鄭海生

(中國人民解放軍91640部隊, 廣東 湛江 524064)

引言

隨著信號處理技術(shù)和水下制導探測技術(shù)的發(fā)展，研究精準制導的水中兵器，能實現(xiàn)對敵目標的精確打擊，魚雷作為能自主航行、自主攻擊和精確制導的水下制導武器，成為海軍作戰(zhàn)的主要武器系統(tǒng)之一，其作戰(zhàn)性能優(yōu)化和改進升級受到各國海軍裝備系統(tǒng)研究部門的重視[1]。水中兵器的自導系統(tǒng)是整個制導裝置的核心，當前新型水中兵器的自導系統(tǒng)采用主動和被動自導的兩種工作方式，通過發(fā)射聲脈沖信號和接收輻射聲信號，實現(xiàn)目標檢測和識別。在目標檢測過程中，采用參數(shù)估計方法和多普勒估計方法，實現(xiàn)對目標的方位、速度和距離等參數(shù)的準確估計，提高對目標的攻擊和打擊能力，研究水下制導武器的目標檢測算法，在提高水中兵器特別是魚雷的對敵目標搜索和攻擊能力方面具有重要意義[2]。

為了提高水中兵器自導系統(tǒng)對目標的主動檢測能力，本文提出一種基于自動增益控制和接收波束形成的水下目標檢測算法。首先構(gòu)建目標檢測的信號模型，采用自導接收機接收聲脈沖本振信號，根據(jù)自導接收的聲信號采用差頻信號處理方法生成方波信號，經(jīng)濾波后輸出至自導接收機中構(gòu)成自導接收波束[3]。然后進行信號波束形成處理，采用數(shù)控衰減器進行信號動態(tài)壓縮處理，提高接收機輸出信號的平穩(wěn)性，采用自動增益控制方法增大數(shù)控衰減碼，加大接收通道的實際放大增益。采用波束形成方法提高接收波束的信噪比，采用頻譜移相求和方法得到接收波束輸出信號的頻譜，實現(xiàn)自導系統(tǒng)對水下目標的檢測和參數(shù)估計優(yōu)化，最后進行仿真實驗分析，展示了本文方法在提高水下制導武器的自導系統(tǒng)目標檢測能力方面的優(yōu)越性能。

1 自導系統(tǒng)的聲信號接收處理

1.1 本振信號模型

為了實現(xiàn)對自導系統(tǒng)的主動目標信號檢測，采用主動自導工作方式，發(fā)射CW聲脈沖信號，采用多個接收波束進行信號頻譜分析，結(jié)合高速信號處理器DSP進行目標檢測和參數(shù)估計，數(shù)字信號處理器DSP22輸出接收波束至收發(fā)隔離裝置[4]，采用FM回波匹配濾波方法進行信號抗干擾設(shè)計，構(gòu)建本振信號模型：

(1)

其中，p為分數(shù)階傅里葉變換的階數(shù)，自導接收機通過差頻信號處理方法進行輸出變頻處理，當α=pπ/2，本振信號時頻處理的變換核為：

Kp(t,u)=

(2)

其中，n為整數(shù)，即n∈Z。

自導接收機接收到聲脈沖信號后，在程序控制作用下，產(chǎn)生特定頻率的方波信號，本振信號的方波輸出Xp(u)可以表示為：

Xp(u)=

(3)

式(3)表示對輸入的聲脈沖信號的分數(shù)階Fourier變換，可以理解為自導系統(tǒng)的輸入聲脈沖信號在時頻平面內(nèi)時間坐標軸內(nèi)的空間波束，輸出波束繞任意角度a=pπ/2(π/2的非整數(shù)倍，即p為分數(shù))后進行多普勒頻譜處理，提高水平面和垂直面的波束指向性[5]。根據(jù)目標方位信息以及目標的其它分布信息，得到自導系統(tǒng)檢測目標的輸出包絡(luò)特征為：

(4)

其中，a(t)稱為復(fù)信號z(t)的瞬時幅度，φ(t)稱為瞬時相位。根據(jù)自導接收的聲信號，采用差頻信號處理方法生成方波信號，經(jīng)濾波后，在如下檢測門限下進行目標檢測判決：

xmin, j=max{xmin, j,xg, j-ρ(xmax, j-xmin, j)}

(5)

xmax, j=min{xmax, j,xg, j+ρ(xmax, j-xmin, j)}

(6)

根據(jù)上述構(gòu)建的本振信號模型，將信號輸入到自導接收機的36通道差頻放大器中，實現(xiàn)信號的變頻處理[6]。

1.2 自動增益控制

水下制導武器的自導系統(tǒng)包含數(shù)控衰減器和自動控制器，自導接收機采用數(shù)控衰減器進行信號動態(tài)壓縮處理，當目標回波信號x(k)=s(k)+w(k)是寬平穩(wěn)的聲脈沖信號時，采用4階累積量估計方法進行時頻分析和動態(tài)壓縮處理，接收機輸出的寬平穩(wěn)4階累積量為：

(7)

