唐建生,皇甫立
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噪聲干擾對被動聲吶系統(tǒng)的影響及仿真分析
唐建生,皇甫立
(水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100094)
在從信號處理的角度,就干擾信號對被動聲吶系統(tǒng)的目標(biāo)信號檢測、目標(biāo)方位估計(jì)、接收系統(tǒng)飽和等方面的典型情況進(jìn)行了仿真分析,定義了噪聲掩蓋比、方位偏離度、噪聲阻塞級等參數(shù),用以表征干擾信號對被動聲吶系統(tǒng)的影響,并給出了典型的仿真結(jié)果。
被動聲吶系統(tǒng);噪聲干擾;噪聲掩蓋比;方位偏離度;噪聲阻塞級
被動聲吶系統(tǒng)通過檢測目標(biāo)的輻射噪聲發(fā)現(xiàn)目標(biāo),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的參數(shù)估計(jì),是水下探測目標(biāo)的重要手段。被動聲吶系統(tǒng)本身不發(fā)射聲波,不會暴露被動聲吶系統(tǒng)的安裝平臺(或地理位置),所以被廣泛應(yīng)用于海洋預(yù)警探測、艦艇被動聲吶、魚雷被動自導(dǎo)等[1,2]。
噪聲干擾是指通過發(fā)射干擾噪聲信號,阻礙被動聲吶系統(tǒng)對目標(biāo)信號的檢測和參數(shù)估計(jì),是對抗被動聲吶系統(tǒng)的手段之一[3]。已有的研究從被動聲吶方程出發(fā),從能量的角度對干擾被動聲吶系統(tǒng)的原理進(jìn)行了深入分析[4],給出了噪聲干擾對被動魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)的作用區(qū)域,為干擾手段的使用提供了依據(jù)。
本文從信號處理的角度,分析了噪聲干擾對被動聲吶系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的影響,分別就幾種典型的干擾情況定義了噪聲掩蓋比、方位偏離度、噪聲阻塞級等參數(shù),用以表征干擾信號對被動聲吶系統(tǒng)的影響,并給出了典型的仿真結(jié)果。
被動聲吶系統(tǒng)一般由水聲信號接收基陣、信號預(yù)處理、波束形成、后置功能實(shí)現(xiàn)和顯控等五個(gè)部分組成,圖1給出了處理框圖。
水聲信號接收基陣由多個(gè)水聽器組成,水聽器將水下聲壓信號轉(zhuǎn)換為電信號,是被動聲吶系統(tǒng)的輸入端。
抗混迭濾波器是一種低通濾波器,其功能是濾除高于1/2采樣頻率的頻率成份。這樣,在A/D轉(zhuǎn)換過程中,就不會發(fā)生頻率混淆現(xiàn)象。在實(shí)際聲吶工作過程中,接收基陣輸出的信號電平會存在很大波動,從弱的幾微伏到強(qiáng)的幾百毫伏。為了避免在接收弱信號時(shí)某些電路不能正常工作而丟失信號,而在接收強(qiáng)信號時(shí),造成電路的過載阻塞(非線性失真),因此,信號放大增益不能是固定值。自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)根據(jù)輸入的信號電平,動態(tài)調(diào)節(jié)信號的放大增益,使輸出的信號電平在可接受的范圍內(nèi)。
波束形成是一種空間濾波技術(shù),通過對空間上位置不同的多個(gè)陣元的接收信號加權(quán)處理,實(shí)現(xiàn)對特定方向目標(biāo)信號的接收,同時(shí)抑制來自其它方向的信號和噪聲,以提高接收信噪比。
根據(jù)波束形成的輸出,首先判斷是否有目標(biāo)信號存在,如果有目標(biāo)則估計(jì)目標(biāo)存在方位,并分析目標(biāo)的聲信號特征,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的分類識別。將以上后置處理結(jié)果進(jìn)行顯示,并可以由操作人員控制,改變顯示的頻段、幅度等。
被動聲吶系統(tǒng)一般僅具有定向能力,在某一波束觀察區(qū)域內(nèi),對干擾前、干擾后、以及同時(shí)有干擾和目標(biāo)時(shí)三種情況分別討論:
(1) 干擾前,被動聲吶系統(tǒng)僅接收到環(huán)境噪聲,此時(shí)環(huán)境噪聲是被動聲吶系統(tǒng)觀察目標(biāo)的背景噪聲。
