張春雷 黃金星 王本猛 聶 晶 衛(wèi)紅凱

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.31010部隊 北京 100081）（3.92001部隊 青島 266000）

空時域?qū)捳瓗Щ祉懛植继匦匝芯?

張春雷1黃金星2王本猛3聶 晶1衛(wèi)紅凱1

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.31010部隊 北京 100081）（3.92001部隊 青島 266000）

研究了不同陣型配置下空時自適應(yīng)處理中窄帶混響和寬帶混響在空時平面上的分布特征。結(jié)果表明：窄帶體制下，帶寬小，混響和目標(biāo)有可分辨特征，寬帶體制下，帶寬影響不可忽視，混響和目標(biāo)在空時平面部分重疊，難以分辨。通過實測和仿真寬帶混響數(shù)據(jù)驗證了分析結(jié)果的正確性。

混響；空時分布；寬帶信號

ClassNum ber TB554

1 引言

為了對抗安靜型隱身潛艇，現(xiàn)代主動聲納技術(shù)普遍向低頻、寬帶、大功率方向發(fā)展［1］，這在提高聲納探測距離的同時，也使得主動聲納的特有干擾—混響背景增強(qiáng)。混響與目標(biāo)的形成機(jī)理相似，其與目標(biāo)的時、頻域特征往往耦合在一起，難以分辨，難以分離，使得傳統(tǒng)的時、頻域混響抑制方法效果不佳。

空時自適應(yīng)處理（space-timeadaptive processing，STAP）［2～12］是近年來出現(xiàn)的一種新的窄帶混響抑制方法，該方法利用，運動情況下混響和目標(biāo)在空時平面的分布特征差異（窄帶體制下，根據(jù)平臺運動方向與基陣軸向夾角不同，混響在空時平面表現(xiàn)為直線、圓或橢圓，目標(biāo)表現(xiàn)為一個點）來抑制混響。寬帶體制下，寬帶混響和窄帶混響的空時分布特性有無差異？寬帶混響和目標(biāo)在空時平面是否有可分辨特征？本文對此進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：不同于窄帶體制，寬帶體制下，帶寬的影響不可忽視，使得寬帶混響和目標(biāo)在空時分布平面部分重疊，難以分辨，傳統(tǒng)的空時自適應(yīng)處理方法效果不佳。

2 混響和目標(biāo)空時可分辨特征研究

窄帶可以看成是寬帶的特例，對窄帶混響空時特性的研究有助于理解寬帶混響的空時分布特性，首先研究窄帶混響和目標(biāo)空時分布特征。

2.1 窄帶混響和目標(biāo)空時可分辨特征

圖1為陣列及散射元空間位置圖，以陣列（圖中粗線所示）相位中心為原點，陣列軸向為X軸，其所在水平面為XOY平面，建立直角坐標(biāo)系。陣列以速度V運動，陣列軸線與基陣運動方向的夾角為δ（由聲納在載體平臺上的安放位置確定）。散射元P到基陣相位中心距離為R（稱為斜距），距離水平面高度為H，對應(yīng)的方位角和俯仰角分別為φ和θ，與陣列軸向的夾角（空間錐角）為α，與運動方向的夾角為β，則該散射元回波的多普勒頻率為

其中，fdmax=2vf0/c為最大多普勒頻率，f0為發(fā)射信號頻率，c為水中聲速。利用圖中各角度間的幾何關(guān)系，經(jīng)整理后有：

式（2）給出了混響多普勒頻率與α、δ、φ之間的關(guān)系。

圖1 陣列及散射元空間位置圖

根據(jù)不同使用場合和目的，典型的聲納基陣配置角度δ主要包括：正側(cè)視聲納（δ=0°），舷側(cè)陣、拖曳線陣等是這類中的典型代表；前視陣（δ=90°），這類典型的聲納基陣有球鼻艏、魚雷制導(dǎo)聲納等，下面分別進(jìn)行分析。

正側(cè)視陣時，式（2）可化簡為如下形式：

參量設(shè)定為：發(fā)射信號頻率 f0=750 Hz，平臺運動速度為10節(jié)，目標(biāo)徑向速度為20節(jié)，空間方位40°，則正側(cè)視陣聲納配置下混響和目標(biāo)空時分布如圖2所示。

