龐博，吳一飛，劉本奇

?

連續(xù)波聲吶中的調(diào)頻信號(hào)設(shè)計(jì)方法及性能分析

龐博1，吳一飛2，劉本奇2

(1. 海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海 201108；2. 上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

相對(duì)傳統(tǒng)的短時(shí)脈沖波主動(dòng)聲吶而言，連續(xù)波主動(dòng)聲吶是一種新型體制的聲吶設(shè)備，允許在掃描周期內(nèi)發(fā)射高占空比的信號(hào)，并且在發(fā)射信號(hào)的同時(shí)進(jìn)行偵聽(tīng)，由此可以對(duì)水下目標(biāo)實(shí)現(xiàn)連續(xù)照射，消除距離盲區(qū)。由于發(fā)射和接收機(jī)制的不同，連續(xù)波主動(dòng)聲吶對(duì)發(fā)射信號(hào)的波形和處理方法也各有差異，一是要考慮到“直達(dá)波”抑制問(wèn)題，二是要在時(shí)間帶寬積和對(duì)目標(biāo)的照射時(shí)間間隔兩者之間進(jìn)行折中。針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種在連續(xù)波主動(dòng)聲吶中發(fā)射的新型脈沖串信號(hào)，該類信號(hào)由多個(gè)相互正交的廣義正弦調(diào)頻信號(hào)串組成，以此在頻域上消除回波與拷貝信號(hào)的相關(guān)性；后置處理中對(duì)接收回波提供了三種不同的方案，在時(shí)間帶寬積和照射時(shí)間間隔兩者之間擇優(yōu)選擇最佳檢測(cè)效果。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明：該類信號(hào)波形以及相應(yīng)的處理方法可以有效地抑制直達(dá)波干擾并給出目標(biāo)的速度-距離信息。

連續(xù)波主動(dòng)聲吶；調(diào)頻信號(hào)；直達(dá)波抑制

0 引言

大部分的聲吶應(yīng)用比如反潛、魚(yú)雷防御、港口保護(hù)中使用的都是傳統(tǒng)的脈沖式主動(dòng)聲吶(Pulsed Active Sonar，PAS)，在發(fā)射短時(shí)脈沖后進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間偵聽(tīng)。在PAS模式下，時(shí)間帶寬積和探測(cè)盲區(qū)是一對(duì)矛盾，目標(biāo)被聲波照射的時(shí)間很短，聲吶系統(tǒng)至少需要等待一個(gè)周期才能更新探測(cè)信息，對(duì)突發(fā)干擾易產(chǎn)生虛警。為了克服上述問(wèn)題，近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外將目光逐漸轉(zhuǎn)移到連續(xù)波主動(dòng)聲吶(Continuous Active Sonar，CAS)在CAS模式下，可將水下目標(biāo)視為向外輻射連續(xù)信號(hào)的被動(dòng)目標(biāo)。與傳統(tǒng)的PAS相比，CAS具有以下幾個(gè)方面的潛在優(yōu)勢(shì)：(1) CAS發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)工作，不存在距離盲區(qū)；(2) CAS的占空比高，其處理增益遠(yuǎn)大于PAS，將大幅度提高作用距離；(3) CAS對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)聲波照射，將有效降低虛警概率，抗干擾性強(qiáng)；(4) CAS信息更新是連續(xù)的，可有效降低目標(biāo)信息間隙，從而改善跟蹤性能。

同時(shí)由于CAS發(fā)射和接收工作的同時(shí)性，決定了CAS系統(tǒng)一般都是雙/多基地的，即發(fā)射和接收之間的直達(dá)波干擾無(wú)法避免。為了有效抑制直達(dá)波干擾，改善檢測(cè)性能，本文提出一種由多個(gè)相互正交的廣義正弦信號(hào)脈沖串組合波形，對(duì)接收到的回波進(jìn)行滑動(dòng)匹配處理，綜合考慮時(shí)間處理增益和對(duì)目標(biāo)的照射時(shí)間間隔，最后得出相應(yīng)的結(jié)論。

1 廣義正弦調(diào)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)原理

廣義正弦調(diào)頻(Generalized Sinusoidal Frequency Modulated，GSFM)信號(hào)是一類在正弦調(diào)頻(Sinusoidal Frequency Modulated，SFM)信號(hào)的基礎(chǔ)上對(duì)調(diào)頻因子實(shí)現(xiàn)非線性變換而在頻域獲得相互正交性的新型信號(hào)。相互正交的多個(gè)廣義正弦調(diào)頻信號(hào)組合而成的脈沖串在作匹配處理時(shí)可消除由相似的頻率成分帶來(lái)的周期性干擾條紋，提高檢測(cè)效能。

