洪嘉翔1, 易 紅2, 張 娟1, 張林讓1

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基于LAS碼與混沌的水下LPI波形設(shè)計(jì)

洪嘉翔, 易 紅, 張 娟, 張林讓

(1. 西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安, 710071; 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710072)

鑒于水下探測對(duì)低截獲概率(LPI)波形特性的需求, 將混沌序列連續(xù)化后用以相位調(diào)制得到基本波形, 然后用大區(qū)域同步(LAS)碼對(duì)其分別作脈內(nèi)、脈間調(diào)制設(shè)計(jì)出2種新波形, 借助其模糊圖的零延時(shí)切面和零頻移切面直觀比較了新波形與連續(xù)波(CW)、線性調(diào)頻(LFM)、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)、Costas 等4種典型水下探測波形的分辨特性, 并通過時(shí)間分辨常數(shù)和頻率分辨常數(shù)作出量化分析。模糊圖的非零頻移切面被用以理想背景下各波形的多普勒敏感性比較, 并通過Q函數(shù)進(jìn)一步比較了它們的抗混響能力。對(duì)比分析表明, 新設(shè)計(jì)的2種波形具有出色的距離分辨率和多普勒容忍性, 且在整個(gè)實(shí)際所需探測速度范圍上有很強(qiáng)的抗混響能力。

自低截獲概率; 大區(qū)域同步(LAS)碼; 混沌; 分辨特性; 多普勒敏感性; 抗混響性能

0 引言

鑒于主動(dòng)聲納在現(xiàn)代海戰(zhàn)中的突出地位以及水聲信號(hào)截獲技術(shù)的發(fā)展, 低截獲探測日益成為研究的熱點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的功率控制方法很大程度上受到探測能力的限制, 再加上相對(duì)于敵方截獲接收機(jī)信號(hào)單程衰減的致命劣勢, 通過波形設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)低截獲逐漸引起人們的重視。

由于水聲環(huán)境極其復(fù)雜, 目前對(duì)于水下探測波形的設(shè)計(jì)主要關(guān)注探測性能, 很多文獻(xiàn)中提及的低截獲概率(low probability of intercept, LPI)波形實(shí)際上指的是檢測性能良好的波形。但傳統(tǒng)的連續(xù)波(continuous wave, CW)距離分辨率與速度分辨率不可兼得, 線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM)和雙曲調(diào)頻(hyperbolic frequ- ency modulation, HFM)存在距離與速度耦合, 二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)多普勒容忍性差, 不太適于對(duì)高速目標(biāo)的精確測量。

在這樣的背景下, 吳亞軍等將雷達(dá)低截獲概念引入魚雷自導(dǎo)系統(tǒng), 提出了魚雷自導(dǎo)主動(dòng)隱蔽信號(hào)的總體設(shè)計(jì)思路和信號(hào)形式的分類方法;何惠江等從低頻、大時(shí)寬帶寬積、復(fù)合頻(碼)制、隨機(jī)或非線性體制及時(shí)頻捷變方面對(duì)低截獲聲納的信號(hào)特征進(jìn)行了剖析; 周勝等從聲納方程和信號(hào)檢測兩方面分析了主動(dòng)聲引信實(shí)現(xiàn)低截獲的可行性和技術(shù)途徑, 認(rèn)為可行的波形為隨機(jī)形式。但是, 用于水下探測的隨機(jī)波形還未見于相關(guān)文獻(xiàn)。

考慮到隨機(jī)信號(hào)技術(shù)、成本等方面的限制, 本文采用混沌來設(shè)計(jì)同樣具備很大隨機(jī)性的波形, 并將其與大區(qū)域同步(large area synchronized, LAS)碼復(fù)合改善性能。對(duì)比分析表明, 本文所設(shè)計(jì)波形在相當(dāng)?shù)乃俣确直媛氏掠懈玫木嚯x分辨率、多普勒容忍性和覆蓋整個(gè)實(shí)際所需探測速度范圍的抗混響能力。

1 波形設(shè)計(jì)

對(duì)LAS碼的應(yīng)用目前主要出現(xiàn)在移動(dòng)通信領(lǐng)域, 一般是利用其良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性來對(duì)抗碼間干擾和多用戶干擾, 但在探測領(lǐng)域未見應(yīng)用。對(duì)混沌的應(yīng)用, 目前大致有2種路線, 一種是將混沌序列二元化后作為二相碼使用, 另外一種是直接用離散的混沌序列去控制調(diào)制參數(shù), 本文嘗試先將混沌序列連續(xù)化處理, 再用以波形調(diào)制。

