趙申東，謝力波，李瑞紅

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

混響空時數(shù)據(jù)模型的建立與分析

趙申東，謝力波，李瑞紅

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

本文介紹了聲納空時自適應(yīng)處理 (STAP)的特點，能夠充分利用運動聲納混響空時分布的特性，獲得比常規(guī)方法更好的檢測性能，是一種有前途的進(jìn)行混響抑制的新方法。并分析了聲納和雷達(dá)工作環(huán)境及工作方式的異同，進(jìn)而給出了混響空時數(shù)據(jù)的模型及組織方式，為STAP 抗混響的實現(xiàn)提供了依據(jù)。

混響；空時自適應(yīng)處理；數(shù)據(jù)模型

STAP 算法是在雷達(dá)信號處理中發(fā)展起來的，而且多用于 AEW 雷達(dá)地物雜波的抑制。世界各國爭相發(fā)展的新型 AEW 雷達(dá)均采用了脈沖多普勒（PD）體制，該雷達(dá)同時具有高距離分辨率和高多普勒分辨率的優(yōu)點，因而受到了越來越多的重視。聲納和雷達(dá)的信號處理系統(tǒng)之間有著許多相似之處，但是，由于它們各自信號的傳播存在著顯著的差異，因此導(dǎo)致它們的信號處理方法亦有著明顯的差別。

1 聲納與雷達(dá)工作方式的異同

聲納與PD雷達(dá)工作在不同的環(huán)境下，聲納的工作環(huán)境要比雷達(dá)的工作環(huán)境復(fù)雜得多。當(dāng)速度是z的線性函數(shù)時，射線的幾何軌跡應(yīng)是一個圓弧，它的半徑與速度梯度及射線的傾角有關(guān)。在實際情況中，海水中經(jīng)常會出現(xiàn)表面波導(dǎo)，這種聲道的存在不論對作用距離還是對自然噪聲皆有重大的影響，所以聲波在海洋中的傳播是非常復(fù)雜的問題，會出現(xiàn)嚴(yán)重的多途效應(yīng)。為分析方便起見，可將海洋介質(zhì)視為水下聲信道，它不但對目標(biāo)信號進(jìn)行能量變換（聲傳播損失），而且它對聲源的發(fā)射波形也進(jìn)行變換，它是時變、空變的隨機信道。聲波是目前已知的在海洋中傳播最遠(yuǎn)的能量形式，然而同電磁波的速度相比，聲波的傳播速度非常慢，這一特點決定了聲納在工作方式上必然不同于PD雷達(dá)。

PD雷達(dá)是一種利用多普勒效應(yīng)檢測目標(biāo)信號的脈沖雷達(dá)，它采用了相參技術(shù)，這是雷達(dá)技術(shù)的一大飛躍。相參是指信號之間保持嚴(yán)格的相位關(guān)系，在雷達(dá)中可以利用相參提取目標(biāo)的有關(guān)信息。早期的普通脈沖雷達(dá)都是非相參系統(tǒng)，它們只是利用發(fā)射脈沖和回波脈沖的時間差提取目標(biāo)的距離信息。當(dāng)在目標(biāo)距離相等處存在大量的干擾物的反射波時，微弱的目標(biāo)回波就會被淹沒。20 世紀(jì) 60 年代以后興起的作戰(zhàn)飛機的低空高速突防方式，就是利用了非相參雷達(dá)的這一弱點，大地和海浪雜波為進(jìn)攻飛機提供了隱蔽和安全的保證。相參技術(shù)的引入，使上述問題得到一定程度的解決。因為當(dāng)用時間差無法區(qū)分目標(biāo)與背景干擾時，用速度卻可以輕易地把它們區(qū)別開來。從運動目標(biāo)反射的回波信號頻率有別于固定目標(biāo)回波的頻率，利用這一差別就可以將運動目標(biāo)和其它干擾區(qū)分開。

