于 平 吳 波 謝 勝

（91388部隊(duì)水聲對(duì)抗技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湛江 524022）

1 引言

水聲定位系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)測(cè)量目標(biāo)聲源主動(dòng)或被動(dòng)應(yīng)答發(fā)出的聲信號(hào)，傳播到各個(gè)接收陣元的時(shí)延（對(duì)同步系統(tǒng)）或時(shí)延差（對(duì)異步系統(tǒng)），采用球面交匯（對(duì)同步系統(tǒng)）或雙曲面交匯（對(duì)異步系統(tǒng)）來(lái)確定目標(biāo)在發(fā)射信號(hào)時(shí)刻的水平位置［1～2］。

由于多途信道的影響，使得浮標(biāo)或水聲收發(fā)機(jī)接收到的信號(hào)序列除直達(dá)聲外還會(huì)接收到反射聲，同時(shí)還會(huì)有環(huán)境噪聲和通道串漏脈沖，成為脈沖干擾。若把干擾脈沖誤作直達(dá)聲進(jìn)行定位解算，將會(huì)造成定位錯(cuò)誤或誤差。

因此，定位精度的保證依賴(lài)于有效的從帶有脈沖干擾的脈沖序列中挑選出測(cè)距信號(hào)的直達(dá)聲?；诖?，本文從分析脈沖序列結(jié)構(gòu)及各脈沖特征出發(fā)，對(duì)脈沖挑選方法展開(kāi)研究。

2 脈沖結(jié)構(gòu)分析

為了合理的設(shè)計(jì)脈沖挑選軟件，首先來(lái)分析一下各種典型的脈沖結(jié)構(gòu)。

聲信號(hào)源雙脈沖信號(hào)經(jīng)海洋多途信道傳播到達(dá)測(cè)量陣元時(shí)，形成含多途及干擾聲的多個(gè)脈沖序列，圖1是根據(jù)信道仿真結(jié)果結(jié)合實(shí)際工作狀態(tài)給出的各種脈沖序列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 脈沖序列結(jié)構(gòu)示意圖

在大多數(shù)情況下（圖1（1）～（6）），幅度最大的三個(gè)脈沖中均包含直達(dá)聲信息，但在后三種條件下將可能丟失信息。在所有可能的條件下，選五個(gè)幅度最大的脈沖都不會(huì)丟失信息（陰影區(qū)除外）。為保留陰影區(qū)的直達(dá)聲信息，可強(qiáng)制保留每個(gè)脈沖群中的第一個(gè)脈沖（若某脈沖與前一脈沖的時(shí)延差大于200ms即可以認(rèn)為屬于另一脈沖群），另保留的四個(gè)幅度最大的脈沖則除圖1（7）可能丟失一個(gè)測(cè)深脈沖外無(wú)信息損失。由于深度信息冗余量較大，而圖1（7）所示結(jié)構(gòu)（測(cè)距和測(cè)深脈沖各有兩個(gè)以上反射聲大于直達(dá)聲）僅在特定的海況下特定的距離范圍內(nèi)才會(huì)發(fā)生，丟失某個(gè)陣元的一個(gè)測(cè)深脈沖并不影響定位和目標(biāo)深度測(cè)量?！氨Ａ羰酌}沖”的重要意義在于最大限度的減小測(cè)距直達(dá)聲的漏報(bào)。

3 脈沖特征分析

各陣元接收脈沖序列，除真脈沖外，還存在由多途信道產(chǎn)生的反射脈沖、信道串漏脈沖、環(huán)境噪聲。下面通過(guò)南海實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析它們的特征特性。

3.1 反射脈沖

由于信道的影響聲波的能量將逐漸下降，對(duì)于反射脈沖，其到達(dá)時(shí)間較真脈沖晚，因而能量較直達(dá)聲能量小，其他特征與直達(dá)聲脈沖相似。如表1各幀脈沖數(shù)據(jù)，接收時(shí)延較直達(dá)聲脈沖逐漸增大，幅度逐漸減小。

表1 直達(dá)脈沖和反射脈沖特征對(duì)比表

3.2 信道串漏脈沖

信道串漏主要產(chǎn)生于臨近頻率通道，因此，布陣時(shí)應(yīng)盡可能將相鄰頻率陣元分布于盡量遠(yuǎn)的位置。對(duì)于信道串漏脈沖，如表2所示，串漏信道與原信道脈沖的幅度差異較大，時(shí)延幾乎相同，同時(shí)，瞬時(shí)頻率方差比真脈沖大。

表2 信道串漏脈沖特征對(duì)比表

3.3 噪聲脈沖

對(duì)于各種環(huán)境噪聲產(chǎn)生的虛警脈沖，可利用幅度、頻率、脈寬、方差等參數(shù)的大小加以判別：尖脈沖干擾的瞬時(shí)頻率方差應(yīng)比真脈沖大；以目標(biāo)的最高航速估算，接收到的脈沖信號(hào)多普勒應(yīng)在一定范圍內(nèi)；發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后會(huì)出現(xiàn)邊沿并有一定的展寬，因此直達(dá)聲的脈寬不會(huì)過(guò)于小。

表3 噪聲脈沖與真脈沖特征對(duì)比表

如表3第21幀8通道兩個(gè)脈沖數(shù)據(jù)可通過(guò)幅度、方差、頻差判別噪聲脈沖和真脈沖；第24幀5通道數(shù)據(jù)可通過(guò)方差、脈寬判斷；第24幀8通道數(shù)據(jù)可通過(guò)幅度、方差判斷；第25幀5通道數(shù)據(jù)可通過(guò)方差判斷。

