林 楠 韓樹平 柳文明 徐景峰

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266042）

干擾條件下的水聲直擴(kuò)信號(hào)非合作檢測方法?

林 楠 韓樹平 柳文明 徐景峰

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266042）

為了將倒譜法應(yīng)用于周期性脈沖干擾和船舶輻射噪聲條件下的水聲直擴(kuò)信號(hào)的非合作檢測，通過處理海上實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了周期性脈沖信號(hào)和船舶輻射噪聲的倒譜特征；采用頻譜分析和倒譜聯(lián)合檢測法有效抑制了倒譜檢測中周期性脈沖干擾的影響；采用倒譜—小波分解聯(lián)合檢測法提高了船舶輻射噪聲背景下直擴(kuò)信號(hào)檢測的性能，并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。該研究對(duì)復(fù)雜水聲環(huán)境下直擴(kuò)信號(hào)的非合作檢測方法的研究有一定借鑒意義。

水聲直擴(kuò)信號(hào)；倒譜檢測；周期性脈沖干擾；船舶輻射噪聲

ClassNum ber TB567

1 引言

目前，水聲直擴(kuò)信號(hào)的非合作檢測法主要有：自相關(guān)檢測法［1］，循環(huán)譜檢測法［2］和倒譜檢測法［3］等，其中倒譜檢測法因?yàn)橛?jì)算速度快、可實(shí)時(shí)檢測，已得到廣泛應(yīng)用［4］。具有周期特性的直擴(kuò)信號(hào)經(jīng)過倒譜處理后會(huì)在偽碼整數(shù)倍周期處出現(xiàn)峰值，以此實(shí)現(xiàn)直擴(kuò)信號(hào)的倒譜檢測。海洋環(huán)境［5］中的周期性脈沖信號(hào)和船舶輻射噪聲本身的周期特性對(duì)水聲直擴(kuò)信號(hào)倒譜檢測結(jié)果的影響不容忽略。為解決這一問題，本文通過處理海上實(shí)測數(shù)據(jù)，首先分析了周期性脈沖干擾和船舶輻射噪聲對(duì)水聲直擴(kuò)信號(hào)倒譜檢測產(chǎn)生的具體影響，然后針對(duì)具體的影響分別采用了頻譜與倒譜聯(lián)合檢測法實(shí)現(xiàn)了周期性脈沖干擾的抑制和采用倒譜—小波分解聯(lián)合檢測法提高了船舶輻射噪聲影響下直擴(kuò)信號(hào)檢測性能，并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 直擴(kuò)信號(hào)倒譜檢測

倒譜［3］定義為

假設(shè)直擴(kuò)信號(hào)為

式中：d(t)是信息碼，p(t)是偽隨機(jī)碼，ωc=2πfc是載波角頻率，φ0是初始相位。

直擴(kuò)信號(hào)的功率譜為式中：C=A2/4?P+1/P2，P是偽隨機(jī)碼每周期碼元數(shù)，Tc是偽隨機(jī)碼的碼元寬度，PTc是偽隨機(jī)碼的時(shí)間周期，sd(f)是信息碼的功率譜。

直擴(kuò)信號(hào)的對(duì)數(shù)功率譜為

對(duì)上式進(jìn)行逆傅里葉變換，求模平方后得到倒譜，其仍存在三個(gè)分量：功率譜幅度脈沖，擴(kuò)頻碼寬度脈沖和在擴(kuò)頻碼整數(shù)倍周期處出現(xiàn)的周期性脈沖，據(jù)此可以通過倒譜域出現(xiàn)的周期性峰值來檢測直擴(kuò)信號(hào)。

圖1為高斯白噪聲背景下直擴(kuò)信號(hào)倒譜檢測仿真圖，仿真參數(shù)：DSSS信號(hào)的BPSK調(diào)制載頻為1kHz，采樣率取5kHz，時(shí)長 3.81s，取6個(gè)周期的偽碼序列和6位信息碼，信道為加性高斯白噪聲信道，信噪比為-4dB。由圖1出現(xiàn)的周期性峰值可判決出直擴(kuò)信號(hào)存在。

