侯欣雨，　陳　航，2

（1. 西北工業(yè)大學 航海學院， 陜西 西安， 710072； 2. 水下信息處理與控制國家重點實驗室， 陜西 西安， 710072）

水下無載波超寬帶信號波形設計與回波特性

侯欣雨1，陳航1，2

（1. 西北工業(yè)大學 航海學院， 陜西 西安， 710072； 2. 水下信息處理與控制國家重點實驗室， 陜西 西安， 710072）

復雜水聲環(huán)境下， 發(fā)射信號波形設計是提高魚雷自導性能的關鍵環(huán)節(jié)之一。文中基于超寬帶信號分辨率高、穿透能力強和低占空比等優(yōu)點， 根據(jù)不同位baker碼調(diào)制的Ricker水聲信號波形， 分析了該信號的帶寬、頻譜和頻帶內(nèi)的能量均勻性， 優(yōu)選出一種4位baker碼調(diào)制的Ricker信號作為水下無載波超寬帶信號。基于這種超寬帶信號進行了潛艇目標多亮點的回波特性仿真分析， 得出了不同入射角度、不同脈沖間隔信號波形對目標多亮點回波的影響。仿真結果驗證了這種脈沖信號在水下目標探測中的可行性和優(yōu)良性， 為后續(xù)超寬帶信號在水下目標探測領域的研究提供參考。

超寬帶信號； 回波特性； Ricker信號； 目標多亮點

0　引言

隨著現(xiàn)代水下目標及裝備技術的發(fā)展， 傳統(tǒng)的水聲信號處理技術遇到了新的挑戰(zhàn)， 這就需要進一步研究提高微弱信號檢測、目標參量精確估計、目標識別與反對抗等能力的技術途徑。超寬帶信號比窄帶信號含有更豐富的信號信息， 將信號處理頻段向超寬帶信號的中低頻段擴展， 可有效降低傳播損失和潛艇敷瓦的消聲效果， 提高魚雷對現(xiàn)代水下目標的自導探測性能。由于自導系統(tǒng)的距離分辨力與信號帶寬成正比， 采用超寬帶信號并結合高分辨方位估計技術， 可得到精度更高的目標回波方位距離信息， 利于尺度目標的識別。此外， 超寬帶系統(tǒng)易采用復雜的波形與脈沖設計， 提高自導系統(tǒng)的抗干擾和反對抗能力。通過對混響的白化， 又可抑制混響， 提高自導系統(tǒng)在淺海環(huán)境下的探測能力， 并增強對低速、靜止目標的打擊效果。由此看來， 超寬帶信號處理必然成為水下復雜環(huán)境中信號處理研究的熱點。

無載波超寬帶技術廣泛地應用在雷達、醫(yī)療以及地震等領域的研究。極窄脈沖超寬帶信號的平均發(fā)射功率很低， 甚至降到背景噪聲的程度，從而使超寬帶信號在很寬的帶寬上可與其他通信系統(tǒng)共存， 并且設備復雜程度低、成本低、保密性好， 能夠有效對付像潛艇這樣有隱身技術的水下目標［1］。

超寬帶信號在雷達領域已研究多年， 趙陳亮對于常見超寬帶信號作了詳細的介紹， 并針對性地研究了超寬帶信號的發(fā)射和接收技術［2］。也有很多學者用 baker碼來調(diào)制發(fā)射信號， 但是 4位baker碼調(diào)制的Ricker信號卻未見相關文獻。

目前， 針對水下超寬帶信號已展開一系列的研究， 崔小明等人研究了水下等離子體超寬帶信號的產(chǎn)生， 為后續(xù)水下超寬帶研究提供依據(jù)［3］；徐瑜等人針對潛艇的多亮點目標， 提出一種基于信號模型的潛艇目標回聲的過渡特性分析方法［4］，把潛艇等效為5個多亮點目標， 以研究潛艇的目標回聲強度等內(nèi)容； 陳晟等人構造了 1個只有 3個亮點的潛艇多亮點目標， 并研究了不同入射角度的多亮點目標的回波變化［5］。但是， 這些文獻中并沒有同時考慮回波強度、入射角度、脈沖間隔等對水下目標回波的影響。

文中結合上述2種定義多亮點的方式， 借鑒極窄脈沖 Ricker超寬帶信號在雷達領域的研究，通過一種baker碼調(diào)制獲得Ricker脈沖串形成的水聲信號波形， 并對信號的功率譜、目標回波與多亮點等特性展開分析。將這種超寬帶信號引入魚雷自導系統(tǒng)， 從而為水下復雜環(huán)境的目標探測提供新的研究思路。