(2) 干擾后,在干擾所在波束扇面內(nèi),被動聲吶系統(tǒng)接收到環(huán)境噪聲和干擾器的輻射噪聲。此時(shí),干擾器在被動聲吶系統(tǒng)中作為一個(gè)目標(biāo)處理,應(yīng)滿足
其中:SL和TL分別表示干擾器的聲源級和傳播損失;表示探測系統(tǒng)的指向性指數(shù);為背景噪聲;是檢測閾。
為了達(dá)到干擾效果,一般有SL-TL+>>,因此干擾的輻射噪聲成為了被動聲吶系統(tǒng)的背景噪聲。
(3) 同時(shí)有干擾和目標(biāo)時(shí),被動聲吶系統(tǒng)在干擾器輻射噪聲的背景上,加上目標(biāo)的輻射噪聲信號。聲吶系統(tǒng)能否檢測到目標(biāo),決定于聲吶系統(tǒng)輸出端的信號和噪聲功率比。此處由于干擾的輻射噪聲成為背景,同時(shí)由于聲吶系統(tǒng)對干擾器和目標(biāo)都有增益,因此聲吶系統(tǒng)能否檢測到目標(biāo)只決定于到達(dá)聲吶系統(tǒng)接收端的信號和干擾能量比。一般地,在聲吶輸出端信號能量應(yīng)大于背景噪聲(此處為干擾)才能實(shí)現(xiàn)一定概率的檢測;同理,在聲吶輸出端背景噪聲(此處為干擾)能量大于信號時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)對信號的遮蔽,即干擾成功。
根據(jù)噪聲干擾信號的強(qiáng)弱以及實(shí)現(xiàn)的干擾效果,噪聲干擾可以分為:
(1) 干擾目標(biāo)檢測
使背景噪聲級增大,降低信噪比,干擾被動聲吶系統(tǒng)對目標(biāo)的檢測。
(2) 干擾參數(shù)估計(jì)
干擾被動聲吶系統(tǒng)對目標(biāo)的定位、識別和跟蹤。
(3) 接收系統(tǒng)飽和
干擾信號足夠大,使被動聲吶系統(tǒng)的傳感器出現(xiàn)非線性飽和,被動聲吶系統(tǒng)完全不能正常工作。
(4) 物理損傷
噪聲干擾信號足夠大,使被動聲吶系統(tǒng)的物理組成部分發(fā)生物理損傷,被動聲吶系統(tǒng)徹底喪失工作能力。
實(shí)現(xiàn)傳感器飽和及物理損傷所需的聲能量非常大,實(shí)現(xiàn)起來比較困難,目前的水聲對抗技術(shù)以實(shí)現(xiàn)干擾目標(biāo)檢測和參數(shù)估計(jì)為主。近年來,水下強(qiáng)聲技術(shù)得到重視并不斷發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)傳感器飽和和物理損傷提供了技術(shù)途徑。
4.1 仿真條件
設(shè)定一個(gè)64元均勻線列陣,陣列間距按照500 Hz的半波長布置,處理頻段為5~500 Hz。仿真產(chǎn)生艦船輻射噪聲作為目標(biāo)信號。艦船輻射噪聲譜在20~200 Hz頻段內(nèi)存在兩根線譜,線譜強(qiáng)度相差5 dB,最大線譜強(qiáng)度為140 dB,200~500 Hz范圍內(nèi)的艦船航行噪聲按-6 dB/oct衰減,設(shè)定200 Hz處的譜級為130 dB。艦船輻射噪聲仿真如圖2所示,線譜設(shè)定在50 Hz和150 Hz處。
仿真產(chǎn)生的海洋環(huán)境噪聲在100 Hz后按-6 dB/oct衰減,考慮1000 Hz處的譜級為64 dB。海洋環(huán)境噪聲仿真如圖3所示。
干擾源信號采用高斯白噪聲進(jìn)行仿真,設(shè)定5~500 Hz頻段內(nèi)聲源級為160 dB。
4.2 干擾目標(biāo)檢測
當(dāng)目標(biāo)和干擾不在同一波束時(shí),噪聲干擾通過對目標(biāo)波束的能量泄漏實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)檢測的干擾,圖4給出了干擾和目標(biāo)的相對位置關(guān)系。
此時(shí),目標(biāo)方向的能量輸出為
干擾方向的能量輸入為
定義噪聲掩蓋比
表示方向的干擾對方向目標(biāo)的掩蓋比。
干擾對信號的掩蓋區(qū)域可以表示為
式中,為能實(shí)現(xiàn)掩蓋的最小分貝值。
圖5給出了仿真結(jié)果,干擾前目標(biāo)檢測的背景噪聲是環(huán)境噪聲的輸出,干擾后是干擾在旁瓣的泄露值,從而干擾了對目標(biāo)信號的檢測。
4.3 干擾目標(biāo)方位估計(jì)
當(dāng)目標(biāo)和干擾在同一波束時(shí),被動聲吶系統(tǒng)估計(jì)的目標(biāo)方位將偏離真實(shí)的目標(biāo)方位,從而影響對目標(biāo)方位的估計(jì)。圖6給出了干擾和目標(biāo)的相對位置關(guān)系。