1.1 正弦調(diào)頻(SFM)信號(hào)

SFM信號(hào)是一類在CW(Continuous Wave)信號(hào)基礎(chǔ)上對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制的調(diào)頻信號(hào)，它的瞬時(shí)頻率隨時(shí)間呈現(xiàn)正弦曲線變化規(guī)律，時(shí)域上的表達(dá)式為[1]：

SFM信號(hào)的相位和瞬時(shí)頻率的表達(dá)式為[1]：

(2)

(4)

圖1、圖2分別給出了SFM信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系和模糊度偽彩圖。仿真參數(shù)為：，，，調(diào)制系數(shù)。

由圖2可以看出：SFM信號(hào)的模糊度圖在速度軸上呈現(xiàn)周期性的分布規(guī)律，這是由信號(hào)本身的梳狀譜線結(jié)構(gòu)決定的。當(dāng)接收回波和發(fā)射信號(hào)復(fù)本之間進(jìn)行相關(guān)處理時(shí)，相似的頻域分量無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生新的峰值干擾[2-3]。文獻(xiàn)[1]中給出了速度軸上的峰值干擾計(jì)算公式：

1.2 廣義正弦調(diào)頻(GSFM)信號(hào)

想要消除峰值干擾，首先需要消除掉信號(hào)梳狀的規(guī)律性，GSFM信號(hào)在SFM信號(hào)的基礎(chǔ)上對(duì)調(diào)頻分量進(jìn)行了重新構(gòu)造，其時(shí)域上的表達(dá)式為：

GSFM信號(hào)的相位和瞬時(shí)頻率的表達(dá)式為

(7)

(9)

由圖4中可以看出，GSFM信號(hào)在原點(diǎn)處有明顯的峰值輸出，周圍的峰值干擾相較SFM信號(hào)而言得到良好的改善。

(a) GSFM信號(hào)模糊度偽彩圖

(b) 局部放大效果

圖4 GSFM信號(hào)模糊度偽彩圖

Fig.4 The ambiguity analysis of GSFM signal with pulse length1=0.25 s,c=2.5 kHz,=2 and=160 s-2

2 GSFM信號(hào)組合脈沖串波形設(shè)計(jì)

2.1 一簇GSFM信號(hào)模糊度分析

(a)??????(b)

(c) ?????? (d)

(a)s()的自模糊度圖

(b)s()、s()的互模糊度圖

(c)s()、s()的互模糊度圖

(d)s()的自模糊度圖

圖6 簇內(nèi)GSFM信號(hào)模糊度偽彩圖

Fig.6 The broadband auto and cross ambiguity analyses of the GSFM signals

2.2 一簇GSFM信號(hào)的三種帶內(nèi)組合方法

抑制旁瓣干擾的一個(gè)重要因素是信號(hào)的時(shí)間帶寬積(Time Bandwidth Product，TBP)，在相同的處理時(shí)間內(nèi)盡量選擇大的寬帶有助于將混響能量平均到更大的頻率范圍，從而提高檢測(cè)效能。但在連續(xù)波主動(dòng)聲吶中，除了混響干擾之外，還要考慮直達(dá)波的抑制問(wèn)題。

綜合考慮信號(hào)的時(shí)間帶寬積和處理回波中的直達(dá)波抑制問(wèn)題，本文在系統(tǒng)頻帶內(nèi)給出了三種不同的組合方法。

第一種方法是全頻帶分配脈沖串(Full Band Pulse Train，F(xiàn)BPT)，即脈沖串的設(shè)計(jì)帶寬為系統(tǒng)帶寬，示意圖如圖7所示。

由于直達(dá)波的能量一般強(qiáng)于目標(biāo)回波能量，采用這種處理方法容易使目標(biāo)回波被直達(dá)波淹沒(méi)。

第二種方法是獨(dú)立頻帶分配脈沖(Separate Band Pulse Tain，SBPT)，即脈沖串各自分配不同的系統(tǒng)帶寬，示意圖如圖8所示。