1　Ricker超寬帶信號

Ricker超寬帶信號在時域表現(xiàn)為持續(xù)時間極短的脈沖， 頻域上表現(xiàn)為帶寬非常寬的信號。其時域表達式為

相應的頻域表達式為

其中: t為時間； f為頻率；Mf 為峰值頻率。Ricker脈沖信號的時域波形圖如圖 1所示， 功率譜密度函數(shù)如圖2所示。

圖1　Ricker脈沖時域信號Fig. 1　Ricker pulse signal in time domain

圖 2　功率譜密度函數(shù)Fig. 2　Function of power spectral density

Ricker信號是零相位， 且波形對稱， 旁瓣低且少， 即能量集中在極窄的時間范圍內(nèi)， 故分辨率高。根據(jù)水聲應用的特點， 其信號時寬一般為幾十到幾百微秒， 帶寬一般為幾十或者上百千赫茲。

2　Baker碼調(diào)制Ricker脈沖信號

由于單脈沖Ricker信號的發(fā)射時間極短、單位發(fā)射時間內(nèi)占空比低， 通常情況下， 信號的發(fā)射需由一系列的脈沖來完成， 把Ricker信號當成基信號組成脈沖串作為水下發(fā)射信號， 用于水下目標的檢測和識別。

編碼脈沖信號由N個時間間隔為Tn， 幅度為an的子脈沖信號組成， 其表達式為

其中， an的選擇從理論上來講是任意的， 根據(jù)經(jīng)驗， 考慮信號的相關性和檢測方法， 使用最多的是baker碼。目前已找到的baker碼有10組， 通過分析研究， 只有3位、4位、7位和13位baker碼的頻譜能夠達到要求。給定脈沖時寬為50 μs，不同位baker碼脈沖串信號帶寬變化見表1。

表1　不同baker碼的脈沖串參數(shù)分析Table 1　Parameter analysis of pulse train with different baker codes

從編碼脈沖信號的構成看， 似乎單位發(fā)射時間內(nèi)， 脈沖串越多， 信號的能量越高， 對距離尺度相關的測量越精確。但研究結果顯示并非如此，通過對不同位baker編碼組合Ricker超寬帶信號的仿真表明， 表1列舉的4種波形具有相對較寬的信號帶寬， 結果如圖3和圖4所示。

圖3　不同位baker碼脈沖串波形圖Fig. 3　Waveforms of pulse train with different bit baker codes

圖4　不同位baker碼脈沖頻譜圖Fig. 4　Pulse spectrum of different bit baker codes

從圖 4的頻譜看， 不同位 baker編碼組合Ricker超寬帶信號在頻帶內(nèi)的能量均勻性又有一定的差異。從相對帶寬來看， 4位baker碼調(diào)制的Ricker超寬帶信號帶寬最大， 相對帶寬較寬、同時頻帶內(nèi)的能量均勻性較其他編碼更好， 因此，選擇4位baker碼調(diào)制的Ricker信號作為后面研究的對象。

3　目標回波模型

如果把潛艇認為是傳統(tǒng)意義上的點目標， 傳播過程波形保持不變， 則信道的系統(tǒng)函數(shù)為

式中: A是到達信號的幅度； τ是信號的時延。

實際的水下情況較為復雜， 一般情況下， 把目標各散射中心認為理論上適用的點目標， 目標的沖激響應函數(shù)就是由各散射點的沖激函數(shù)加權疊加而成［6］。理想狀態(tài)下， 假設目標的姿態(tài)角在觀測時間內(nèi)不發(fā)生變化， 在反射的過程中， 信號會發(fā)生幅度衰減， 則目標的響應函數(shù)

對于理想的目標響應函數(shù)， 各散射點對應的加權幅度和相位固定， 也就是說為常數(shù)。

根據(jù)信號回波方面的理論知識， 理想狀態(tài)下，得出目標在信號波形的反射下， 多亮點目標的理想回波模型

由多普勒效應可知， 多普勒時移和多普勒頻移在本質上是相同的， 技術上不易從超寬帶信號多普勒頻移中提取有效信息， 所以從時域角度考慮多普勒時移［7-8］。則回波信號

式中，fts為時間尺度因子， 且

式中: c為海洋聲傳播的速度； v為目標的相對運動速度。取目標遠離聲吶時速度為正。

回波的脈沖寬度

由于聲傳播速度遠大于目標速度， 發(fā)射信號時寬又是微秒級，2vT/（c-v）很小，在理論研究中可忽略不計，認為 Teco≈T，即認為回波波形的變化可忽略。但是在時域來看，發(fā)射信號的時間間隔Td比信號時寬大很多，回波信號 seco的重復周期不能忽略?；夭ㄐ盘柕臅r間間隔

