朱坤安, 楊云川, 石 磊, 李 博, 郭 磊

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基于匹配相關(guān)的潛艇亮點(diǎn)方位估計(jì)方法

朱坤安1,2, 楊云川1, 石 磊1, 李 博1, 郭 磊1

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710077)

為了更可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇目標(biāo)亮點(diǎn)方位的估計(jì), 建立了潛艇目標(biāo)的多亮點(diǎn)回波模型, 采用匹配相關(guān)法對(duì)其進(jìn)行方位估計(jì), 并根據(jù)目標(biāo)的短時(shí)方位信息方差比環(huán)境背景的小這一特點(diǎn), 提出了剔除環(huán)境噪聲干擾的方法。仿真結(jié)果表明, 該模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)潛艇目標(biāo)回波的模擬, 使用環(huán)境噪聲剔除方法對(duì)采用匹配相關(guān)法得到的目標(biāo)方位進(jìn)行處理, 降低了環(huán)境噪聲對(duì)方位估計(jì)結(jié)果的干擾, 增加了潛艇目標(biāo)方位估計(jì)的可靠性。

潛艇; 亮點(diǎn)模型; 方位估計(jì); 匹配相關(guān)法

0 引言

在現(xiàn)代復(fù)雜的水下作戰(zhàn)環(huán)境下, 魚(yú)雷需要準(zhǔn)確快速發(fā)現(xiàn)、跟蹤和命中目標(biāo), 這就要求魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)須采用簡(jiǎn)單、有效的目標(biāo)識(shí)別方法。目前, 較為成熟和易于實(shí)現(xiàn)的識(shí)別技術(shù)主要有以下幾方面[1-2]: 1) 利用目標(biāo)回波信號(hào)的波束寬度及回波信號(hào)時(shí)延近似估計(jì)目標(biāo)尺度, 進(jìn)而判斷目標(biāo)真假; 2) 將目標(biāo)回波頻譜與預(yù)先存入的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比, 判斷目標(biāo)真?zhèn)? 3) 估計(jì)目標(biāo)亮點(diǎn)方位走向及其變化量來(lái)判斷目標(biāo)真?zhèn)? 4) 通過(guò)目標(biāo)回波的方位起伏頻譜, 來(lái)判斷目標(biāo)的真假。

當(dāng)目標(biāo)回波信號(hào)的信噪比較低時(shí), 采用方法1進(jìn)行目標(biāo)尺度估計(jì), 其識(shí)別結(jié)果可信度低, 不能成為魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)決策的依據(jù); 方法2需要預(yù)先收錄目標(biāo)不同姿態(tài)下回波信號(hào)的頻譜, 實(shí)際上這些信息的獲取會(huì)遇到各種困難, 使得目標(biāo)頻譜往往不可能完全獲取, 實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大; 使用方法3和方法4實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別, 都是在獲取目標(biāo)亮點(diǎn)方位的基礎(chǔ)上進(jìn)行的, 而如果獲取到的目標(biāo)方位信息受到環(huán)境噪聲干擾時(shí), 其估計(jì)結(jié)果將變得不可信, 最終導(dǎo)致錯(cuò)誤識(shí)別目標(biāo)。

鑒于此, 文中建立了潛艇目標(biāo)的多亮點(diǎn)回波模型, 該模型不僅考慮了潛艇目標(biāo)的尺度延展特性, 還考慮了潛艇表面的回波特性: 亮點(diǎn)回波和背景回波, 在得到潛艇回波信號(hào)的基礎(chǔ)上, 采用匹配相關(guān)法[3]來(lái)估計(jì)目標(biāo)方位信息, 并針對(duì)環(huán)境背景對(duì)方位的干擾提出了干擾剔除的方法。仿真結(jié)果表明, 潛艇目標(biāo)的多亮點(diǎn)回波模型能夠較真實(shí)的模擬潛艇回波, 環(huán)境噪聲剔除方法降低了環(huán)境噪聲對(duì)方位估計(jì)結(jié)果的干擾, 增加了潛艇目標(biāo)方位估計(jì)的可靠性。