LAS碼由大區(qū)域(large area, LA) 碼和寬同步(large synchronized, LS)碼結(jié)合而成, 最大特點(diǎn)是在零偏移附近一定時(shí)間范圍內(nèi), 自相關(guān)與互相關(guān)值為零(IFW特性), 因特別適用于時(shí)間色散信道而在移動(dòng)通信中倍受關(guān)注。水聲信道與無線信道一樣存在嚴(yán)重的多途效應(yīng)和信號(hào)擴(kuò)展效應(yīng), 但對(duì)LAS碼的應(yīng)用還未見于文獻(xiàn)。LAS碼的結(jié)構(gòu)如圖1所示, 對(duì)于一定長度的LA碼通過設(shè)計(jì)其非零元素(可用Walsh-Hadamard矩陣對(duì)其賦值)的個(gè)數(shù)和位置即可獲得上述零干擾窗(interference free window, IFW)特性, 然后設(shè)計(jì)LS碼插入到其非0元素處并被相應(yīng)元素作符號(hào)調(diào)制, 最終得到的LAS碼既保留了LA碼的IFW特性又提高了能量效率。其中LS碼由帶保護(hù)間隔(0元素)的正交序列對(duì)級(jí)聯(lián)而成(如圖2)。

圖2 LS碼的結(jié)構(gòu)

混沌信號(hào)可被視為一種特殊的偽隨機(jī)信號(hào), 它比一般的偽隨機(jī)信號(hào)更具隨機(jī)性, 而且可以容易地產(chǎn)生足夠豐富的序列, 是一種極佳的隨機(jī)信號(hào)替代品。本文采用以下映射迭代產(chǎn)生混沌序列

它將目前常用的Logistic和Tent映射結(jié)合使用來提高其復(fù)雜度。當(dāng)初值=0.82,=1.8,=2.0,=0.85時(shí), 此映射處于混沌態(tài)。

將LAS碼與混沌復(fù)合, 設(shè)計(jì)出以下2種波形(簡單地以“脈內(nèi)編碼”和“脈間編碼”區(qū)分)。

1) 脈內(nèi)編碼

2) 脈間編碼

(4)

其余參數(shù)與脈內(nèi)編碼相同。

有效可靠的檢測是低截獲的基礎(chǔ), 下面從分辨特性、多普勒敏感性和抗混響能力3個(gè)方面對(duì)波形進(jìn)行分析, 作為波形低截獲的依據(jù)。

2 分辨特性

波形的分辨特性一般用模糊函數(shù)來分析。由于模糊函數(shù)解析模型的推導(dǎo)及特征分析十分復(fù)雜, 這里借助數(shù)值仿真, 通過與各現(xiàn)有波形進(jìn)行直觀地比較來達(dá)到對(duì)新波形特性的認(rèn)識(shí)。

參數(shù): 載頻5 k, LFM與新設(shè)計(jì)信號(hào)帶寬2 k, BPSK與Costas信號(hào)子脈沖長2 ms, BPSK用5位巴克碼編碼, Costas信號(hào)編碼向量為(2, 4, 3, 1, 5), 新設(shè)計(jì)波形LA碼取4個(gè)非0元素, 時(shí)寬8.22 ms。

圖3分別給出了2種新設(shè)計(jì)波形的模糊度圖, 直觀上看均符合LPI波形“圖釘型”模糊函數(shù)的特點(diǎn), 下面將其與現(xiàn)有波形作進(jìn)一步的比較。

(6)

(8)

圖3 新設(shè)計(jì)波形的模糊度圖

Fig. 3 Ambiguity functions of the designed waveforms

圖4為各波形分辨特性比較。從圖4(a)可以看出, 在所給參數(shù)下, CW信號(hào)由于帶寬小距離分辨率最差; LFM和Costas信號(hào)優(yōu)于二相編碼信號(hào), 這是因?yàn)槎嗑幋a信號(hào)由2 ms子碼寬度決定的帶寬小于2 k所致; 新設(shè)計(jì)信號(hào)具有類似寬帶噪聲的頻譜, 距離分辨率最佳。

圖4(b)顯示, 2種新設(shè)計(jì)波形有幾乎一致的距離主瓣分辨特性, 區(qū)別在于“脈內(nèi)信號(hào)”有更理想的距離旁瓣分辨特性。結(jié)合圖4(c), CW信號(hào)以犧牲距離分辨率為代價(jià)縮小了速度分辨率與大時(shí)寬帶寬積信號(hào)的差距; 新設(shè)計(jì)波形以外的其他3種波形由于信號(hào)長度相同, 具有近似相當(dāng)?shù)乃俣确直媛? 而新設(shè)計(jì)的波形相對(duì)較差, 這與其相對(duì)更短的信號(hào)長度有關(guān), 而且這種劣勢與距離分辨特性的優(yōu)勢相比顯然是微不足道的。圖中，表示多普勒頻移。