由于聲波具有較慢的傳播速度，從發(fā)射信號到接收回波的時間比較長，出于搜索效率和工作環(huán)境復(fù)雜程度等方面的考慮，聲納系統(tǒng)多采用單個脈沖搜索方式，且發(fā)射時采用寬波束。如果主動聲納也采用與PD雷達(dá)相類似的脈沖串的檢測方式，首先由于聲速太慢，檢測周期太長，不符合先敵發(fā)現(xiàn)的原則；另外，由于水聲環(huán)境更為復(fù)雜，信號的時間相干半徑相對較小，當(dāng)探測距離較遠(yuǎn)時，脈沖串中不同脈沖間難以保持穩(wěn)定的相位關(guān)系，從而無法在較遠(yuǎn)距離上實施脈間測頻。單頻窄脈沖信號具有較高的距離分辨率和較小的檢測盲區(qū)，但是其頻率分辨能力卻很低，對多普勒頻移不敏感；長CW 脈沖具有良好的頻率分辨率，適合于探測低速運動目標(biāo)，并且具有較高的能量，有利于提高小目標(biāo)的探測能力，缺點是距離分辨率較差。對于其他的大時間帶寬積信號而言，它們同時具有高距離分辨率和頻率分辨率，但是對于 STAP 方法而言，這些信號波形復(fù)雜，在空時平面上占據(jù)的范圍較大，不利于STAP 處理。主動聲納需要在一個脈沖的回波內(nèi)同時完成目標(biāo)距離和頻移的估計（對應(yīng)于徑向運動速度的估計），這就需要選擇合適的脈寬和帶寬。PD雷達(dá)脈沖寬度很窄，單個脈沖測頻精度太低，需要依靠不同脈沖間的相位信息來測定目標(biāo)的頻移，采用這種機制的雷達(dá)不可避免地會出現(xiàn)距離模糊或速度模糊問題。高 PRF 會帶來距離模糊，低 PRF 會帶來速度模糊，中 PRF會使速度和距離均產(chǎn)生模糊。而采用單個脈沖工作的主動聲納，通過選擇足夠大的脈沖重復(fù)間隔（PRI）可以避免距離模糊，通過選擇足夠大的接收帶寬和足夠高的采樣率可以避免速度模糊。聲納和雷達(dá)在工作環(huán)境和工作方式上的不同決定了進(jìn)行 STAP 時，聲納接收信號的數(shù)據(jù)組織方式也是有別于雷達(dá)系統(tǒng)的。

2 混響空時數(shù)據(jù)模型

PD雷達(dá)采用相干脈沖串作為發(fā)射波形，脈沖串內(nèi)的每個子脈沖均為窄脈沖。在一個相干處理間隔（CPI）內(nèi)，得到所有 K 個脈沖的回波數(shù)據(jù)后，可以很自然地將接收數(shù)據(jù)按照距離門的方式進(jìn)行排列，目標(biāo)的搜索也是按距離門進(jìn)行的，具體如圖1（a）所示。其中陰影部分表示待檢測的距離門數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點數(shù)為 KN× ，其它距離門數(shù)據(jù)為輔助樣本，用來估計干擾協(xié)方差矩陣，以得到 STAP 的加權(quán)系數(shù)。

圖1 PD 雷達(dá)與聲納數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

多數(shù)聲納采用單個脈沖工作方式，即在一個探測周期內(nèi)發(fā)射一個脈沖信號，所有的N個陣元接收到連續(xù)的混響回波，經(jīng)時間采樣后得到N個數(shù)據(jù)序列，具體見圖1（b）所示。假設(shè)發(fā)射脈沖寬度為τ，則理想情況下點目標(biāo)的回波是包含在長度約為τ的一段混響內(nèi)，從接收到的N個序列中截取長度為τ的一段作為待檢數(shù)據(jù)（假設(shè)包含K個時間采樣點），如圖中陰影部分所示，數(shù)據(jù)點數(shù)為 KN× 。在進(jìn)行STAP 處理時，該段數(shù)據(jù)完整地包含了目標(biāo)的信息，其地位就等同于雷達(dá)中待檢距離門數(shù)據(jù)，時間采樣點數(shù) K 就等同于雷達(dá)中一個 CPI內(nèi)的脈沖個數(shù)。 N個混響序列中其他部分的數(shù)據(jù)也稱為輔助樣本，與PD雷達(dá)的輔助樣本不同，這些樣本的時間點數(shù)并不一定恰好就等于目標(biāo)信號的點數(shù)K，一般是大于K。在進(jìn)行干擾協(xié)方差矩陣的估計時，需要從中選擇與待檢數(shù)據(jù)同樣大小的數(shù)據(jù)點數(shù)（ KN× ）作為一個有效的輔助樣本，具體選擇方式要與待檢數(shù)據(jù)一致。