圖5　不同目標速度回波信號變化曲線Fig. 5　Curves of echo signal for different target velocity

分析圖 5可知， 當目標靠近聲吶時， 接收到的回波信號的間隔逐漸縮??； 相反， 當目標遠離聲吶時， 接收到的回波信號之間的間隔逐漸增大，符合理論的設想。

4　多亮點目標模型

把潛艇看作多亮點目標模型［4-5，9-12］， 由于其表面結構和方位的分布不同， 艇聲目標強度最大的5個部位為潛艇的5個亮點目標， 分別為艇艏、前艇體、艦橋、后艇體和艇艉， 假設潛艇的長度為80 m， 亮點模型如圖6所示。圖中， 把潛艇5個亮點目標等效為5個半徑不同的剛性球體。其中， 代表艦橋的剛性球體最大， 取直徑為8 m， 接下來依次是艇艉、艇艏、前（后）艇體。分別取7 m，6 m， 5 m和5 m。

圖6　目標多亮點模型Fig. 6　Model of multi-highlight target

各亮點的目標強度

則得到亮點回波的幅度

假設聲波的入射角度為θ，發(fā)射波與潛艇艇艏的距離為r，各亮點到艇艏的距離為li，由于脈沖的發(fā)射周期很短，可認為在一個脈沖發(fā)射周期里聲源與潛艇的相對位置不變，且認為俯仰角為0。則第i個亮點的時延

不考慮海洋環(huán)境和聲信道傳播損失的情況，假設潛艇和聲吶之間相對靜止， 在確定信噪比條件下， 多亮點靜止目標回波信號就是各散射點回波的相干疊加［13］。以潛艇為例， 不同角度的baker碼調(diào)制的Ricker超寬帶信號多亮點目標回波信號如圖7所示。從圖中可以看出， 隨著角度的改變，觀測到的回波信號也有所不同。當信號從0逐漸增大到90°時， 得到的回波間隔越來越小。當入射角度為 90°時， 各亮點的重疊較嚴重， 基本分不清各亮點目標。隨著角度從90°增加， 目標亮點的間隔又慢慢展寬， 可以觀察到明顯的信號。同時，在這一段觀察角度內(nèi)， 先觀測到艇艉的亮點， 最后觀測到艇艏的亮點。

圖7　不同角度目標回波變化Fig. 7　Change of target echo at different angles

通過對上述4位baker碼調(diào)制Ricker信號的分析， 可知多亮點目標的分辨情況較理想。下面進一步分析改變 Ricker信號脈沖間隔dT能不能達到同樣的效果。以入射角度30°為例， 如圖8所示。

圖8　不同脈沖間隔目標回波變化Fig. 8　Variation of target echo with different pulse interval

從圖 8中可以看出， 隨著脈沖間隔增大， 觀測到的多亮點目標回波越來越不清晰。因此， 選擇發(fā)射baker碼調(diào)制Ricker信號脈沖的長度必須小于亮點間最小距離時延。

5　結束語

為提高魚雷自導在淺海時的綜合性能、自導作用距離和距離探測分辨率， 針對水下無載波超寬帶信號波形設計與回波特性進行了研究， 根據(jù)不同baker碼調(diào)制的Ricker水聲信號波形， 分析了信號的帶寬、頻譜和頻帶內(nèi)的能量均勻性， 優(yōu)選出一種4位baker碼調(diào)制的Ricker信號作為水下無載波超寬帶信號。并基于這種超寬帶信號進行了潛艇目標多亮點的回波特性仿真分析， 仿真驗證了這種脈沖信號在水下目標探測中的可行性和優(yōu)良性。下一步工作的重點將側重于該信號檢測目標的實用性研究。

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（責任編輯: 楊力軍）

Waveform Design and Echo Characteristic of Underwater Carrier-free Ultra-Wide Band Signal

HOU Xin-yu1，CHEN Hang1，2
（1. School of Marine Science and Technology， Northwestern Polytechnical University， Xi′an 710072； 2. National Key Lab of Underwater Information Processing and Control， Xi′an 710072）

The design of signal waveform is very important for improving torpedo homing performance under complex underwater acoustic environment. Ultra-wide band signal has many advantages in target detection， such as high resolution， strong penetrability， and low duty ratio. In this paper， According to the Ricker waveform of underwater acoustic signals modulated by different bit baker codes， the signal′s bandwidth， frequency spectrum and energy uniformity within a frequency band are analyzed， a Ricker signal modulated by a 4 bit baker code is optimized as an underwater carrier-free ultra-wide band signal. Based on this kind of ultra-wide band signal， the echo characteristic simulation analysis of submarine target is carried out， and the influences of incident angle and signal waveform with different pulse interval on the echo of multi-highlight target are obtained. Simulation results verify the feasibility of this kind of pulse signal in underwater target detection， and may provide reference for further research on application of ultra-wide band signal to underwater target detection.

ultra-wide band signal； echo characteristic； Ricker signal； multi-highlight target

TJ630.34； O427.1

A

1673-1948（2016）05-0340-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.005

2016-06-27；

2016-07-13.

中國船舶重工集團公司第705所科學研究資助項目（705JCH2015-4.1）.

侯欣雨（1990-）， 女， 在讀碩士， 主要研究方向為信號與信息處理.