3〈x(n)x(n+τ)〉〈x2(n+τ)〉

(8)

如果檢測到的信號的幅度值超過期望范圍，對數(shù)控衰減碼g(n)取均值，其數(shù)學表達如下：

(9)

若檢測目標環(huán)境的海洋混響w(n)為高斯噪聲，則：

(10)

若海洋混響w(n)為非高斯色噪聲，采用自動增益控制方法，得到的4階混合累積量切片為：

(11)

此時：

(12)

其中，γ代表對目標檢測環(huán)境的海洋環(huán)境噪聲w(n)取峰度。

2 信號波束形成及目標檢測算法優(yōu)化

在采用自導接收機接收聲脈沖本振信號和自動增益控制處理的基礎(chǔ)上，進行水下自導系統(tǒng)的目標檢測優(yōu)化算法設(shè)計，本文提出一種基于自動增益控制和接收波束形成的水下目標檢測算法，設(shè)自導系統(tǒng)接收信號y(t)為待檢測的目標聲脈沖回波s(t)和海洋環(huán)境噪聲n(t)的疊加之和，即：

y(t)=s(t)+n(t)

(13)

采用波束形成方法提高接收波束的信噪比[8]，此時檢測目標信號的時頻變換為：

Yp(u)=Fa[y(t)]>=Fa[s(t)+n(t)]>=

Fa[s(t)]>+Fa[n(t)]>

(14)

構(gòu)建一個4階累積量后置算子提高波束形成的空間指向性：

(15)

采用頻譜移相求和方法得到接收波束輸出信號的頻譜[9]，在特定的指向性空間中，接收波束輸出的瞬態(tài)頻譜可寫作如下數(shù)學形式：

(16)

計算36通道信號的頻譜特征為：

(17)

采用分布式目標方位估計[10]，得到多普勒基波信號形式為：

y1(t)=A1(t)exp{j2π[F(t-ta)ln(t-ta)-

F(t-ta)-FlnDt+fe1t]}

(18)

計算混響和噪聲頻譜，得到諧波信號表示為：

y2(t)=A2(t)exp{j2π[F(t-ta)ln(t-ta)-

F(t-ta)-FlnDt+fe2t]}

(19)

其中，fe1為波束域截止頻率，fe2為諧波截止頻率。將分布式目標方位估計的一階近似法引入到波束域，得到多普勒寬帶信號模型為：

u[s(t-τ0)]

(20)

采用頻譜移相求和方法得到接收波束輸出信號的頻譜，進行目標檢測和參數(shù)估計，得到自導接收波束信號u(t)的目標參數(shù)估計值為：

ψ(s,τ)=|χws(s,τ)|2

(21)

通過上述處理，采用分布式波束形成方法，實現(xiàn)對自導系統(tǒng)的目標檢測和參數(shù)估計，提高接收波束的指向性。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本文算法在實現(xiàn)自導系統(tǒng)對敵目標檢測中的性能，進行仿真實驗，實驗采用Matlab 7仿真軟件設(shè)計，實驗中的聲脈沖基陣采用16個陣元的均勻線列陣，波束中心方向為(-18°,+14°)，干擾信噪比為10 dB，目標擴展角度設(shè)為5°, 8°，根據(jù)上述仿真參量設(shè)定，進行目標回波信號采集，得到采集信號波形如圖1所示。

圖1 目標信號波形

以圖1采樣的目標信號為研究對象，采用本文設(shè)計的波束形成算法進行目標檢測和方位估計，得到波束方向圖檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 波束方向圖檢測結(jié)果

分析圖2得知，采用本文方法進行自導系統(tǒng)的主動目標檢測，輸出波束圖的指向性較好，具有很好的旁瓣抑制能力，波束中心方向角的準確估計能力較強，說明目標檢測的準確性和對目標的方位估計準確性較高。采用不同方法測試目標檢測準確性，采用1 000次蒙特卡洛實驗，得到檢測性能ROC圖如圖3所示。分析圖3得知，本文方法進行目標檢測的準確性高于傳統(tǒng)方法。

圖3 檢測性能曲線

4 結(jié)束語

本文研究水下制導武器的自導系統(tǒng)目標檢測問題，提出一種基于自動增益控制和接收波束形成的水下目標檢測算法。采用自導接收機接收聲脈沖本振信號，根據(jù)自導接收的聲信號采用差頻信號處理方法生成方波信號，經(jīng)濾波后輸出至自導接收機中構(gòu)成自導接收波束。自導接收機采用數(shù)控衰減器進行信號動態(tài)壓縮處理，提高接收機輸出信號的平穩(wěn)性，采用自動增益控制方法增大數(shù)控衰減碼，加大接收通道的實際放大增益。采用波束形成方法提高接收波束的信噪比，采用頻譜移相求和方法得到接收波束輸出信號的頻譜，實現(xiàn)自導系統(tǒng)對水下目標的檢測和參數(shù)估計。研究得知，采用本文方法進行水下目標檢測的準確性較好，抗海洋混響干擾能力較強，目標波束的指向性和旁瓣抑制能力較好。