前視陣時，式（2）可化簡為如下形式：

參量設(shè)定與正側(cè)視陣一致，則前視陣聲納配置下混響和目標(biāo)空時分布如圖3所示。

由圖2、3可見，混響的空時分布與聲納陣型配置有關(guān)，正側(cè)視陣配置下，混響空時曲線為直線，目標(biāo)為空時平面上一點，前視陣配置下，混響空時曲線為橢圓，目標(biāo)為空時平面上一點，混響和目標(biāo)在空時平面有可分辨特征，利用STAP可抑制混響。

圖2 正側(cè)視聲納配置下窄帶混響和目標(biāo)空時分布

圖3 前視聲納配置下窄帶混響和目標(biāo)空時分布

2.2 寬帶混響和目標(biāo)可分辨特征

圖4所示為中心頻率 f0，頻帶范圍 f1～f2的寬帶信號頻譜。為了便于研究寬帶體制下混響的空時分布，在信號帶寬內(nèi)取 M 個譜線f1m(m=1，2，…，M)。則寬帶混響的譜如下式所示：

其中，fdm為 f1m的多普勒頻率。

分析式（5）可知，對于窄帶混響，M=1（取f0=f11），以中心頻率 f0為基準(zhǔn)對混響頻譜進(jìn)行搬移，混響譜表現(xiàn)為混響的多普勒頻移。對于寬帶混響，M＞1，此時對混響進(jìn)行頻譜搬移，無法找到某一參考頻率，能夠同時將各子帶中心頻率搬移到零頻。即各能同時為零。因此，寬帶混響譜不僅包含多普勒頻移也包括信號帶寬內(nèi)的頻點。

圖4 寬帶信號頻譜示意圖

討論正側(cè)視陣聲納配置下，寬帶混響和目標(biāo)在空時二維平面分布，此時 fdm為

設(shè)發(fā)射信號帶寬為200Hz，其余參數(shù)與圖2相同，以信號初始頻率 f1=650 Hz為第一個采樣頻點，間隔5 Hz對信號頻譜取樣，此時寬帶混響和目標(biāo)空時分布如圖5所示。

圖5 正側(cè)視聲納配置下寬帶混響和目標(biāo)空時分布

同理可得到，前視陣聲納配置下 fdm如式（7）所示，此時寬帶混響和目標(biāo)空時分布如圖6所示。

圖6 前側(cè)視聲納配置下寬帶混響和目標(biāo)空時分布

由圖5、6可見，不同陣型配置下，混響的空時分布不同。正側(cè)視陣情況下，寬帶混響中不同譜線具有不同的斜率，斜率大小為帶寬內(nèi)各頻點對應(yīng)的最大多普勒倒數(shù)，且隨頻點增大而減小。各不同斜率斜線的疊加使寬帶混響在空時平面分布由窄帶情況下的斜線變?yōu)樘菪涡睅?，使寬帶混響和目?biāo)在空時平面部分重疊。前側(cè)視陣情況下，寬帶混響中不同譜線對應(yīng)不同的半橢圓，在空時平面表現(xiàn)為一系列長半軸逐漸增大，短半軸長度固定，橢圓中心逐漸增大的不規(guī)則正瓦片狀，使寬帶混響和目標(biāo)在空時平面部分重疊。重疊程度與信號中心頻率、帶寬、平臺運動速度、目標(biāo)方位、目標(biāo)徑向速度等因素有關(guān)，實際中，應(yīng)該根據(jù)具體情況分析。本節(jié)參數(shù)設(shè)置下，約94%的信號頻段與混響譜重疊。

因此，寬帶體制下，混響和目標(biāo)在空時平面無可分辨特征，傳統(tǒng)STAP效果不佳。

3 仿真實驗驗證

下面以正側(cè)視陣配置下仿真和實測寬帶混響和目標(biāo)的空時分布來驗證本文前述的理論分析。

仿真混響相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：聲納基陣采用80元均勻線列陣，陣元間距1m，海深70m，聲納陣入水深度10m，泥沙底質(zhì)，三級海況。發(fā)射信號中心頻率 f0=750Hz，帶寬 B=200Hz，脈寬T=432ms。平臺運動速度10節(jié)，目標(biāo)徑向運動速度25節(jié)，目標(biāo)方位60°。

圖4所示為仿真寬帶混響和目標(biāo)的空時分布。

圖7 正側(cè)視陣時仿真寬帶混響和目標(biāo)空時分布

從圖7可以看出，寬帶情況下，混響在空時平面為帶狀分布，且展開范圍大。目標(biāo)在其方位角上（cosα=0.5）的分布由窄帶時的點狀分布變成直線狀分布。受帶寬的影響，空時平面上混響和目標(biāo)部分重合，目標(biāo)譜的90%以上淹沒在混響譜中。

