嚴 侃

（海軍裝備部，陜西 西安 710054）

1 概 述

主動超聲引信可通過本身發(fā)出超聲波脈沖信號，借助目標艦船的聲反射，接收到脈沖回聲信號，以探測到目標艦船。其工作原理類似回聲探測的主動聲納。主動超聲引信較被動式聲引信具有以下特點：1）其探測不依賴于目標自身的物理場，與目標本身的航速、噪聲無關，可以探測各種噪聲大小、不同航速的艦船目標。2）可以自主地確定發(fā)射脈沖信號的功率，以保證必要的接收信號的信噪比，便于實現(xiàn)較遠的探測距離。3）借助發(fā)射與接收的雙重波束指向性和回聲測距辦法，較好地控制動作區(qū)域性。4）便于通過頻域、空域和時域信號處理，消除環(huán)境噪聲干擾，利用較為簡便的算法，實現(xiàn)對目標的測距、定位和航速、航向估算。

主動超聲引信在水下長期工作過程中，除了會遇到環(huán)境噪聲干擾之外，還會遇到其本身特有的混響、界面反射、尾流反射和魚群反射等回聲干擾問題。這些回聲干擾信號，已影響到主動超聲引信對正常目標反射信號的檢測和判斷，因此判別和消除回聲干擾信號是主動超聲引信的一項艱巨而復雜的課題。

2 主動超聲引信的回聲干擾種類

2.1 體積混響

體積混響是由海水內(nèi)部的不均勻性對聲波的散射所引起的，主要是由在水中近似均勻分布的氣泡、微粒和小的浮游生物的反向散射造成。體積混響是隨著信號發(fā)射緊接著出現(xiàn)的，并隨著聲波傳播距離的增大，即發(fā)射后時間的推延，其混響強度逐漸減弱。根據(jù)理論計算和試驗結(jié)果，體積混響強度與發(fā)射信號的長度和波束的等效束寬立體角成正比。體積混響級通常小于同距離上的目標艦船反射回聲級，但是在近距離的體積混響級可能大大超過遠處目標的回聲級。由于散射的性質(zhì)、尺度和局部分布的不均勻性以及各個散射體散射聲波的相互干涉結(jié)果，致使體積混響總是呈現(xiàn)明顯的起伏，發(fā)射信號脈寬越小，這種起伏就越大。

2.2 海面混響和海面反射

海面混響是指分布在海面附近的散射體所產(chǎn)生的混響。通過理論計算可知海面混響強度也與發(fā)射信號的長度及波束的等效束寬的平面角成正比，也隨距離增大，即發(fā)射后時間的推延而變小，且變小的速度比體積混響要大。當輻射聲源不是處于海面附近時，海面混響并不是信號一發(fā)射就存在，而是當聲波信號傳播到海面后才出現(xiàn)。海面的混響級一般要比同距離的體積混響級大20 dB以上，特別是當海面上存在大風時。

當聲波的入射角接近90°時，海面的混響級是相當大的，通常會超過目標艦船發(fā)射的回聲級。如果海面是完全平靜的，就不再是反向散射，而是形成鏡面反射，其反射回聲信號具有明顯的前沿和后沿，且其脈沖寬度基本上與艦船反射回聲的脈寬系統(tǒng)。

2.3 尾流反射

在艦船航行時，由于其螺旋槳的空化作用，在艦船后方形成一個十分明顯的泡沫區(qū)域，稱為尾流。尾流的厚度一般為艦船吃水的兩倍，對于小型艦艇則可能達到其吃水的4倍。尾流的寬度主要取決于艦船的航速，航速越高尾流寬度擴展越大。尾流的長度可延續(xù)數(shù)公里，持續(xù)存在時間可達數(shù)10 min。

艦船尾流中的氣泡相當密集，因此具有很強的聲反向散射能力，尾流的回聲很像一個延伸較大的目標反射信號，可以看作是集中目標反射。但是尾流回聲畢竟是由于氣泡的反向散射所形成，氣泡的分布不均勻性及各個氣泡散射聲波的相互干擾結(jié)果，使得尾流回聲具有混響的顯著特征。

2.4 魚群反射

海洋中有大量的海洋生物，它們對超聲波信號均具有一定的反向散射和反射能力。分散的、個體很小的海洋生物的聲散射，已包含在體積混響之內(nèi)。而長度從幾米到幾十米的大型魚類個體及密集型魚群，其反射回來的回聲信號相當強，具有明顯的脈沖包絡形狀，很像是由集中目標反射的回聲信號。當然對于密集魚群的聲反射，顯然也會具有混響的某些特性。