1 潛艇目標(biāo)多亮點(diǎn)回波模型

理論分析和試驗(yàn)結(jié)果均表明, 在高頻情況下, 任何一個(gè)目標(biāo)的回波都是由若干子回波迭加而成, 而每個(gè)子回波都可以認(rèn)為是從某個(gè)散射點(diǎn)發(fā)出的, 當(dāng)這個(gè)散射點(diǎn)的目標(biāo)強(qiáng)度較大時(shí)就形成目標(biāo)的亮點(diǎn)[4], 否則這個(gè)散射點(diǎn)就是目標(biāo)的散射背景。這樣, 可以將潛艇目標(biāo)等效成若干個(gè)亮點(diǎn)和散射背景的組合, 每個(gè)亮點(diǎn)和散射背景都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回波, 潛艇目標(biāo)的多亮點(diǎn)回波模型就是這些回波的相干疊加形成的。

設(shè)魚(yú)雷自導(dǎo)發(fā)射信號(hào)為(), 接收到目標(biāo)回波信號(hào)為(), 魚(yú)雷與潛艇目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的徑向速度為, 根據(jù)文獻(xiàn)[5]介紹的點(diǎn)目標(biāo)回波的數(shù)學(xué)模型, 其回波可寫(xiě)成

對(duì)于潛艇這種大尺度水下目標(biāo)而言, 由于其尺度的延展特性, 造成亮點(diǎn)和散射背景在潛艇表面的分布位置不同, 魚(yú)雷聲吶基陣接收到的各亮點(diǎn)和散射背景回波的方位也不同, 每個(gè)反射點(diǎn)回波均可看作點(diǎn)目標(biāo)回波, 將目標(biāo)上的所有等效反射點(diǎn)的回波線(xiàn)性相干疊加, 即可得潛艇目標(biāo)回波信號(hào)。因此, 潛艇目標(biāo)總的回波信號(hào)可表示為

通常認(rèn)為目標(biāo)上各反射點(diǎn)速度相同, 因此可將式(2)改寫(xiě)為

當(dāng)目標(biāo)回波到達(dá)接收基陣時(shí), 還需考慮魚(yú)雷接收基陣的波束形成。設(shè)魚(yú)雷接收基陣采用水平線(xiàn)列陣, 陣元個(gè)數(shù)為, 陣元間距為。通常, 魚(yú)雷和目標(biāo)之間滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件, 因此認(rèn)為亮點(diǎn)回波信號(hào)在接收基陣上可看成平面波, 同一亮點(diǎn)回波信號(hào)入射方向相同, 不同亮點(diǎn)回波信號(hào)入射方向不同。根據(jù)圖1所示等效雙子陣的基陣結(jié)構(gòu)[6], 可求出某一亮點(diǎn)的回波在接收基陣陣元之間的時(shí)延

發(fā)射信號(hào)采用線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào), 表達(dá)式為

故, 當(dāng)使用常規(guī)波束形成時(shí), 魚(yú)雷基陣接收到的總回波信號(hào)為

2 匹配相關(guān)法目標(biāo)定向原理

匹配相關(guān)法是在匹配濾波器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的, 匹配濾波器是一個(gè)最佳線(xiàn)性濾波器, 其頻率響應(yīng)函數(shù)的表達(dá)式為

從式(9)可以看出, 匹配濾波器對(duì)振幅和時(shí)延不同的信號(hào)具有適應(yīng)性。因此, 利用這種特性可以求解分裂波束系統(tǒng)雙通道間的時(shí)延差。

根據(jù)圖1所示等效陣元結(jié)構(gòu), 設(shè)兩子陣接收到的某一亮點(diǎn)的回波信號(hào)分別為和, 且滿(mǎn)足

分別對(duì)兩通道回波信號(hào)做匹配相關(guān)處理, 當(dāng)通道1輸出波形在時(shí)達(dá)到最大, 則有

對(duì)比式(13)和式(14)可以看出, 兩通道時(shí)延差存在于它們比值的相位中

式中,f為回波信號(hào)的中心頻率, 滿(mǎn)足f=0, 此處的與式(1)中的相同。則目標(biāo)亮點(diǎn)方位為

由于水聲信道及魚(yú)雷工作環(huán)境的復(fù)雜性, 魚(yú)雷觀(guān)測(cè)到的回波信號(hào)會(huì)受到海洋環(huán)境噪聲、海洋混響和魚(yú)雷自噪聲等的干擾, 這些干擾來(lái)自空間不同方向上, 其方位分布無(wú)規(guī)律性, 短時(shí)方位方差較大, 而潛艇目標(biāo)為大尺度連續(xù)散射體, 其回波信號(hào)是潛艇表面各反射點(diǎn)回波疊加形成的。 因此, 采用匹配相關(guān)法估計(jì)得到的潛艇表面各亮點(diǎn)的方位信息具有連續(xù)性, 其短時(shí)方位方差要遠(yuǎn)小于沒(méi)有目標(biāo)存在時(shí)的方位方差。為了準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)視在張角大小, 進(jìn)而識(shí)別潛艇目標(biāo), 需要在求解目標(biāo)張角前將環(huán)境背景方位剔除。當(dāng)短時(shí)方位方差滿(mǎn)足

