金素宇 盧得龍 周宗華 王國(guó)慶 王然

摘? 要：該文對(duì)主動(dòng)聲吶發(fā)射波形設(shè)計(jì)展開了研究，主要從確定信號(hào)形式及信號(hào)參數(shù)兩個(gè)方面分析，介紹了聲吶發(fā)射波形形式設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇的方法，從抗混響波形設(shè)計(jì)要求和多基地探測(cè)波形設(shè)計(jì)要求出發(fā)，分析了常規(guī)聲吶信號(hào)抗混響能力，以及適用于多基地探測(cè)的聲吶波形。并從兩個(gè)角度分析了針對(duì)不同任務(wù)目的進(jìn)行波形形式選擇的方法，為確定針對(duì)不同任務(wù)目的使用的主動(dòng)聲吶發(fā)射波形信號(hào)形式、信號(hào)參數(shù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)聲吶波形設(shè)計(jì)? 波形參數(shù)? 抗混響波形? 多基地探測(cè)波形

中圖分類號(hào)：U666.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）05（a）-0044-04

Abstract： In this paper， the design of active sonar waveform has been studied. Mainly from two aspects of deter-mining the signal form and signal parameters， it introduces the method of sonar waveform design and parameter selection. Starting from the design requirements of anti-reverberation waveform and the design requirements of multi-static detection waveform， analyze the anti-reverberation ability of conventional sonar signal， and sonar waveform suitable for multi-static detection. Analyze the method of selecting waveform form for different mission purposes from two perspectives， and provide a theoretical basis for determining the active sonar waveform signal form and signal parameters used for different mission purposes.

Key Words： Active sonar waveform design; Waveform parameters; Anti-reverberation waveform; Multi-static detection waveform

在主動(dòng)聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主動(dòng)聲吶發(fā)射波形是設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)。主動(dòng)聲吶的一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)就是能夠選擇發(fā)射波形和功率，進(jìn)而進(jìn)行水下探測(cè)和目標(biāo)跟蹤，因此發(fā)射波形的選擇能夠影響探測(cè)和跟蹤的效果。

1? 主動(dòng)聲吶發(fā)射波形設(shè)計(jì)方法

主動(dòng)聲吶發(fā)射波形設(shè)計(jì)分為兩個(gè)步驟，一是確定信號(hào)形式，二是確定信號(hào)參數(shù)。

首先，確定信號(hào)形式的基本原則從兩方面來(lái)考慮，一是從頻域方面考慮，信號(hào)分為窄帶和寬帶信號(hào)，窄帶信號(hào)一般能夠精確估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度參數(shù)，寬帶信號(hào)一般能夠進(jìn)行高精度時(shí)延估計(jì)或測(cè)距。二是從時(shí)域方面考慮，信號(hào)形式分為單脈沖、多脈沖和連續(xù)波形式，單脈沖邏輯簡(jiǎn)單，但在脈沖重復(fù)間隔時(shí)間內(nèi)無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，多脈沖是一次發(fā)射幾個(gè)脈沖，由相同脈沖或不同脈沖組成，通過(guò)等效脈沖長(zhǎng)度的增加，提高了聲吶性能，連續(xù)波[1]采用收發(fā)分置的方式進(jìn)行發(fā)射，周期性連續(xù)發(fā)射信號(hào)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)探測(cè)，有助于改善跟蹤性能，但在探測(cè)過(guò)程中需要對(duì)不斷受到的直達(dá)波干擾進(jìn)行抑制[2]。因此，要根據(jù)實(shí)際目的選擇信號(hào)形式。

主動(dòng)聲吶信號(hào)波形參數(shù)的設(shè)計(jì)一般考慮3點(diǎn)：工作頻率、帶寬、脈寬，其參數(shù)的選取要注意如下相關(guān)因素。

主動(dòng)聲吶接收信號(hào)的信噪比為（收發(fā)合置）：

式（1）中，SNR為信噪比;SL為聲源級(jí);TL為傳播損失;TS為目標(biāo)強(qiáng)度;DI為接收陣的接收指向性指數(shù);DT為檢測(cè)閾;NL為環(huán)境噪聲級(jí)。

若SNR≥DT，則系統(tǒng)可檢測(cè)到目標(biāo)。得到以噪聲為主要背景干擾主動(dòng)聲吶方程[3]：

在海域條件以及發(fā)射聲源級(jí)一定的條件下，為獲得更高的檢測(cè)性能需滿足SNR≥DT。

主動(dòng)聲吶信號(hào)的最佳工作頻率選擇的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式（3）中，fopt為最佳工作頻率（kHz）;rm為最大作用距離（km）。

主動(dòng)聲吶信號(hào)的帶寬B與時(shí)延分辨力成反比。信號(hào)脈寬一定的情況下，增大信號(hào)帶寬B有助于提高聲吶系統(tǒng)輸出信噪比，有利于提高信號(hào)檢測(cè)性能，但過(guò)分地增加帶寬會(huì)增加設(shè)備復(fù)雜性，對(duì)換能器要求較高，同時(shí)會(huì)破壞窄帶條件（Bf/0<10%～30%），反而降低了聲吶系統(tǒng)處理增益。

主動(dòng)聲吶信號(hào)脈寬T的增加會(huì)提高聲吶系統(tǒng)的頻率分辨力，增大脈寬有助于增大時(shí)間帶寬積，從而提高信號(hào)處理增益，但在收發(fā)合置的情況下，脈寬的增加相應(yīng)地會(huì)導(dǎo)致距離為cT/2的范圍內(nèi)的聲吶工作盲區(qū)的增大，不利于信號(hào)的檢測(cè)。