當魚群的密集程度很高且厚度較大時，由于各個魚之間的復散射、相互干涉以及魚體對聲能的吸收等效應，使得回聲關系更為復雜，也使得回聲起伏更大。

3 抗回聲干擾的方法和對策

根據(jù)上述的幾種回聲干擾的性質(zhì)和特點，可以采取針對性措施，來消除或剔除主動超聲的回聲干擾。

3.1 空間域處理法抑制回聲干擾

通過對體積混響、界面混響、尾流反射和魚群反射的聲級計算，可以看出這些回聲干擾均與主動超聲引信的發(fā)射與接收的等效束寬角有關，若等效束寬角越大，則干擾聲級越高。因此，如果采用強指向性的窄波束進行發(fā)射和接收，其等效束寬角較小，就可以減小回聲干擾的等級，從而提高信號/干擾比。當然波束的寬度也不能無限小，實際采用的波束寬度和波束指向，要根據(jù)具體的探測要求來確定。

3.2 時變增益控制法抑制近距離的回聲干擾

主動超聲引信的目標反射回聲級和各種回聲干擾的干擾級，都與目標和干擾體所處的相對于主動聲探測器的距離有關，即距離越大，聲級越小。盡管通常同距離的干擾級小于或遠小于目標反射的回聲級，但是近距離回聲干擾的聲級卻可能大于或甚大于遠距離的目標反射回聲級，從而造成誤判斷而動作。為此，可采用自適應時變調(diào)節(jié)動作閾值或時變調(diào)節(jié)接收電路增益，以達到無論近距離或遠距離的干擾聲級均不會誤判斷的目的[1]。

3.3 多個發(fā)射周期回聲起伏連續(xù)判斷

對于強的回聲干擾，例如尾流反射和海面混響回聲，其信號/干擾比可能很小，其強干擾回聲可能會超過保證目標艦船回聲信號可靠動作所設定的動作閾，從而造成誤動作。但是由于目標艦船的發(fā)射為實體反射，其反射回聲信號起伏較小，而尾流反射和界面混響都是由分散的散射體反向散射所形成，存在著局部分布的不均勻性和相互干涉，其干擾回聲是有較大的起伏特征。因此當閾值確定得較為合適時，艦船目標回聲信號可以穩(wěn)定地連續(xù)多周期地超過該閾值，而干擾回聲只能在個別周期內(nèi)間斷地超過該閾值，因此可以采取多個發(fā)射周期內(nèi)回聲起伏連續(xù)判斷的辦法，將目標反射回聲與干擾回聲區(qū)分出來。

3.4 空間帶或時域區(qū)間自適應控制

海面界面反射的回聲較大，通常會超過目標艦船反射的回聲級。目前有兩種方法可以提取出目標回聲：1）通過回聲測距學習，自適應地確定界面所處的空間帶，也是確定海面反射回聲到達的時間區(qū)間，并依此控制主動超聲引信在此時間區(qū)間內(nèi)，對接收到的信號不做處理判別，而對該時間區(qū)間外的信號進行處理判別。2）通過對海面反射回聲的幅值及波形學習，自適應地抵消海面反射回聲，并進行重疊于其上的信號的識別與檢測。

3.5 艦船目標的反射回聲與干擾回聲的特征判別

艦船目標反射回聲和干擾回聲，除了在聲級、包絡形狀、包絡寬度及包絡起伏等方面有區(qū)別外，在回聲的微波形結(jié)構(gòu)上也是不相同的。干擾回聲是多點反射與散射、復散射及相互干涉的結(jié)果，雖然發(fā)射信號為單頻，但其回波信號也不再是相位一致的單頻信號，而在不同時刻出現(xiàn)一些瞬時相位和瞬時頻率，表現(xiàn)在填充信號的微波形上就是子波形狀、長短和連接相位的隨機變化，并且會根據(jù)反射或散射體的不同而變化[2]。但艦船目標殼體的反射回波與反射信號卻是高度一致的，其回波的微結(jié)構(gòu)與干擾回聲有所區(qū)別，因此可以利用過零點分析和極性相關技術，提取各種的特征量，就能進行分類識別。

4 結(jié) 論

在確定了主動超聲引信的工作頻率、發(fā)射功率和接收動作閾值等相應參數(shù)時，同時應考慮到抗噪聲干擾問題，根據(jù)各種回聲干擾的特征，采用相應對策以區(qū)分出目標回聲和干擾回聲。對于信噪比較低的情況，可以根據(jù)信號脈沖包絡與噪聲包絡隨機起伏的不同，利用幅值與脈寬雙重判決技術進行區(qū)分，實現(xiàn)低信噪比回聲信號檢測。還可以根據(jù)回聲信號與噪聲的頻譜結(jié)構(gòu)的不同，利用過零點分析特征識別技術、極性相關特征識別技術、自適應短周期相關檢測技術和自適應抵消技術，來區(qū)分目標回聲信號和干擾回聲信號，實現(xiàn)低信噪比狀態(tài)下的信號檢測和判別。目前已有一型主動超聲引信采用了以上的抗回聲干擾對策和算法，經(jīng)過海上試驗和使用，取得了很好的效果。

[1]RJ尤立克.水聲原理[M].哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1990.

[2] 汪德昭.水聲學[M].北京：科學出版社，1981.