圖1 高斯白噪聲背景下DSSS信號(hào)的倒譜

3 周期性脈沖干擾影響下的檢測方法

本節(jié)利用海上實(shí)際接收的周期性脈沖信號(hào)分析其對(duì)水聲直擴(kuò)信號(hào)倒譜檢測的影響。實(shí)測信號(hào)的采樣頻率為5kHz，頻率1420Hz，每個(gè)脈沖寬度0.1s，脈沖間隔1s，總時(shí)長3.81s。其中：圖2中（a），（b）分別為周期性脈沖信號(hào)的時(shí)域圖和倒譜圖，圖3中（a），（b）分別為周期性脈沖干擾條件下直擴(kuò)信號(hào)的頻譜圖和倒譜圖。

周期性脈沖信號(hào)經(jīng)過倒譜處理后會(huì)出現(xiàn)峰值，如圖2（b）所示。所以，對(duì)含有周期性脈沖干擾的直擴(kuò)信號(hào)進(jìn)行倒譜檢測時(shí)，在倒譜域直擴(kuò)信號(hào)的周期峰與脈沖信號(hào)的干擾峰混合，脈沖重復(fù)次數(shù)越多，干擾峰越多，無法判決直擴(kuò)信號(hào)的存在，如圖3（b）所示。

圖3（a）所示為周期性脈沖干擾條件下直擴(kuò)信號(hào)的頻譜圖，直擴(kuò)信號(hào)為寬帶信號(hào)，帶寬為400Hz，中心頻率為1000Hz；脈沖信號(hào)為窄帶信號(hào)，頻率為1420Hz。從頻譜圖中可以看出周期性脈沖信號(hào)幅度遠(yuǎn)高于直擴(kuò)信號(hào)的最高幅度，當(dāng)信噪比較低時(shí)，在頻域無法直接觀察出直擴(kuò)信號(hào)，但是仍然可以看出周期性脈沖線譜的存在。

圖2 周期性脈沖信號(hào)

圖3 周期性脈沖干擾條件下的直擴(kuò)信號(hào)

以此可以設(shè)定檢測流程如下：首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，在頻域確定出脈沖頻率位置；然后根據(jù)脈沖頻率設(shè)置合適頻帶范圍的濾波器，接收信號(hào)通過濾波器后將脈沖頻率濾除；再將經(jīng)過濾波的信號(hào)進(jìn)行倒譜處理；最后，進(jìn)行周期峰檢測，如圖4所示。

圖5為經(jīng)過以上檢測流程后的檢測結(jié)果，選擇低通濾波器，截止頻率為1400Hz。信號(hào)通過濾波器，再進(jìn)行倒譜分析，倒譜域中脈沖信號(hào)的干擾峰值消失，只剩下直擴(kuò)信號(hào)的周期峰（圖5（b）），達(dá)到了抑制周期性脈沖干擾的目的。圖3（b）和圖5（b）分別是周期性脈沖抑制前、后的檢測結(jié)果。

圖4 周期性脈沖干擾下直擴(kuò)信號(hào)檢測流程圖

圖5 改進(jìn)后的檢測結(jié)果

4 船舶輻射噪聲影響下的檢測方法

本節(jié)利用海上實(shí)測的船舶輻射噪聲進(jìn)行研究，船舶速度17節(jié)，采樣頻率取5kHz，時(shí)長3.81s。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，船舶輻射噪聲［6］經(jīng)過倒譜處理后不會(huì)出現(xiàn)峰值，其對(duì)于直擴(kuò)信號(hào)倒譜檢測法的影響主要在于信噪比。傳統(tǒng)的倒譜檢測法可以實(shí)現(xiàn)的最低信噪比為-20dB，為了提高檢測閾，根據(jù)小波分解在具有脈沖峰值信號(hào)檢測中的優(yōu)勢［7］，采用倒譜—小波分解聯(lián)合檢測法，改進(jìn)的檢測流程為圖6所示。

