鄭海生

(中國人民解放軍91640部隊, 廣東 湛江 524064)

引言

隨著信號處理技術(shù)和水下制導(dǎo)探測技術(shù)的發(fā)展，研究精準(zhǔn)制導(dǎo)的水中兵器，能實現(xiàn)對敵目標(biāo)的精確打擊，魚雷作為能自主航行、自主攻擊和精確制導(dǎo)的水下制導(dǎo)武器，成為海軍作戰(zhàn)的主要武器系統(tǒng)之一，其作戰(zhàn)性能優(yōu)化和改進升級受到各國海軍裝備系統(tǒng)研究部門的重視[1]。水中兵器的自導(dǎo)系統(tǒng)是整個制導(dǎo)裝置的核心，當(dāng)前新型水中兵器的自導(dǎo)系統(tǒng)采用主動和被動自導(dǎo)的兩種工作方式，通過發(fā)射聲脈沖信號和接收輻射聲信號，實現(xiàn)目標(biāo)檢測和識別。在目標(biāo)檢測過程中，采用參數(shù)估計方法和多普勒估計方法，實現(xiàn)對目標(biāo)的方位、速度和距離等參數(shù)的準(zhǔn)確估計，提高對目標(biāo)的攻擊和打擊能力，研究水下制導(dǎo)武器的目標(biāo)檢測算法，在提高水中兵器特別是魚雷的對敵目標(biāo)搜索和攻擊能力方面具有重要意義[2]。

為了提高水中兵器自導(dǎo)系統(tǒng)對目標(biāo)的主動檢測能力，本文提出一種基于自動增益控制和接收波束形成的水下目標(biāo)檢測算法。首先構(gòu)建目標(biāo)檢測的信號模型，采用自導(dǎo)接收機接收聲脈沖本振信號，根據(jù)自導(dǎo)接收的聲信號采用差頻信號處理方法生成方波信號，經(jīng)濾波后輸出至自導(dǎo)接收機中構(gòu)成自導(dǎo)接收波束[3]。然后進行信號波束形成處理，采用數(shù)控衰減器進行信號動態(tài)壓縮處理，提高接收機輸出信號的平穩(wěn)性，采用自動增益控制方法增大數(shù)控衰減碼，加大接收通道的實際放大增益。采用波束形成方法提高接收波束的信噪比，采用頻譜移相求和方法得到接收波束輸出信號的頻譜，實現(xiàn)自導(dǎo)系統(tǒng)對水下目標(biāo)的檢測和參數(shù)估計優(yōu)化，最后進行仿真實驗分析，展示了本文方法在提高水下制導(dǎo)武器的自導(dǎo)系統(tǒng)目標(biāo)檢測能力方面的優(yōu)越性能。

1 自導(dǎo)系統(tǒng)的聲信號接收處理

1.1 本振信號模型

為了實現(xiàn)對自導(dǎo)系統(tǒng)的主動目標(biāo)信號檢測，采用主動自導(dǎo)工作方式，發(fā)射CW聲脈沖信號，采用多個接收波束進行信號頻譜分析，結(jié)合高速信號處理器DSP進行目標(biāo)檢測和參數(shù)估計，數(shù)字信號處理器DSP22輸出接收波束至收發(fā)隔離裝置[4]，采用FM回波匹配濾波方法進行信號抗干擾設(shè)計，構(gòu)建本振信號模型：

(1)

其中，p為分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的階數(shù)，自導(dǎo)接收機通過差頻信號處理方法進行輸出變頻處理，當(dāng)α=pπ/2，本振信號時頻處理的變換核為：

Kp(t,u)=

(2)

其中，n為整數(shù)，即n∈Z。

自導(dǎo)接收機接收到聲脈沖信號后，在程序控制作用下，產(chǎn)生特定頻率的方波信號，本振信號的方波輸出Xp(u)可以表示為：

Xp(u)=

(3)

式(3)表示對輸入的聲脈沖信號的分?jǐn)?shù)階Fourier變換，可以理解為自導(dǎo)系統(tǒng)的輸入聲脈沖信號在時頻平面內(nèi)時間坐標(biāo)軸內(nèi)的空間波束，輸出波束繞任意角度a=pπ/2(π/2的非整數(shù)倍，即p為分?jǐn)?shù))后進行多普勒頻譜處理，提高水平面和垂直面的波束指向性[5]。根據(jù)目標(biāo)方位信息以及目標(biāo)的其它分布信息，得到自導(dǎo)系統(tǒng)檢測目標(biāo)的輸出包絡(luò)特征為：

(4)

其中，a(t)稱為復(fù)信號z(t)的瞬時幅度，φ(t)稱為瞬時相位。根據(jù)自導(dǎo)接收的聲信號，采用差頻信號處理方法生成方波信號，經(jīng)濾波后，在如下檢測門限下進行目標(biāo)檢測判決：

xmin, j=max{xmin, j,xg, j-ρ(xmax, j-xmin, j)}

(5)

xmax, j=min{xmax, j,xg, j+ρ(xmax, j-xmin, j)}

(6)

根據(jù)上述構(gòu)建的本振信號模型，將信號輸入到自導(dǎo)接收機的36通道差頻放大器中，實現(xiàn)信號的變頻處理[6]。

1.2 自動增益控制

水下制導(dǎo)武器的自導(dǎo)系統(tǒng)包含數(shù)控衰減器和自動控制器，自導(dǎo)接收機采用數(shù)控衰減器進行信號動態(tài)壓縮處理，當(dāng)目標(biāo)回波信號x(k)=s(k)+w(k)是寬平穩(wěn)的聲脈沖信號時，采用4階累積量估計方法進行時頻分析和動態(tài)壓縮處理，接收機輸出的寬平穩(wěn)4階累積量為：