對(duì)系統(tǒng)帶寬進(jìn)行等分，則單個(gè)脈沖信號(hào)占據(jù)的帶寬為sys/。即每個(gè)單獨(dú)的脈沖占據(jù)完全相互獨(dú)立沒(méi)有交疊的頻帶，它們的中心頻率由一組調(diào)頻碼控制。

在該方法下，由于脈沖之間頻帶的分割，進(jìn)一步降低了它們的互相關(guān)性，有利于直達(dá)波的抑制，但是同時(shí)也由于單個(gè)脈沖的帶寬變窄，導(dǎo)致TBP減小。

第三種方法是重疊頻帶分配脈沖(Overlapping Band Pulse Train，OBPT)，是對(duì)前面兩種方法的折中。OBPT采用跳頻脈沖串，每個(gè)單獨(dú)的脈沖之間的頻帶有交疊，帶寬為，1<

其中，Δ為相鄰脈沖之間的最小頻率間隔。

圖9 OBPT頻分示意圖

Fig.9 The frequency distribution for OBPT

3 計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)和分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

發(fā)射聲源級(jí)=185 dB，發(fā)射換能器和接收水聽(tīng)器置于水下=10 m處，間隔=10 m，中間放置使聲波能量衰減60 dB的障礙隔板；采用兩個(gè)半徑=2 m的剛性球作為探測(cè)目標(biāo)，分別放置在距離聲吶平臺(tái)的法線方向上，和750 m，前者以的速度靠近聲吶平臺(tái)，后者以的速度遠(yuǎn)離聲吶平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖10所示。

假設(shè)聲波按柱面波規(guī)律傳播，不考慮混響和其他干擾，則在接收機(jī)處直達(dá)聲聲壓、目標(biāo)1回波聲壓、目標(biāo)2回波聲壓三者之間的關(guān)系為：

(14)

3.2 分析1

仿真可得回波波形如圖11所示。

(a) 回波信號(hào)

(b) 直達(dá)聲疊加目標(biāo)回波

圖11 回波信號(hào)時(shí)域波形

Fig.11 The waveform of echo signal (two target echoes plus direct wave)

對(duì)回波的處理方式采用圖12的流程[5-6]。單次匹配處理的時(shí)間長(zhǎng)度為，每次滑動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)度也為。

以回波到達(dá)時(shí)間作為開(kāi)始，則第個(gè)節(jié)點(diǎn)脈沖匹配的時(shí)間中心為(-1)×0.25 s。

圖13(a)分別給出了第“1”、“3.4”、“5”節(jié)點(diǎn)處匹配處理的結(jié)果；圖13(b)給出了第“3”、“4”節(jié)點(diǎn)匹配處理的結(jié)果。

可見(jiàn)在圖13(a)中，目標(biāo)1的回波經(jīng)匹配處理后亮點(diǎn)最亮，目標(biāo)2其次。直達(dá)聲由于達(dá)到接收的幅度僅為目標(biāo)1回波的1/7，所以0 s處的亮點(diǎn)能量最弱。在圖13(b)中，第“3”個(gè)節(jié)點(diǎn)處匹配的時(shí)間中心為0.5 s，由于目標(biāo)1在0.6的時(shí)刻到達(dá)接收機(jī)，拷貝信號(hào)(開(kāi)始出現(xiàn)在時(shí)刻0.5 s處)相對(duì)回波信號(hào)存在0.1 s的提前，所以峰值出現(xiàn)在0.4 s處；同樣第“4”個(gè)節(jié)點(diǎn)處匹配的時(shí)間中心為0.75 s，相對(duì)于0.6 s處存在0.15 s的延遲，所以圖中峰值出現(xiàn)在0.9 s處。并且注意到，由于第“3”個(gè)節(jié)點(diǎn)處的拷貝信號(hào)和目標(biāo)1的回波的匹配處理的有效時(shí)間為0.15 s；第“4”個(gè)節(jié)點(diǎn)處的拷貝信號(hào)和目標(biāo)1的回波的匹配處理的有效時(shí)間為0.1 s。所以圖中前者能量亮度強(qiáng)于后者。

(a) 信號(hào)匹配完全同步

3.3 分析2

上述仿真的背景是直達(dá)聲的能量弱于目標(biāo)回波。但是由于在現(xiàn)實(shí)情況下，往往因?yàn)槟繕?biāo)的尺寸過(guò)小(回波強(qiáng)度弱)、距離聲吶平臺(tái)較遠(yuǎn)等原因而使得接收機(jī)處的目標(biāo)回波強(qiáng)度弱于直達(dá)聲而無(wú)法被檢測(cè)出來(lái)。

