吳 瑋，王海燕，程 剛，周 倩，張穎峰

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

0 引言

對于水下彈箭的探測制導(dǎo)，由于海洋工作環(huán)境非常復(fù)雜，混響作為主動工作方式下特有的背景干擾，一直是水聲信號處理的難題，它大大限制了水下近程目標(biāo)探測系統(tǒng)的作用距離和參數(shù)估計性能。因此，如何利用背景干擾的特點(diǎn)，尋找簡單有效的目標(biāo)探測方法一直以來都是研究的熱點(diǎn)［1－2］。目前，國內(nèi)外研究多關(guān)注于混響的抑制方法，如特征濾波、白化濾波、奇異值分解等［3］，這些算法大多運(yùn)算復(fù)雜或?qū)ο闰?yàn)信息要求苛刻，實(shí)時處理性不高，難以很好地應(yīng)用于工程實(shí)踐。

對于這一問題，文中針對小型近程目標(biāo)探測系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時性好、易于工程實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，結(jié)合回波識別與方位估計技術(shù)，設(shè)計了一種混響背景下水中目標(biāo)探測制導(dǎo)方法。此方法可使水中目標(biāo)探測裝置準(zhǔn)確的探測到目標(biāo)并估計出目標(biāo)方位信息，在探測制導(dǎo)過程中，由得到的目標(biāo)方位信息調(diào)整航行姿態(tài)，從而更精確有效的打擊水中目標(biāo)。

1 水中目標(biāo)探測系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)原理概述

水中目標(biāo)探測系統(tǒng)在沒有發(fā)射探測信號前首先采集海洋背景作為其檢測門限，系統(tǒng)的接收裝置經(jīng)接收換能器接收到干擾和目標(biāo)回波信號，并進(jìn)行濾波和A／D采樣將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因發(fā)射后立即接收將會受到很強(qiáng)的干擾影響，所以系統(tǒng)延遲一定時間再進(jìn)行回波信號的接收。對于接收到的回波信號，根據(jù)其信混比采用恒虛警浮動門限法進(jìn)行判決。當(dāng)判決有回波信號時，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行參數(shù)估計。其原理框圖如圖1所示。

圖1 水中目標(biāo)探測系統(tǒng)原理框圖

1.2 系統(tǒng)背景干擾分析及參數(shù)估算

水中目標(biāo)干擾背景主要包括海洋噪聲、混響色噪聲以及探測裝置的本機(jī)噪聲等。由于文中所研究的目標(biāo)探測系統(tǒng)采用主動探測方法。主動探測的背景干擾包括了海洋噪聲和混響色噪聲。一般來講，這兩種干擾總是同時存在。所以，在系統(tǒng)設(shè)計時首先要分析干擾背景并進(jìn)行參數(shù)估算，這樣才能更有效的利用先驗(yàn)信息進(jìn)行探測。下面結(jié)合具體的探測系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)估算，并給出回聲級、混響掩蔽級和噪聲掩蔽級變化曲線。

由主動聲納方程可知，信號回聲級為：

體積混響等效平面波混響級為：

海底混響等效平面波混響級為：

式中：SL為輻射聲源級；TS為目標(biāo)強(qiáng)度，TL為傳播損失；c為聲速，τ為脈沖寬度，ψ為等效合成束寬，Sv為體積散射強(qiáng)度，Sb為體積散射強(qiáng)度，r為傳播距離。

圖2為深海平均自然噪聲譜可知在不同海況下的噪聲譜級。

圖2 深海平均自然噪聲譜

若系統(tǒng)輻射聲源級SL＝185dB，當(dāng)6級海況時NL＝55dB。目標(biāo)反射強(qiáng)度TS＝15dB，體積散射強(qiáng)度Sv＝－85dB，海底散射強(qiáng)度Sb＝－23dB，體積混響等效合成束寬ψ＝7.51rad，海底混響等效合成束寬φ＝1.93rad，脈沖寬度τ＝10ms，由上述相關(guān)參數(shù)可計算出回聲級、混響級、噪聲級與傳播距離的關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，對于近程主動聲納探測制導(dǎo)系統(tǒng)，主要背景干擾為與發(fā)射信號同頻同帶的強(qiáng)混響色噪聲。

1.3 混響背景模型的建立

圖3 回聲級、混響級及噪聲級與距離的關(guān)系

為了準(zhǔn)確檢測信號，首先要對混響背景進(jìn)行建模?；祉懯谴嬖谟诤Ｑ笾写罅坎痪鶆蛐晕镔|(zhì)對聲波散射所形成的，作為大量這種散射波疊加總和的混響是一個非平穩(wěn)隨機(jī)過程。