有時(shí)噪聲脈沖特征與真脈沖特征相似，判斷參數(shù)較少，此時(shí)可以根據(jù)時(shí)延的連續(xù)性調(diào)整。如第26幀5通道數(shù)據(jù)，不能僅憑方差一項(xiàng)判別噪聲脈沖的，可根據(jù)第24幀5通道幀真脈沖4.17s，判斷本幀真脈沖應(yīng)為4.19s。

4 脈沖挑選方法

根據(jù)以上對(duì)脈沖結(jié)構(gòu)和特征的分析，建立一系列判據(jù)，根據(jù)這些判據(jù)為每一個(gè)有效脈沖評(píng)定品質(zhì)因數(shù)，然后依據(jù)品質(zhì)因數(shù)選出最優(yōu)脈沖參與解算。

設(shè)每個(gè)陣元記錄了最多m個(gè)脈沖的信息傳給計(jì)算機(jī)，設(shè)Qai為直達(dá)脈沖品質(zhì)因數(shù)，記f0為信號(hào)載頻，tki為第k幀收到的第i個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)延值，tk－1表示上個(gè)周期選出的最優(yōu)脈沖，Ti表示脈沖的脈寬，則評(píng)定品質(zhì)因數(shù)的判據(jù)如下：

判據(jù)①：制保留每個(gè)脈沖群中的首脈沖，若某脈沖與前一脈沖的時(shí)延差大于200ms，即可認(rèn)為屬于另一脈沖群。

對(duì)于同一周期，當(dāng)

時(shí)，令Qai＝Qai＋5。

判據(jù)②：由于信道的影響，聲波的能量將逐漸衰減，一般情況下，直達(dá)聲先于反射聲到達(dá)，因而能量較大。

判據(jù)③：信道串漏脈沖和尖脈沖干擾的瞬時(shí)頻率方差較大，增加方差小的脈沖的品種因數(shù)。

當(dāng)Vki＞Vmax時(shí)，令Qai＝0。

判據(jù)④：以最高航速估算，接收到的脈沖信號(hào)多卜勒Δf在一定范圍內(nèi)。當(dāng)｜Δf｜＞3%f0時(shí)，令Qai＝Qai－4。

判據(jù)⑤：直達(dá)聲的脈寬不會(huì)過(guò)于小。

當(dāng)Tki＜Tmin時(shí)，令Qai＝Qai－4。

判據(jù)⑥：比較當(dāng)前脈沖與其它通道所有脈沖的時(shí)延，若其差值接近于0，則幅度小的脈沖的品質(zhì)因數(shù)置0。如果幅度接近，則脈寬小的脈沖的品質(zhì)因數(shù)置0。

當(dāng)目標(biāo)位于兩陣元中點(diǎn)時(shí)，理想情況下，其時(shí)延也應(yīng)該相等，應(yīng)用判據(jù)⑥必然會(huì)產(chǎn)生誤判。在實(shí)際應(yīng)用中，可以忽略這種誤判，原因是目標(biāo)位于這種特殊位置點(diǎn)的概率很小，而且即使發(fā)生這種情況，可利用冗余陣元參加定位解算。

判據(jù)⑦：由于目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的，如果是直達(dá)脈沖，則在相鄰周期一定的時(shí)延差內(nèi)必定存在與之對(duì)應(yīng)的脈沖，也就是時(shí)延的連續(xù)性。為此，我們將本幀的每個(gè)脈沖與上一幀的選出的脈沖相比，判斷其差值是否在一周期目標(biāo)所能航行的最大距離范圍內(nèi)。

當(dāng)｜tki－tk－1｜＜HCmax＊T時(shí)，令Qai＝Qai＋3。

5 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室將聲模擬器的發(fā)射換能器與浮標(biāo)的接收水聽(tīng)器置于同一水桶中，聲模擬器在外同步觸發(fā)下發(fā)射幾個(gè)相鄰頻率的信號(hào)，定位浮標(biāo)同步接收并檢測(cè)信號(hào)時(shí)延，由于相鄰頻率信號(hào)之間幅度相當(dāng)，導(dǎo)致串漏嚴(yán)重，測(cè)量結(jié)果如圖2。圖2（a）為原始聲學(xué)脈沖，圖2（b）為挑選后的脈沖，脈沖挑選方法能夠有效的剔除串漏脈沖。

6 海試結(jié)果分析

本文脈沖挑選方法應(yīng)用于某水聲定位系統(tǒng)，2010年某海域進(jìn)行了定位跟蹤試驗(yàn)。脈沖測(cè)量及挑選結(jié)果如圖3，圖3（a）為原始聲學(xué)脈沖，圖3（b）為挑選后的脈沖，通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)脈沖挑選方法能夠有效的抗多途及噪聲干擾，并能夠有效地剔除串漏脈沖。

圖2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試脈沖挑選結(jié)果

圖3 脈沖挑選海試結(jié)果

7 結(jié)語(yǔ)

本文從分析脈沖序列結(jié)構(gòu)及各脈沖特征出發(fā)，研究脈沖挑選方法，并在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和海上試驗(yàn)中得到有效驗(yàn)證。本文脈沖挑選方法可應(yīng)用于不同的水聲測(cè)量定位系統(tǒng)，其品質(zhì)因子的評(píng)定幅度應(yīng)根據(jù)不同海域?qū)嶋H情況進(jìn)行調(diào)整。

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