一種擴頻水聲信號抗多普勒方法?

李 帥

（91388部隊41分隊 湛江 524022）

1 引言

適用于水聲對抗研練的低截獲信號一般具有寬帶寬、長時寬、低聲源級的特點，是一種大時間帶寬信號［1～3］；在實際應(yīng)用中，由于大時間帶寬信號運算量大，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍有限。近年來，處理器速度的進步使在輕便式運算平臺上進行大規(guī)模運算成為可能。擴頻信號具有較好的低截獲性和檢測能力［4］，能在有效提高測量范圍的同時增強合作目標(biāo)的隱蔽性，是一種相對理想的低截獲信號；不足之處是其抗多普勒能力較弱。因而，研究增強擴頻信號抗多普勒能力方法，充分發(fā)揮其低截獲性和高檢測能力在水聲對抗研練等領(lǐng)域的優(yōu)勢，具有重大的現(xiàn)實意義與作戰(zhàn)意義。

2 方法分析與設(shè)計

收發(fā)平臺的相對運動會導(dǎo)致明顯的水聲信道多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)會引起接收信號頻率的偏移，雖然相關(guān)器是最大輸出信噪比準(zhǔn)則下的最優(yōu)估計器，但是相關(guān)對兩個信號的頻率失配是敏感的，目標(biāo)運動的多普勒效應(yīng)會引起較強的相關(guān)損失。兩路接收信號之間有多普勒系數(shù)差，對其中一路在時域上進行壓縮（或拉伸），當(dāng)剛好補償多普勒系數(shù)差時，相關(guān)峰能量達到最大值［5～9］。

多普勒效應(yīng)對信號相關(guān)運算產(chǎn)生影響，積分時間超過多普勒容限將導(dǎo)致相關(guān)損失。下面分析多普勒效應(yīng)對拷貝相關(guān)的影響。

以Gold 碼為例，由于Gold 碼是一個偽隨機碼，其相關(guān)特性與白噪聲類似，根據(jù)信號的時間相關(guān)半徑為信號相關(guān)載頻的1/4 波長，給出信號相關(guān)處理的多普勒容限不等式［10～11］:

v為目標(biāo)速度，c為聲速，f0為信號中心頻率，Ts為積分時間。

利用公式可以確定多普勒容限或多普勒適配通道數(shù)目。以f0=5kHz 情況為例，取c=1500m/s且最大相對運動速度v=±10kn，由式（4）計算相關(guān)積分時間的多普勒容限為Ts≤15ms。如果實際系統(tǒng)規(guī)定Ts=200ms，與容限的比值約為N≈13，那么至少需要設(shè)置N-2=11 個多普勒適配通道。當(dāng)目標(biāo)徑向運動速度在±10kn 范圍內(nèi)變化時，總會有某一通道滿足多普勒適配條件，而其它通道或多或少造成失配損失。

信號多普勒效應(yīng)的仿真模擬與測試，主要基于頻域表述。當(dāng)以數(shù)字化采樣頻率fs構(gòu)造原始輻射信號后，再以頻率f′s進行采樣，即可變換成多普勒信號，用數(shù)學(xué)公式表述為［12］

該式作為信號多普勒仿真模擬方法的基本依據(jù)。

圖1 多普勒效應(yīng)對相關(guān)性的影響

多普勒補償問題本質(zhì)上是變采樣的問題。對多普勒因子的估計問題，可以通過發(fā)送已知的信號，通過測量信號某個觀測量的改變來進行，在時域上測量信號的壓縮或拉伸率，在頻域上測量頻偏。

圖2 多個相關(guān)器的多普勒估計

實際中，我們只需要在可能的多普勒頻移范圍內(nèi)尋找，這個范圍是由最大相對速度和聲速決定的，這種尋找方式如圖2 所示，采用多個相關(guān)器（用不同的多普勒頻移信號）對輸入信號進行相關(guān)處理，用具有最大相關(guān)峰值的相關(guān)器來估計多普勒頻移。顯然此方法運算量太大，對處理器的速度要求較高。

3 方法仿真與驗證

在調(diào)試聲信號源時，采集到的數(shù)據(jù)與拷貝信號之間存在一定的頻差，從而也造成了類似的多普勒效應(yīng)，使得采集的數(shù)據(jù)與拷貝信號數(shù)據(jù)的相關(guān)性下降很厲害。圖3給出沒有經(jīng)過多普勒補償?shù)臄U頻信號、線性調(diào)頻信號和帶限白噪聲信號直接與相應(yīng)的拷貝信號做相關(guān)的結(jié)果。從仿真結(jié)果上看，線性調(diào)頻信號的抗多普勒能力較強，相關(guān)峰值比較明顯，而擴頻信號和帶限白噪聲由于其多普勒容限較低，受多普勒的影響較大，已經(jīng)無法形成明顯的相關(guān)峰。

圖3 采集數(shù)據(jù)直接與原始信號相關(guān)的結(jié)果

圖4 給出了將采集數(shù)據(jù)與多通道多普勒的擴頻信號分別做相關(guān)，然后取出各通道的相關(guān)峰做比較，選取相關(guān)峰最大的相關(guān)結(jié)果作為最終的相關(guān)輸出，從圖中可以看出相關(guān)峰值明顯，具有較高的增益。

圖4 多普勒補償結(jié)果

圖5 為海上實時測量過程中的截圖。信號的實時監(jiān)測中，聲源以183dB 源級發(fā)射，經(jīng)多通道多普勒匹配補償后水聽器接收信號情況較為穩(wěn)定、連續(xù)。

圖5 單水聽器檢測信號截圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計的多相關(guān)器多普勒補償方法能有效彌補多普勒效應(yīng)引起的相關(guān)損失，為擴頻信號等大時間帶寬低截獲信號在水聲對抗研練等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，具有較大的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景。考慮到用于遠程檢測的低截獲信號多屬于大時間帶寬信號，其多普勒容限較小，在進行信號檢測時需要劃分更多的多普勒通道；因此，采用低截獲信號作為信標(biāo)的水下目標(biāo)，其航速不能過快，在多普勒通道設(shè)計和實際信標(biāo)平臺航速設(shè)計方面要統(tǒng)籌考慮。