)模糊函數(shù)與混響散射函數(shù)重疊面積的減小使目標(biāo)檢測性能得以提高。

散射體通常是相對(duì)靜止的，混響干擾在模糊度圖中表現(xiàn)為一個(gè)圍繞ξ=0的干擾帶。圖3給出2種信號(hào)的模糊度函數(shù)與混響散射函數(shù)的重疊情況[9]。從圖3中可看出:長脈沖CW信號(hào)具有很強(qiáng)的多普勒敏感，在目標(biāo)回波多普勒較高的情況下可從頻域上避開混響，但在低多普勒情況下信號(hào)幾乎被混響限制區(qū)淹沒，適合高速目標(biāo)檢測;LFM信號(hào)因?yàn)槟芰烤鶆蚍植荚谡麄€(gè)帶寬上，可有效降低混響譜級(jí)，具有較強(qiáng)的混響抑制能力，多普勒容限大，適合低速目標(biāo);短脈沖CW信號(hào)的多普勒容限大，受混響干擾的影響小，適合對(duì)低速近距離目標(biāo)進(jìn)行檢測。

a) 目標(biāo)靜止

圖3混響與信號(hào)模糊度圖分布情況

3 2種信號(hào)在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)上述分析:LFM信號(hào)的大脈寬能提高速度分辨力和平均發(fā)射功率，增加聲吶的作用距離;其大的帶寬能提高時(shí)間分辨力和接收處理增益，利于提升目標(biāo)檢測的可靠性。然而，脈寬影響探測盲區(qū)，且與系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算量成正比，尤其是在短量程下，較短的發(fā)射周期和平均發(fā)射功率會(huì)增加系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和電源單元的負(fù)擔(dān)，因此系統(tǒng)也采用短脈沖CW信號(hào)。CW信號(hào)有較高的測距精度，在同一量程下的脈沖重復(fù)頻率高于LFM信號(hào)，能更好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤探測。

圖4 信號(hào)實(shí)現(xiàn)流程

CW信號(hào)頻點(diǎn)單一，發(fā)射和接收處理相對(duì)簡單。LFM信號(hào)工作時(shí)，作為發(fā)射機(jī)負(fù)載的水聲換能器阻抗在工作頻帶內(nèi)起伏很大，阻抗失配問題嚴(yán)重。圖4為信號(hào)實(shí)現(xiàn)流程,其中匹配電路的用途是使發(fā)射機(jī)負(fù)載的阻抗起伏變小，實(shí)現(xiàn)換能器與功率放大器寬頻帶內(nèi)的阻抗匹配，達(dá)到功率放大器最大功率傳輸增益，實(shí)現(xiàn)寬帶LFM信號(hào)的發(fā)射。目前，采用寬帶信號(hào)體制的蛙人探測聲吶已研制成功并投入使用，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文利用模糊函數(shù)對(duì)CW 信號(hào)和LFM信號(hào)的分辨力及抗干擾能力進(jìn)行分析，并對(duì)其在DDS中的應(yīng)用進(jìn)行說明。大時(shí)寬帶寬積的寬帶信號(hào)能同時(shí)提高距離分辨力和速度分辨力，可有效提高發(fā)射能量和混響抑制能力。隨著換能器新材料的采用和處理工藝的改進(jìn)，寬帶換能器得到很大發(fā)展。DDS的寬帶信號(hào)也會(huì)朝著更大帶寬、更大脈寬的方向發(fā)展，信號(hào)體制會(huì)更加多樣化，采用更接近理想模糊函數(shù)圖的信號(hào)體制(如雙曲線調(diào)頻等)。