首先對(duì)直達(dá)聲的能量干擾級(jí)分析：12個(gè)脈沖串的產(chǎn)生與上述一致，按照OBPT、FBPT原則分別組合作為一個(gè)周期波形，由此形成對(duì)比組。其中OBPT脈沖的瞬時(shí)帶寬Hz，第一個(gè)脈沖中心頻率=1 615 Hz，往下脈沖中心頻率按Δ=70 Hz的步進(jìn)連續(xù)上升跳動(dòng)?；夭ㄌ幚砼c圖12一致。

OBPT、FBPT直達(dá)波干擾在第1個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量輸出如圖14所示。

(a)OBPT

(b)FBPT

圖14 直達(dá)波在第1個(gè)節(jié)點(diǎn)處的匹配輸出

Fig.14 The match processing for the direct wave at the first point, the upper for OBPT output and the lower for FBPT output

分別以第一個(gè)節(jié)點(diǎn)干擾能量的最大值為歸一化分母，不失一般性地給出OBPT、FBPT兩種方法在“5”、“6”兩處節(jié)點(diǎn)的干擾能量如圖15所示。

對(duì)比可見(jiàn)，通過(guò)OBPT原則設(shè)計(jì)的GSFM波形在各節(jié)點(diǎn)處的直達(dá)聲干擾弱于FBPT波形。對(duì)于OBPT波形，在第“5”、“6”個(gè)節(jié)點(diǎn)失配處直達(dá)波干擾能量下降約25 dB；對(duì)于FBPT，在各失配的節(jié)點(diǎn)處直達(dá)波干擾能量下降從10 dB～15 dB不等。

3.4 分析3

物理模型重新設(shè)計(jì)如下：

發(fā)射聲源級(jí)=175 dB，障礙隔板衰減能量為50 dB，假設(shè)發(fā)射換能器和接收水聽(tīng)器間隔=1 m；則接收機(jī)處的直達(dá)聲的能級(jí)為125 dB。采用遠(yuǎn)近相間的三個(gè)目標(biāo)：

(a) 直達(dá)波在第5個(gè)節(jié)點(diǎn)處干擾能量

(b) 直達(dá)波在第6個(gè)節(jié)點(diǎn)處干擾能量

圖15 直達(dá)波在其第5、6節(jié)點(diǎn)處的匹配輸出

Fig.15 The match processing for the direct wave at the fifth (a) and the sixth (b) points

信號(hào)波形選擇如圖16所示。

(a) 回波信號(hào)

(b)直達(dá)聲疊加目標(biāo)回波信號(hào)

圖16 回波信號(hào)時(shí)域波形

Fig.16 The waveform of echo signal (three target echoes plus direct wave)

直達(dá)聲能量遠(yuǎn)大于三個(gè)目標(biāo)的回波，在時(shí)域上不能判斷出目標(biāo)回波信號(hào)的具體到達(dá)時(shí)間。采用圖12處理方法，相關(guān)處理時(shí)間，每次處理圖象結(jié)果為1幀。圖17(a)～圖17(f)依次給出了兩類信號(hào)在第“1”、“3”、“9”、“10”、“11”、“17”共計(jì)6幀的處理結(jié)果。

若以直達(dá)波匹配是最強(qiáng)干擾為歸一化能量(0 dB)，對(duì)于OBPT類信號(hào)，當(dāng)目標(biāo)回波信號(hào)能級(jí)在約-30 dB以上，經(jīng)圖12的流程處理后可辨別出目標(biāo)信息；對(duì)于FBPT類信號(hào)，當(dāng)目標(biāo)回波信號(hào)能級(jí)在約-15 dB以上，經(jīng)圖12的流程處理后可辨別出目標(biāo)信息。而由實(shí)驗(yàn)條件可知，目標(biāo)1、2、3回波信號(hào)在接收處能級(jí)分別低于直達(dá)波最強(qiáng)干擾-20 dB、-16 dB、-12 dB。所以在圖17(c)～17(f)中，OBPT類信號(hào)均可探測(cè)到目標(biāo)1、2、3；FBPT類信號(hào)僅在17(f)中可探測(cè)到目標(biāo)3。另外由于目標(biāo)2完全匹配的節(jié)點(diǎn)是10.6，所以在圖17(c)、17(d)中均是不完全匹配狀態(tài)，所以相對(duì)于拷貝信號(hào)存在提前或者延遲。