(7)

3〈x(n)x(n+τ)〉〈x2(n+τ)〉

(8)

如果檢測到的信號的幅度值超過期望范圍，對數(shù)控衰減碼g(n)取均值，其數(shù)學(xué)表達如下：

(9)

若檢測目標(biāo)環(huán)境的海洋混響w(n)為高斯噪聲，則：

(10)

若海洋混響w(n)為非高斯色噪聲，采用自動增益控制方法，得到的4階混合累積量切片為：

(11)

此時：

(12)

其中，γ代表對目標(biāo)檢測環(huán)境的海洋環(huán)境噪聲w(n)取峰度。

2 信號波束形成及目標(biāo)檢測算法優(yōu)化

在采用自導(dǎo)接收機接收聲脈沖本振信號和自動增益控制處理的基礎(chǔ)上，進行水下自導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測優(yōu)化算法設(shè)計，本文提出一種基于自動增益控制和接收波束形成的水下目標(biāo)檢測算法，設(shè)自導(dǎo)系統(tǒng)接收信號y(t)為待檢測的目標(biāo)聲脈沖回波s(t)和海洋環(huán)境噪聲n(t)的疊加之和，即：

y(t)=s(t)+n(t)

(13)

采用波束形成方法提高接收波束的信噪比[8]，此時檢測目標(biāo)信號的時頻變換為：

Yp(u)=Fa[y(t)]>=Fa[s(t)+n(t)]>=

Fa[s(t)]>+Fa[n(t)]>

(14)

構(gòu)建一個4階累積量后置算子提高波束形成的空間指向性：

(15)

采用頻譜移相求和方法得到接收波束輸出信號的頻譜[9]，在特定的指向性空間中，接收波束輸出的瞬態(tài)頻譜可寫作如下數(shù)學(xué)形式：

(16)

計算36通道信號的頻譜特征為：

(17)

采用分布式目標(biāo)方位估計[10]，得到多普勒基波信號形式為：

y1(t)=A1(t)exp{j2π[F(t-ta)ln(t-ta)-

F(t-ta)-FlnDt+fe1t]}

(18)

計算混響和噪聲頻譜，得到諧波信號表示為：

y2(t)=A2(t)exp{j2π[F(t-ta)ln(t-ta)-

F(t-ta)-FlnDt+fe2t]}

(19)

其中，fe1為波束域截止頻率，fe2為諧波截止頻率。將分布式目標(biāo)方位估計的一階近似法引入到波束域，得到多普勒寬帶信號模型為：

u[s(t-τ0)]

(20)

采用頻譜移相求和方法得到接收波束輸出信號的頻譜，進行目標(biāo)檢測和參數(shù)估計，得到自導(dǎo)接收波束信號u(t)的目標(biāo)參數(shù)估計值為：

ψ(s,τ)=|χws(s,τ)|2

(21)

通過上述處理，采用分布式波束形成方法，實現(xiàn)對自導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測和參數(shù)估計，提高接收波束的指向性。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本文算法在實現(xiàn)自導(dǎo)系統(tǒng)對敵目標(biāo)檢測中的性能，進行仿真實驗，實驗采用Matlab 7仿真軟件設(shè)計，實驗中的聲脈沖基陣采用16個陣元的均勻線列陣，波束中心方向為(-18°,+14°)，干擾信噪比為10 dB，目標(biāo)擴展角度設(shè)為5°, 8°，根據(jù)上述仿真參量設(shè)定，進行目標(biāo)回波信號采集，得到采集信號波形如圖1所示。

圖1 目標(biāo)信號波形

以圖1采樣的目標(biāo)信號為研究對象，采用本文設(shè)計的波束形成算法進行目標(biāo)檢測和方位估計，得到波束方向圖檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 波束方向圖檢測結(jié)果

分析圖2得知，采用本文方法進行自導(dǎo)系統(tǒng)的主動目標(biāo)檢測，輸出波束圖的指向性較好，具有很好的旁瓣抑制能力，波束中心方向角的準(zhǔn)確估計能力較強，說明目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性和對目標(biāo)的方位估計準(zhǔn)確性較高。采用不同方法測試目標(biāo)檢測準(zhǔn)確性，采用1 000次蒙特卡洛實驗，得到檢測性能ROC圖如圖3所示。分析圖3得知，本文方法進行目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性高于傳統(tǒng)方法。

圖3 檢測性能曲線

4 結(jié)束語

本文研究水下制導(dǎo)武器的自導(dǎo)系統(tǒng)目標(biāo)檢測問題，提出一種基于自動增益控制和接收波束形成的水下目標(biāo)檢測算法。采用自導(dǎo)接收機接收聲脈沖本振信號，根據(jù)自導(dǎo)接收的聲信號采用差頻信號處理方法生成方波信號，經(jīng)濾波后輸出至自導(dǎo)接收機中構(gòu)成自導(dǎo)接收波束。自導(dǎo)接收機采用數(shù)控衰減器進行信號動態(tài)壓縮處理，提高接收機輸出信號的平穩(wěn)性，采用自動增益控制方法增大數(shù)控衰減碼，加大接收通道的實際放大增益。采用波束形成方法提高接收波束的信噪比，采用頻譜移相求和方法得到接收波束輸出信號的頻譜，實現(xiàn)自導(dǎo)系統(tǒng)對水下目標(biāo)的檢測和參數(shù)估計。研究得知，采用本文方法進行水下目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性較好，抗海洋混響干擾能力較強，目標(biāo)波束的指向性和旁瓣抑制能力較好。