表1、表2通過時(shí)間分辨常數(shù)和頻率分辨常數(shù)對(duì)上述現(xiàn)象做量化比較。由于新設(shè)計(jì)波形, 即使不考慮信號(hào)的0值部分(LAS碼是三進(jìn)制碼), 信號(hào)長度也比其余波形短1.8 ms(近20%), 故其頻率分辨常數(shù)略微顯大(仿真可知, 新設(shè)計(jì)波形的頻率分辨率也隨信號(hào)長度增大而變好)。但從距離速度聯(lián)合分辨的角度來說, 新設(shè)計(jì)波形的優(yōu)勢是顯而易見的。

圖4 各波形分辨特性比較

表1 各波形時(shí)間分辨常數(shù)

表2 各波形頻率分辨常數(shù)

以CW為例進(jìn)行比較, 在實(shí)際應(yīng)用背景下, 如果魚雷按照仿真中采用的信號(hào)參數(shù)來工作, CW的距離分辨率約為7.5 m, 則新設(shè)計(jì)波形距離分辨率(見表1)比CW好至少1 000倍, 在這樣的距離范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)速度臨近的目標(biāo)顯然是不可能的。假如信號(hào)長度同時(shí)擴(kuò)大若干倍, 一方面由于新設(shè)計(jì)波形的頻譜仍然類似寬帶噪聲譜, 有效帶寬和距離分辨特性不會(huì)惡化; 另一方面由于受限于信道等實(shí)際因素, 信號(hào)長度在此基礎(chǔ)上可增大的倍數(shù)或編碼碼片長度在此基礎(chǔ)上可縮短的倍數(shù)有限, 其余波形的有效帶寬不至于無限增大, 故新設(shè)計(jì)波形的距離分辨優(yōu)勢仍將保持, 而且速度分辨率將得到改善。

另外, 由于描述波形距離與速度測量精度的時(shí)延估計(jì)方差與頻率估計(jì)方差分別反比于、, 用信號(hào)參數(shù)表示也即分別反比于均方根帶寬和均方根時(shí)寬, 所以新設(shè)計(jì)信號(hào)在分辨特性上的優(yōu)勢同樣存在于測量精度方面。

3 多普勒敏感性

波形的模糊度圖是在沒有噪聲情況下匹配濾波器輸出的全景圖形, 所以可直接截取模糊度圖的非零多普勒切面來比較各波形的多普勒敏感性(這實(shí)際上反映了理想情況下波形的檢測能力)。仿真結(jié)果表明, 隨著目標(biāo)速度的增大, 各波形先后經(jīng)歷主瓣變低、畸變的過程。當(dāng)目標(biāo)速度為15 m/s時(shí), 現(xiàn)有波形中多普勒容忍性最好的LFM也迎來主瓣-10 dB的衰減, 而新設(shè)計(jì)波形仍能保持極好的測距性能(如圖5所示)。

另外, 從模糊度函數(shù)的等高線可以看出新設(shè)計(jì)的波形無距離速度耦合, 這也是相對(duì)LFM的一個(gè)優(yōu)勢。

圖5 各波形多普勒敏感性比較

4 抗混響特性

混響環(huán)境中, 匹配濾波器混響輸出的平均功率為

從式(19)中可以看出, 信號(hào)的模糊度函數(shù)和混響散射函數(shù)重疊得越少, 混響的輸出功率就越小, 就越利于目標(biāo)的檢測。對(duì)于單基地系統(tǒng), 若假設(shè)混響是由靜止散射體的散射形成, 同時(shí)這些散射體是均勻、密集且相互獨(dú)立的, 則匹配濾波器輸出混響平均功率可簡化為函數(shù)所示形式

函數(shù)可在一定程度上描述匹配濾波器輸出的混響強(qiáng)度。函數(shù)越小, 越利于混響中目標(biāo)的檢測。取前述參數(shù)得到各信號(hào)的函數(shù)對(duì)比曲線如圖6所示, 圖中已對(duì)信號(hào)能量進(jìn)行了歸一化處理。

圖6 各波形抗混響能力比較

Fig. 6 Comparison of each waveform on reverberation suppression capability

從圖6中可以看出, 在該組參數(shù)下, 新設(shè)計(jì)的2種信號(hào)相比其余4種現(xiàn)有水聲信號(hào)有明顯的抗混響優(yōu)勢, 且這種優(yōu)勢覆蓋了目前魚雷自導(dǎo)的全速度范圍; 新設(shè)計(jì)信號(hào)在雷目相對(duì)速度較大時(shí)混響抑制能力優(yōu)于低速應(yīng)用。另外, 圖中反映出對(duì)于混響背景下目標(biāo)檢測, 大時(shí)寬帶寬積信號(hào)優(yōu)于簡單脈沖, 而頻率調(diào)制信號(hào)比二相碼信號(hào)更有利于抗混響。