雙基地聲吶探測(cè)條件下，若不考慮回波展寬與多途的影響，直達(dá)波時(shí)延與信號(hào)脈寬之和大于目標(biāo)回波時(shí)延的情況下，目標(biāo)回波易被直達(dá)波所遮蔽，發(fā)射站與接收站的基線區(qū)形成目標(biāo)探測(cè)盲區(qū)。

其探測(cè)盲區(qū)面積為：

式（4）中，D為基線長(zhǎng)度;c為聲速;T為信號(hào)脈寬。

針對(duì)不同脈寬所造成的雙基地聲吶探測(cè)盲區(qū)面積進(jìn)行仿真，取發(fā)射站坐標(biāo)為（-10，0）km，接收站坐標(biāo)為（10，0）km，聲速為1 500 m/s。信號(hào)脈寬的等值線圖見(jiàn)圖1，每條等值線內(nèi)區(qū)域面積即為信號(hào)脈寬為該值情況下的雙基地聲吶探測(cè)盲區(qū)，基線長(zhǎng)度一定的情況下，信號(hào)脈寬越大，相應(yīng)探測(cè)盲區(qū)越大。

因此，針對(duì)信號(hào)脈寬的選擇也需要在大脈寬帶來(lái)的高處理增益和大探測(cè)盲區(qū)兩者之間進(jìn)行折中考慮。

2? 主動(dòng)聲吶信號(hào)波形設(shè)計(jì)

2.1 抗混響波形設(shè)計(jì)

混響會(huì)影響信號(hào)的接收，同時(shí)對(duì)聲吶作用距離造成一定影響[4]，信號(hào)的模糊度函數(shù)在一定程度上能夠反映出聲吶在混響干擾條件下的檢測(cè)能力，因此通過(guò)選擇抗混響性能較好的波形來(lái)提高抗混響增益。下面通過(guò)Q函數(shù)分析方法對(duì)常用聲吶信號(hào)抗混響能力進(jìn)行分析[5]。

Q函數(shù)是衡量聲吶混響輸出大小的標(biāo)準(zhǔn)，其值越小，代表發(fā)射信號(hào)混響輸出越小。定義為[6]：

式（5）中，χ（τ，ξ）為信號(hào)的模糊度函數(shù)，其定義為：

式（6）中，s（t）為信號(hào);τ為時(shí)延;ξ為多普勒頻移。

針對(duì)CW信號(hào)、LFM信號(hào)、M序列（10階）的Q函數(shù)進(jìn)行仿真，信號(hào)脈寬均為0.204 6 s，中心頻率1.5 Hz，采樣頻率15 Hz，幅度1 V，仿真圖如圖2所示，M序列的Q函數(shù)值最小，抗混響能力屬三者最優(yōu)。

2.2 多基地探測(cè)波形設(shè)計(jì)

在多基地探測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)之間的干擾會(huì)對(duì)多基地探測(cè)和定位能力產(chǎn)生影響，因此一般選擇自相關(guān)性好、互相關(guān)性盡量小的波形，使各個(gè)發(fā)射站的發(fā)射信號(hào)之間相互正交，達(dá)到分離非同源信號(hào)的目的。常用正交頻分線性調(diào)頻信號(hào)（OFDM LFM）以及正交Gold序列調(diào)相信號(hào)。

M組OFDM LFM信號(hào)[7]按照如下公式產(chǎn)生，每個(gè)發(fā)射站發(fā)射信號(hào)所占頻帶不同：

式中，w（t）為窗函數(shù);T為發(fā)射信號(hào)脈沖寬度;f0為起始信號(hào)的中心頻率;Δf為相鄰兩個(gè)發(fā)射信號(hào)中心頻率間隔;k=B/T為調(diào)頻斜率;B為信號(hào)帶寬。

由式：

證明si（t）和sj（t），（i，j=1，2...M）在[-T/2，T/2]范圍內(nèi)是正交的。

Gold序列調(diào)相信號(hào)是基于m序列產(chǎn)生的[8]，每個(gè)發(fā)射站的發(fā)射信號(hào)可占全帶寬，設(shè)發(fā)射站個(gè)數(shù)為6，信號(hào)頻帶為2～3 kHz，信號(hào)采樣頻率15 kHz，單站發(fā)射信號(hào)頻帶1 kHz，單站發(fā)射信號(hào)脈寬1.023 s，仿真單站發(fā)射信號(hào)自相關(guān)函數(shù)及選取兩個(gè)接收站發(fā)射信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)見(jiàn)圖3。

OFDM LFM信號(hào)及Gold序列的自相關(guān)性都很好，同時(shí)不同發(fā)射站間發(fā)射信號(hào)相互正交，便于達(dá)到分離非同源信號(hào)的目的。但在信號(hào)可占用頻帶一定的情況下，OFDM LFM信號(hào)受頻帶限制影響，為滿足信號(hào)高處理增益要求，易受到發(fā)射站個(gè)數(shù)的限制。而Gold序列可令多個(gè)發(fā)射站可占用同一頻帶，不受發(fā)射站個(gè)數(shù)的限制，在保證高處理增益要求的同時(shí)提高了頻譜利用率，彌補(bǔ)了OFDM LFM的不足。

3? 結(jié)語(yǔ)

該文主要針對(duì)主動(dòng)聲吶發(fā)射波形設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，闡述了主動(dòng)聲吶發(fā)射波形形式及參數(shù)選擇的方法，并針對(duì)抗混響波形及多基地探測(cè)波形的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，闡述了針對(duì)不同任務(wù)目的，從對(duì)波形不同的要求出發(fā)，針對(duì)常用聲吶信號(hào)波形進(jìn)行分析，選出適用該任務(wù)目的的最優(yōu)波形，該方法同樣適用于擴(kuò)展其他波形進(jìn)行分析。

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