在文獻(xiàn)［1］關(guān)于混響成因的討論中已經(jīng)指出，混響的瞬時值服從高斯分布、包絡(luò)服從瑞利分布。由此，可以用高斯白噪聲通過窄帶濾波器再乘以相應(yīng)的混響包絡(luò)曲線產(chǎn)生窄帶噪聲來建立混響模型［4］。

圖4 混響仿真信號

圖4所示為仿真的混響信號。由圖4可看出混響會隨時間衰減，所以在文中研究的小型探測制導(dǎo)系統(tǒng)中，由于受到硬件條件以及實(shí)時處理的限制，采用延遲一定時間再進(jìn)行回波信號接收這種簡單的抗混響方法，可對混響進(jìn)行初步抑制，且易于硬件實(shí)現(xiàn)。

圖5 混響背景下目標(biāo)回波仿真信號

圖5所示為當(dāng)發(fā)射信號頻率為10kHz、脈寬為10ms的CW脈沖時，背景干擾利用前述方法所建立的混響背景模型，經(jīng)仿真得到的混響背景下的目標(biāo)回波信號。

2 目標(biāo)探測與回波識別

由于復(fù)雜的混響抑制方法不能很好地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)簡單且實(shí)時性處理要求高的探測制導(dǎo)系統(tǒng)，所以在對混響初步抑制的基礎(chǔ)上，主要利用回波識別和方位估計相結(jié)合的目標(biāo)探測方法來排除這些干擾對目標(biāo)探測性能的影響，準(zhǔn)確探測并打擊目標(biāo)。

由前述分析可知，海洋混響是瞬時值服從高斯分布，包絡(luò)服從瑞利分布的非平穩(wěn)隨機(jī)過程。振幅分布的概率密度函數(shù)為：

式中，VT為檢測門限?？梢姡摼怕蕦㈦S背景干擾的功率而變化。如果保持一定的虛警概率PF，檢測門限VT可表示為［4］：

由于檢測門限VT隨背景干擾功率σ2E而變化，所以可以根據(jù)背景干擾電平的變化自動調(diào)整檢測門限VT，使其始終保持在最佳檢測門限電平上，從而實(shí)現(xiàn)恒虛警檢測。

在文中所設(shè)計的探測方法中，采用了一種浮動門限自適應(yīng)修正方法。當(dāng)開始對信號進(jìn)行檢測時，取一段加了噪聲干擾的信號并計算其均值，將其與浮動門限進(jìn)行比較，根據(jù)浮動門限電平進(jìn)行判決檢測。如果沒有超過門限，則認(rèn)為信號不存在，并繼續(xù)對浮動門限進(jìn)行修正，使其保持為恒虛警檢測的最佳門限。其流程如圖6所示。

圖6 單門限恒虛警檢測仿真流程圖

理論推導(dǎo)的浮動門限自適應(yīng)修正方法為：

式中：P為調(diào)整門限浮動大小的參數(shù)，ˉC是每次所截取數(shù)據(jù)的均值。浮動門限變化如圖7所示。由圖7可見，所研究的浮動門限自適應(yīng)修正方法能使檢測門限很好的跟隨目標(biāo)回波信號的變化趨勢。

圖7 浮動門限示意圖

3 制導(dǎo)方位估計

在確認(rèn)檢測到回波信號后，可根據(jù)得到的信息進(jìn)一步進(jìn)行方位估計，確定水下目標(biāo)的具體方位角、俯仰角，然后對系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)。方位估計方法很多，主要有4種估計方法：互譜估計法、基于自適應(yīng)的時延估計法、基于最大似然的時延估計法、基于相關(guān)分析的時延估計法等［5］。文中結(jié)合所研究的探測系統(tǒng)，對工程易于實(shí)現(xiàn)且常用的自適應(yīng)時延估計法作以分析和研究。

圖8 自適應(yīng)Notch濾波器

圖8為自適應(yīng)Notch濾波器原理圖。濾波器輸入為時間序列d（k）＝s（k）＋n（k），k＝ 0，1，2，…，L－1為時間序號。其中s（k）＝Acos（w0k＋φ）為單頻信號，A為信號幅度；φ為初相位，兩者均為常量。n（k）為寬帶噪聲，xc（k）和xs（k）為兩路正交參考輸入，wc（k）和ws（k）為權(quán)值輸出，ε（k）為殘差輸出，y（k）為信號輸出。