雷達(dá)中一個 CPI內(nèi)的脈沖個數(shù) K 就是 STAP 的時域自由度。如果所檢測的距離門存在目標(biāo)的話，那么這一個距離門上K個脈沖中就完整包含了目標(biāo)的信息，并且K越大，其頻率分辨率越高，距離分辨率取決于單個脈沖的脈寬。同樣，如果聲納發(fā)射脈沖寬度為τ的脈沖，τ越大，則頻率分辨率越高，但是距離分辨率卻會隨之降低，所以脈寬τ的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的需要，在頻率分辨率和距離分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡折衷。

3 STAP 進(jìn)行混響抑制的應(yīng)用

根據(jù)信號的特點，用 STAP 來進(jìn)行混響抑制主要可用于以下三個方面。

3.1 魚雷自導(dǎo)聲納

魚雷是一種重要的水中兵器，它可裝載于水面艦艇、潛艇或由飛機攜帶，用于攻擊敵水面艦船或潛艇。自導(dǎo)裝置作為現(xiàn)代魚雷最重要的組成部分之一，其性能好壞直接決定著魚雷的性能，影響著魚雷的作戰(zhàn)使用效果。魚雷具有高速運動的特點，而且工作頻率高，這樣，根據(jù)多普勒頻移的基本規(guī)律，由于雷體運動而導(dǎo)致的混響譜展寬現(xiàn)象非常嚴(yán)重。通常低速運動目標(biāo)的回波均會落在混響頻移范圍內(nèi)，從而被強混響所掩蓋，采用常規(guī)的檢測方法難以取得好的效果。如果采用 STAP 處理，處理器的空時響應(yīng)能夠與接收到的混響空時二維譜相匹配，在強混響的位置處形成一定深度和寬度的凹口，在保證目標(biāo)信號能順利通過的前提下盡量壓低剩余混響的強度。魚雷自導(dǎo)聲納通常都是前視陣（陣列的軸線方向與陣列的運動方向垂直），這種結(jié)構(gòu)的陣列混響譜在空時平面上分布較為復(fù)雜，給 STAP 處理增加了難度。

3.2 主動拖線陣聲納

目前拖線陣聲納已成為水面艦艇和潛艇的最重要的聲納裝備之一，為了滿足探測安靜型潛艇的需要，現(xiàn)代拖線陣多具備主/被動聯(lián)合方式工作的能力。當(dāng)艦艇具有一定的運動速度時，主動拖線陣的混響同樣會出現(xiàn)譜擴展的現(xiàn)象，不同方位的混響具有不同的多普勒頻移。而且拖線陣陣元的排列方向是與艦艇的運動方向一致的，以此種方式布置的聲基陣所接收的混響在頻移與方位余弦平面上雖然也是呈現(xiàn)二維分布，但是混響頻移與混響方位的余弦具有簡單的線性關(guān)系，這一簡單的關(guān)系有利于STAP 發(fā)揮出更佳的性能。

3.3 共形陣及其他類型的運動基陣

為了充分利用聲納載體的空間，增大基陣的尺寸，在魚雷頭部或是艦艇的艇體上可以按照各自的形狀來布置陣元，即魚雷共形陣和艦殼聲納。為了使聲納基陣遠(yuǎn)離本艦噪聲，并且使其處于良好的水聲環(huán)境中，探潛用的變深聲納（VDS）是用一根載重纜拖著的，通過改變纜長來實現(xiàn)上述目的。

以上的基陣形式都可以采用 STAP 方法進(jìn)行混響的抑制。

從原理上講，全維 STAP 方法適用于任意結(jié)構(gòu)的基陣，只是不同的基陣結(jié)構(gòu)會影響降維 STAP 的實際效果，而某些降維方法對共形陣是不適用的。如果基陣是固定不動的，混響在不同方位上的頻移是相同的，采用 STAP 難以體現(xiàn)其空時聯(lián)合處理的優(yōu)勢，相反還會增加系統(tǒng)的運算量，所以 STAP 更適合于運動平臺聲納混響的抑制。

4 結(jié)語

雖然 STAP 在水聲領(lǐng)域的發(fā)展較晚，并且水下復(fù)雜的環(huán)境也給 STAP 增加了難度，但是 STAP 所帶來的處理性能的顯著改善還是引起了人們的關(guān)注，將已經(jīng)發(fā)展得較為成熟的 STAP 技術(shù)加以改造，用到主動聲納混響的抑制上來，將會使得聲納的探測效果得到很大的改善。

[1]空時自適應(yīng)處理原理（第 3 版）[M]. 高等教育出版社，2009.

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