(a) 第“1”個(gè)節(jié)點(diǎn)處的匹配結(jié)果

(b) 第“3”個(gè)節(jié)點(diǎn)處的匹配結(jié)果

(c) 第“9”個(gè)節(jié)點(diǎn)處的匹配結(jié)果

(d) 第“10”個(gè)節(jié)點(diǎn)處的匹配結(jié)果

(e) 第“11”個(gè)節(jié)點(diǎn)處的匹配結(jié)果

4 結(jié)論

對(duì)連續(xù)波主動(dòng)聲吶中GSFM信號(hào)的設(shè)計(jì)和三種系統(tǒng)帶寬的分配方法仿真表明，采用OBPT的設(shè)計(jì)方案可以有效地抑制直達(dá)波干擾。由此可作為連續(xù)波主動(dòng)聲吶的一種應(yīng)用方案。當(dāng)然，文中的仿真是建立在理想信道的條件下，并且在聲吶平臺(tái)和目標(biāo)發(fā)生相對(duì)運(yùn)行時(shí)并沒(méi)有對(duì)副本信號(hào)進(jìn)行頻域上的修正，所以文中的匹配處理增益皆為理想狀況，僅供參考。另外，對(duì)回波的匹配處理除了可以采用單脈沖滑動(dòng)之外，還可采用自由截取脈沖串的長(zhǎng)度作為副本信號(hào)，但是在保證對(duì)目標(biāo)相同的照射率的條件下無(wú)疑會(huì)增加機(jī)器的并行處理量。

[1] S Ward. The use of sinusoidal frequency modulated pulses for low-doppler detection[J]. Proc. IEEE Oceans 2001, (4): 2147- 2151.

[2] Ioannis Bertsatos, Nicholas C. Makris, Estimating the instantaneous velocity of randomly moving target swarms in a stratified ocean waveguide by doppler analysis[J]. IEEE J. Acoust. Soc. Am., 2011, 130, 84-101.

[3] 田坦. 聲吶技術(shù)[M]. 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2000.

[4] Harry DeFerrari, Jennifer Wylie. “Ideal Signals and Processing for Continuous active sonar,” Proceedings of Meetings on Acoustic, ICA 2013 Montreal, pp. 2-7. June. 2013.

[5] Harry A. DeFerrari, Hien B. Nguyen, Andrew Rogers, “Continuous Active Pulses Compression Sonar,” Proceedings of the International Conference “Underwater Acoustic Measurements: Technologies & Results” Heraklion, Crete, Greece, 28th June-1st July 2005.

[6] Doug Grimmett, Cherry Wakayama. Multistatic tracking for continous active sonar using doppler-bearing measurements[J]. 16th International Conference on Information Fusion Istanbul, Turkey. July 2013, 9-12.

The design and performance of the frequency modulated signal for continuous active sonar

PANG Bo1, WU Yi-fei2, LIU Ben-qi2

(1.Military Agent’s Room of Acoustic NavigationSystem in Shanghai Area,Shanghai201108,China;2. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

In contrast to the conventional pulsed active sonar, continuous active sonar is another type of sonar device that allows transmitting high duty cycle signals during the scan cycle and listening while transmitting signals, which can achieve continuous irradiation of underwater targets to eliminate the blind zone. Due to the transmission and reception mechanisms different from the pulsed active sonar, the transmission signal waveform and processing methods are also different,where the problems of the "direct wave" suppression and the compromise between TBP (time-bandwidth product) and time interval for target irradiation need taking into account. Aiming at the two problems, this paper designs a new type of pulse train signal.The signal is composed of several sinusoidal frequency modulation signal strings which are orthogonal to each other. In the post processing, three different schemes are provided for the received echo in order to achieve the optimal detection effect. The results of computer simulation show that the signal waveform and the corresponding processing method can effectively suppress the direct wave interference and give the target velocity-distance information.

continuous active sonar; frequency modulated signal; direct wave suppression

TB556

A

1000-3630(2017)-04-0327-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.04.006

2016-12-11;

2017-03-12

龐博(1977－), 男, 陜西渭南人, 碩士, 研究方向?yàn)殡娮优c通訊工程。

劉本奇, E-mail: 13482587203@139.com