實測海試數(shù)據(jù)來源于三亞某海區(qū)。圖8所示為實測寬帶混響和目標(biāo)的空時平面分布圖。從圖中可以看出，實測寬帶混響在空時平面分布范圍大，與目標(biāo)重合程度高，與仿真寬帶混響一致。

圖8 正側(cè)視陣時實測寬帶混響和目標(biāo)空時分布

4 結(jié)語

本文通過推導(dǎo)分析了和比較了寬/窄帶混響和目標(biāo)在空時平面可分辨特征，結(jié)果表明：不同于窄帶體制下，空時平面上混響和目標(biāo)有可分辨特征，寬帶體制下，受帶寬影響，寬帶混響和目標(biāo)在空時平面部分重疊。重疊程度與信號中心頻率、帶寬、平臺運動速度、目標(biāo)方位、目標(biāo)徑向速度等因素有關(guān)，使傳統(tǒng)的STAP處理效果不佳。最后，通過實測和仿真寬帶混響數(shù)據(jù)驗證了分析的正確性。

［1］李啟虎.進(jìn)入21世紀(jì)的聲納技術(shù)［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2002，21（1）：13-18.

［2］王永良，彭應(yīng)寧.空時自適應(yīng)信號處理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.40-120.

［3］趙申東.主動聲納空時自適應(yīng)處理方法研究［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2008.

［4］詹昊可.主動聲納混響空時抑制方法研究［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2008.

［5］Klemm R．Adaptive airborne MTI：An auxiliary channel approach［J］.IEE Proc.，Part F：Communications，Radar and Signal Processing，1987，134（3）：269-276.

［6］Klemm R． Real-time adaptive airborne MTI，Part I：space-time processing［C］//Proc.of 1996 CIE Int.Conf，on Radar，Piscataway，NJ，USA：IEEE Press，1996：755-760.

［7］Klemm R． Real-time adaptive airborne MTI，part II：space-frequency processing［C］//Proc.of 1996 CIE Int.Conf.on Radar，Piscataway，NJ，USA：IEEE Press，1996：430-433.

［8］Wang H，Cai L J．On adaptive spatial-temporal processing for airborne surveillance radar systems ［J］.IEEE Trans.Aerospace Electronic System，1994，30（3）：660-669.

［9］Klemm R．Principle of space-time adaptive processing［M］.London： Institution of Electrical Engineers，2002.30-80.

［10］Anderson D B．Amicrowave technique to reduce platform motion and scanning noise in airbornemoving target radar［J］.IRE WESCON Conv Record，1958，2（1）：202-211.

［11］Trandoulas G N．Unidimensionally scanned phased arrays［J］.IEEE Trans.Antennas and Propagation，1973，28（1）：1383-1390.

［12］Brennan L，Reed I S． Theory of adaptive radar［J］.IEEE Trans.Aerospace Electronic System，1973，9（2）：237-252.

Study of Distribution Characteristicsof Narrowband and Wideband Reverberation in Space-time Domain

ZHANG Chunlei1HUANG Jinxing2WANG Benmeng3NIE Jing1WEIHongkai1
（1.Navy Engineering University，Wuhan 430033）
（2.No.31010 Troopsof PLA，Beijing 100081）
（3.No.92001 Troopsof PLA，Qingdao 266000）

The paper studies the space-time distribution characteristics ofnarrowband and wideband reverberation with different configuration of sonar array in space-time adaptive processing.The results show that the narrowband reverberation and target echo have distinguished characteristics in space-time plane，but thewideband reverberation and targetecho overlap in space-time plane due to the influence ofbandwidth.The validity ofanalytic result is verified by the simulated and trial reverberation data.

reverberation，space-time distribution，wideband signal

TB554

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.028

2017年3月7日，

2017年4月26日

張春雷，男，碩士研究生，助理研究員，研究方向：信息戰(zhàn)等。黃金星，男，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)分析。王本猛，男，工程師，研究方向：實驗數(shù)據(jù)處理。聶晶，女，工程師，研究方向：計算機(jī)信息與數(shù)據(jù)分析。衛(wèi)紅凱，男，講師，研究方向：水聲信號處理。