自適應(yīng)采用LMS算法，由文獻(xiàn)［4］可知，當(dāng)自適應(yīng)過程收斂時：

得到相位值：

因?yàn)閺妮斎氲綑?quán)值輸出對應(yīng)的系統(tǒng)是非線性的，并且目標(biāo)的定向需要的是相位差信息，所以構(gòu)造了濾波器的另一路輸出信號，即由兩個自適應(yīng)Notch濾波器聯(lián)合估計，構(gòu)成自適應(yīng)Notch濾波器相位差時延估計器，當(dāng)其達(dá)到穩(wěn)態(tài)時：

4 仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果

4.1 目標(biāo)探測方法運(yùn)算量分析

由式（6）、式（7）可知，在回波識別時，對實(shí)時采集到的一段長度為N的數(shù)據(jù)需做N＋2次加減、4次乘除。由式（8）～式（10）可知，在方位估計時，自適應(yīng)法一次迭代所需的運(yùn)算量為10次加減、17次乘除。而經(jīng)典的互譜法則需做兩次FFT，對于N點(diǎn)的FFT共需做4Nlog2N＋3次乘法，6Nlog2N次加法。用文中所述方法處理一段長度為N的數(shù)據(jù)，最少僅需21次乘除，N＋12次加減。圖9、圖10比較了文中所提檢測方法與經(jīng)典互譜法所需的運(yùn)算量。從圖可見，隨著N的增大，文中所述方法運(yùn)算量明顯小于經(jīng)典互譜法。由此可見，對于小型探測系統(tǒng)來說，相比于涉及到復(fù)雜計算的系統(tǒng)，文中設(shè)計的方法運(yùn)算量很小，對實(shí)時采集的數(shù)據(jù)，在短時間內(nèi)即能完成目標(biāo)回波檢測與方位估計運(yùn)算，達(dá)到實(shí)時處理的目的。

圖9 兩種方法加法次數(shù)的比較

圖10 兩種方法乘法次數(shù)的比較

4.2 回波探測識別仿真檢測結(jié)果

利用已建立混響模型，在不同信混比下經(jīng)大量仿真，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 不同信混比下的檢測概率和虛警概率

4.3 制導(dǎo)方位估計仿真結(jié)果

不同信混比下，制導(dǎo)方位估計的正確檢測百分比結(jié)果如表2所示。

表2 不同信混比下估計誤差小于6°的正確檢測百分比結(jié)果

4.4 湖試試驗(yàn)結(jié)果

近期已對所研究的水中目標(biāo)探測系統(tǒng)進(jìn)行了湖試，結(jié)果表明系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求，對水下目標(biāo)檢測概率達(dá)96.83%，方位估計誤差小于6°時正確檢測百分比大于95%，能很好的檢測到水下目標(biāo)。

5 結(jié)論

文中對水中目標(biāo)探測方法進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)分析，針對探測系統(tǒng)背景干擾為強(qiáng)混響的特點(diǎn)，設(shè)計了有效的目標(biāo)回波識別及制導(dǎo)方位估計方法。仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，文中所研究的方法切實(shí)可行，運(yùn)算量小易于硬件實(shí)時處理與實(shí)現(xiàn)。且能簡單有效的探測到水中目標(biāo)并準(zhǔn)確的估計其方位。可為探測制導(dǎo)裝置提供準(zhǔn)確目標(biāo)信息打擊目標(biāo)。

［1］Robert J Urick.Principles of underwater sound［M］.MC.Craw－Hill.Inc，1983.

［2］G Ginolhac，G Jourdain.Detection in presence of reverberation［C］／／Oceans’00，Providence，RI，2000.

［3］許江湖，張明敏.主動聲納的混響抑制方法［C］／／中國造船工程學(xué)會電子技術(shù)學(xué)術(shù)年會文集，2006：476－478.

［4］王新曉，張群飛，黃建國.海洋混響仿真技術(shù)［J］.聲學(xué)與電子工程，2002（3）：27－30.

［4］郭愛芳，侯民勝，郭廷鎧.噪聲恒虛警處理電路的計算機(jī)仿真［J］.電子工程師，2007，33（7）：4－6.

［5］邱天爽，魏東興，唐洪，等.通信中的自適應(yīng)信號處理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［6］劉朝暉，付戰(zhàn)平，王明洲.基于方位走向法和互譜法的水中目標(biāo)識別［J］.兵工學(xué)報，2006，27（5）：932－935.