圖6 倒譜—小波分解檢測流程圖

如圖7所示，船舶輻射噪聲的倒譜沒有峰值出現(xiàn)，說明了雖然船舶輻射噪聲本身具有周期成分，但是在船舶輻射噪聲影響下的直擴(kuò)信號(hào)倒譜檢測結(jié)果中不會(huì)出現(xiàn)其它峰值的干擾。

信噪比較高時(shí)，船舶輻射噪聲影響下的直擴(kuò)信號(hào)經(jīng)過倒譜處理會(huì)出現(xiàn)周期峰，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測，如圖8（a）所示；當(dāng)信噪比降至-21dB時(shí)，周期峰被完全淹沒，無法檢測出信號(hào)，如圖8（b）所示。但是，信噪比為-23dB的接收信號(hào)經(jīng)過倒譜—小波分解聯(lián)合檢測法后仍然可以出現(xiàn)明顯的周期峰，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測，說明了倒譜—小波分解聯(lián)合檢測法相比于傳統(tǒng)倒譜法的檢測性能提高，如圖9所示。

圖7 船舶輻射噪聲的倒譜圖

圖8 船舶輻射噪聲背景下的直擴(kuò)信號(hào)倒譜圖

圖9 倒譜—小波分解聯(lián)合檢測結(jié)果圖（SNR=-23dB）

將最大譜線幅度與倒譜平均幅度的比值作為檢測量，檢測門限由虛警概率確定。在虛警概率為0.01的條件下，分別進(jìn)行100次獨(dú)立仿真，得到不同信噪比下的檢測概率曲線，如圖10所示。

圖10 檢測性能仿真圖

由圖10所示，在船舶輻射噪聲背景下，傳統(tǒng)倒譜檢測法可以在信噪比最低為-20dB時(shí)檢測出直擴(kuò)信號(hào)的存在，而倒譜—小波分解聯(lián)合檢測法在信噪比為-23dB時(shí)仍然可以達(dá)到0.8的檢測概率，所以，倒譜-小波分解聯(lián)合檢測法達(dá)到了提高檢測性能的目的，可以實(shí)現(xiàn)約-3dB的信噪比增益。

5 結(jié)語

本文的研究結(jié)果表明：

1）周期性脈沖信號(hào)經(jīng)過倒譜處理會(huì)出現(xiàn)峰值，這導(dǎo)致倒譜檢測法無法實(shí)現(xiàn)在周期性脈沖干擾條件下水聲直擴(kuò)信號(hào)的非合作檢測；船舶輻射噪聲經(jīng)過倒譜處理不會(huì)出現(xiàn)峰值，其主要影響信號(hào)檢測的信噪比。

2）頻譜分析與倒譜聯(lián)合檢測方法可以有效抑制周期性脈沖干擾，實(shí)現(xiàn)周期性脈沖干擾條件下水聲直擴(kuò)信號(hào)的非合作檢測。

3）倒譜—小波分解聯(lián)合檢測方法可以提高船舶輻射噪聲背景下直擴(kuò)信號(hào)的檢測性能，信噪比增益約為-3dB。

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Non Cooperative Detection Method of Underwater Acoustic DSSS SignalUnder Disturbed Condition

LIN Nan HAN Shuping LIUWenm ing XU Jingfeng
（Navy Submarine Academy，Qingdao 266042）

In order to apply cepstrum to detect underwater acoustic signals in periodic impulsive interference and ship noise，through actual signal at sea，the cepstrum characterristics of periodic pulse signals and ship radiated noise are analyzed.Spectrum analysis and cepstrum are used to effectively suppress the pulse interference.Cepstrum and waveletdecompositionmethods are used to improve detection performance under ship noise.

underwateracoustic DSSSsignal，cepstrum，periodic impulsive interference，ship noise

TB567

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.010

2017年3月8日，

2017年4月27日

林楠，男，碩士研究生，研究方向：水聲直擴(kuò)信號(hào)截獲。韓樹平，男，教授，研究方向：水聲裝備技術(shù)及應(yīng)用。柳文明，男，博士，研究方向：水聲通信技術(shù)。徐景峰，男，講師，研究方向：水聲裝備技術(shù)及應(yīng)用。