時(shí), 認(rèn)為當(dāng)前方位為目標(biāo)方位, 可信度高。其中:表示短時(shí)方位方差;表示目標(biāo)方位序列;表示時(shí)間窗的長(zhǎng)度;表示短時(shí)方差門(mén)限。

在剔除環(huán)境背景干擾后, 估計(jì)目標(biāo)視在張角大小, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)真?zhèn)蔚淖R(shí)別。

3 潛艇目標(biāo)方位估計(jì)仿真

仿真采用的發(fā)射信號(hào)形式為線(xiàn)性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM), 中心頻率30 kHz, 采樣頻率200 kHz, 脈寬0.05 s, 調(diào)頻帶寬2 kHz, 魚(yú)雷與潛艇距離500 m, 潛艇幾何尺度為80 m。仿真結(jié)果見(jiàn)圖2~圖6。其中: 圖3為估計(jì)的回波信號(hào)方位信息; 圖4為方位信息的短時(shí)方差; 圖5和圖6中, “o”形標(biāo)記位置為真實(shí)潛艇方位走向,“*”形標(biāo)記位置為估計(jì)得到的潛艇各反射點(diǎn)的方位走向。

圖5 潛艇目標(biāo)方位走向(干擾剔除后)

從圖2中可以看出, 根據(jù)文中提出的多亮點(diǎn)模型, 仿真得到的潛艇目標(biāo)回波不僅表現(xiàn)了潛艇的尺度特征(回波時(shí)間展寬), 還表現(xiàn)了艇體表面的反射特性(亮點(diǎn)和散射背景), 驗(yàn)證了模型的正確性。從圖3到圖6中可以看出, 在使用背景噪聲剔除方法將背景干擾剔除后, 利用剩余的目標(biāo)方位信息可準(zhǔn)確估計(jì)出目標(biāo)視在張角的大小。當(dāng)潛艇目標(biāo)的舷角為30°時(shí), 其真實(shí)幾何視在張角為5.36°, 從圖6中估計(jì)得到的目標(biāo)視在張角大小為4.83°, 兩者相差0.47°, 估計(jì)誤差較小, 可為進(jìn)一步識(shí)別潛艇目標(biāo)提供可靠依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為更可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇目標(biāo)亮點(diǎn)方位的估計(jì), 建立了潛艇多亮點(diǎn)回波的數(shù)學(xué)模型, 采用了基于匹配相關(guān)法的目標(biāo)方位估計(jì)方法, 并針對(duì)環(huán)境背景對(duì)方位的干擾提出了剔除干擾的方法。仿真結(jié)果表明, 文中所使用的潛艇目標(biāo)多亮點(diǎn)回波的數(shù)學(xué)模型可用于模擬潛艇目標(biāo)回波信號(hào), 在目標(biāo)方位估計(jì)的基礎(chǔ)上剔除背景干擾, 增加了目標(biāo)方位估計(jì)的準(zhǔn)確性, 可為潛艇目標(biāo)的識(shí)別提供可靠證據(jù)。

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A DOA Estimation Method of Submarine Highlight Based on Correlation Matching Algorithm

ZHU Kun-an1,2, YANG Yun-chuan1, SHI Lei1, LI Bo1, GUO Lei1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To improve reliability of the DOA estimation of submarine highlights, a multi-highlight echo model of a submarine was established based on the mathematical model of point target echo, and the DOA was estimated by using the correlation matching algorithm. And according to the characteristic that the variance of target short-time bearing information is smaller than that of environmental background, a method for eliminating interference of environmental noise was proposed. Simulation results show that the proposed model can simulate the echo signal of a submarine, and deal with the target bearing obtained by the correlation matching algorithm by means of the proposed environmental noise elimination method to reduce the interference of environmental noise and improve the reliability of submarine target DOA estimation.

submarine; highlight model; direction of arrival(DOA) estimation; correlation matching algorithm

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.02.006

TB566; TN911.7

A

1673-1948(2016)02-0111-04

2016-02-22;

2016-03-09.

朱坤安(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)槁曌詫?dǎo)信號(hào)處理技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)