此時(shí)聲學(xué)系統(tǒng)估計(jì)目標(biāo)方位將指向干擾方位和目標(biāo)方位的等效中心,如圖7所示。等效中心與目標(biāo)和干擾的方位和能量有關(guān),可以用下式表示目標(biāo)方位估計(jì)的偏離。
圖8給出了仿真結(jié)果,干擾后估計(jì)的目標(biāo)方位偏離了目標(biāo)的真實(shí)方位值,而是指向了干擾方位和目標(biāo)方位的等效中心。
圖8 干擾信號方位、信號真實(shí)方位和估計(jì)的信號方位的仿真結(jié)果
Fig.8 Estimated signal direction and real directions of interference and signal from simulation
4.4 接收系統(tǒng)飽和
當(dāng)干擾信號足夠大時(shí),超過了被動聲吶系統(tǒng)前置信號處理(包括前置放大器、自動增益控制AGC等)的動態(tài)范圍,使得接收系統(tǒng)無法正確實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,從而無法感知目標(biāo)信號。
以噪聲干擾裝置距離接收系統(tǒng)1000 m為例,假設(shè)陣元接收靈敏度為-180 dB時(shí),要使得接收系統(tǒng)飽和需要滿足:
66+20 lg (5v/100)+180=220 dB
本文從信號處理的角度分析,就干擾信號對目標(biāo)信號檢測、目標(biāo)方位估計(jì)、接收系統(tǒng)飽和等方面的典型情況進(jìn)行了仿真分析,并引入噪聲掩蓋比、方位偏離度、噪聲阻塞級等參數(shù),用以表征干擾信號對被動聲吶系統(tǒng)的影響。本文僅對干擾被動水聲探測系統(tǒng)部分內(nèi)容進(jìn)行了分析,比如在干擾參數(shù)估計(jì)方面還可以分析對目標(biāo)識別、目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)估計(jì)等的影響。
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Effect of noise interference on passive sonar system and simulation analysis
TANG Jian-sheng, HUANG Fu-li
(Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Beijing 100094, China)
In the paper, several typical effects of noise interference on passive sonar system are analyzed via signal processing method, which concern the key procedures of underwater passive sonar system, such as signal detection, DOA(Direction Of Arrival) estimation and system saturation. Three indices are introduced to evaluate the noise interference effects including the power ratio of signal to jammer, the error of estimated DOAand the block interference power. Simulation results that demonstrate the effect are given.
passive sonar system; noise interference; the power ratio of signal and jammer; the error of estimated DOA; the block interference power
TB556
A
1000-3630(2015)-05-0395-04
10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.05.003
2014-12-25;
2015-03-10
唐建生(1978-), 男, 陜西寶雞人, 高工, 工學(xué)博士,研究方向?yàn)樗暪こ獭?/p>
唐建生, E-mail: tjsnpu@163.com