5 結(jié)束語

本文將LAS碼與混沌復(fù)合, 設(shè)計(jì)出2種波形, 分析表明其在與現(xiàn)有波形保持相當(dāng)?shù)乃俣确直媛实耐瑫r(shí), 具有明顯更好的距離分辨率、多普勒容忍性和覆蓋整個(gè)實(shí)際所需探測速度范圍的抗混響能力。這些優(yōu)點(diǎn)意味著, 在相同的探測需求下新設(shè)計(jì)波形能夠以更小的發(fā)射功率達(dá)到檢測閾, 符合LPI波形的特點(diǎn)。但本文尚未直接從LPI的角度對(duì)波形作深入分析, 這也是下一步工作的重點(diǎn)。

[1] 周德善, 李志舜, 朱邦元. 魚雷自導(dǎo)技術(shù): 武器工業(yè)[M].1版. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009: 120-253.

[2] 吳亞軍, 郭濤, 雷曉莉. 魚雷自導(dǎo)主動(dòng)信號(hào)具備隱蔽性條件探討[J]. 魚雷技術(shù), 2009, 17(4): 43-47.

Wu Ya-jun, Guo Tao, Lei Xiao-li. Discussion on Condition of Torpedo Active Homing Concealed Signal[J]. Torpedo Technology, 2009, 17(4): 43-47.

[3] 何惠江, 劉軍凱, 劉雪辰, 等. 聲納低截獲技術(shù)方法與策略研究[J]. 魚雷技術(shù), 2010, 18(2): 99-103. He Hui-jiang, Liu Jun-kai, Liu Xue-chen, et al. Techniques for Low Probability of Intercept Sonar[J]. Torpedo Tech- nology, 2010, 18(2): 99-103.

[4] 魏玉華, 關(guān)成彬, 劉磊. 低截獲主動(dòng)聲納信號(hào)特征研究[J].兵工自動(dòng)化, 2010, 29(5): 74-76. Wei Yu-hua, Guan Cheng-bin, Liu Lei. Research on Signal Characteristics of Low Interception Active Sonar[J]. Ord- nance Industry Automation, 2010, 29(5): 74-76.

[5] 周勝, 林春生. 水雷主動(dòng)聲引信低截獲特性分析[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 21(1): 91-95. Zhou Sheng, Lin Chun-sheng. Low Probability Analysis of Iterception of Uderwater Mne Ative Fze[J]. Journal of Navy University of Engyneering, 2009, 21(1): 91-95.

[6] 施建超, 黃華. LAS碼的構(gòu)造及LAS_CDMA相對(duì)于傳統(tǒng)CDMA的優(yōu)勢[J]. 通信技術(shù), 2007, 40(12): 148-151.Shi Jian-chao, Huang Hua. The Construction of LAS Codes and LAS-CDMA￠s Comparative Advantages Over the Tradi- tional CDMA[J]. Communications Technology, 2007, 40(12): 148-151.

[7] 羅啟彬, 張健. 一種新的混沌偽隨機(jī)序列生成方式[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2006, 28(7): 1262-1265.Luo Qi-bin, Zhang Jian. A New Approach to Generate Chaotic Pseudo-random Sequence[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2006, 28(7): 1262-1265.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Underwater LPI Waveforms Design Based on LAS Code and Chaos

HONG Jia-xiang, YI Hong, ZHANG Juan, ZHANGLin-rang

(1. Key Laboratory of National Defense Science and Technology on Radar Signal Processing, Xidian University, Xi′an 710071, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi￠an 710075, China)

In view of the requirement for low probability of intercept (LPI) waveform characteristics in underwater detection, we serialize the chaotic sequences and use it to modulate the signal phase such that the basic waveform is obtained. Then the large area synchronized (LAS) codes are introduced for both interpulse and intrapulse modulations to design two new waveforms. Relying on the zero-delayed section and zero-Doppler section of an ambiguity function, we compare the discrimination property of the two new waveforms intuitively with four kinds of typical underwater detection waveforms, i.e. continuous waveform (CW), linear frequency modulation (LFM) waveform, binary phase shift keying (BPSK) waveform and Costas waveform. Quantification analysis is made by their time resolution constants and frequency resolution constants. In addition, nonzero-Doppler section of an ambiguity function is used to compare their Doppler sensitivity characteristics under the ideal background, followed by a further comparison of reverberation suppression capability via the Q function. The results show that two new waveforms have outstanding distance resolution, Doppler tolerance and reverberation suppression capability over whole velocity ranges required by practical use.

low probability of intercept(LPI); large area synchronized (LAS) code; chaos; resolution characteristic; Doppler sensitivity ; reverberation suppression capability

TJ630.34; TN911.7

A

1673-1948(2011)06-0433-05

201-05-30;

2011-06-05.

洪嘉翔(1986-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)槔走_(dá)及水聲信號(hào)處理.