徐復 鄭麗莉

（上海船舶電子設備研究所，上海，201108）

在線性系統(tǒng)條件下，匹配濾波技術是主動聲吶的最優(yōu)檢測器[1]，是現(xiàn)代聲吶常用的技術手段。為了進一步提高水聲對抗性能，現(xiàn)代聲吶還廣泛使用脈沖壓縮技術提高對抗性能，將分布在時域和頻域的信號能量壓縮到一起，對于白噪聲干擾而言，該方法在輸出端具有最大處理增益。

通常對聲吶的有源干擾方法大致可分為壓制式干擾和欺騙式干擾，1999年國際著名電子戰(zhàn)專家斯萊赫提出了靈巧噪聲干擾的概念，2011年國內有學者對靈巧噪聲的概念做了進一步的解讀和分析[2-3]，指出“靈巧噪聲干擾的本質含義是使干擾由多個分量組成，并且使干擾中的每一個分量的頻譜都與雷達發(fā)射信號的頻譜相同，從而使干擾中的每一個分量的功率利用效率都達到最大”?；诖烁拍?，在水聲對抗中可以通過優(yōu)化干擾噪聲形式的設計，提升干擾效率。

1 問題機理

1.1 脈沖壓縮技術的基本原理

脈沖壓縮技術是現(xiàn)代聲吶中最常用的技術之一，用于潛在目標的檢測，其本質是脈內相干技術在信號波形中的應用，不是單純的頻域濾波,而是通過濾除回波中的非相干部分獲得抗干擾能力。

線形調頻脈沖壓縮目前仍是實現(xiàn)脈沖壓縮的最主要方法之一，其數(shù)學表達式為

經匹配濾波器后，輸出為

輸出峰值為T，同單頻信號一樣反映了輸入信號的能量，當t- T 2 = 1 B 時， s ( t）的包絡到達第一個零點，而當t- T 2 = 1 2B 時，峰值高度降低為2Tπ。若定義此時包絡寬度為脈沖寬度，則脈寬為1 B，而原脈寬為 T，故脈沖寬度被壓縮了BT 倍[4]。

1.2 干擾對抗的基本原理

壓制式干擾常用于噪聲干擾器，這是一種以頻率覆蓋水聲設備的接收通頻帶、以功率掩蓋目標回波的壓制性干擾器材。欺騙式干擾常用于聲誘餌，一種通過產生和魚雷攻擊目標（如潛艇等）特征相似的聲信號誘使魚雷向自己攻擊而錯失真正目標，達到以較小的代價避免更大損失的效果[5]。

壓制式干擾是通過發(fā)射噪聲降低聲吶接收端的輸入信噪比來影響其探測性能的，傳統(tǒng)的壓制式干擾使用的是連續(xù)隨機噪聲，與聲吶信號是不相關的。優(yōu)點是連續(xù)性好，能量分布隨機性強；缺點是經過脈沖壓縮技術處理后，干擾效能會明顯降低。欺騙式干擾使用的是經過處理的拷貝信號，與聲吶使用的脈沖是相干的，基于誘騙式干擾的思路，其在聲吶的一個探測周期內形成的目標是有限的。

靈巧噪聲干擾技術可同時產生遮蓋干擾和欺騙干擾的效果，它的信號形式可根據(jù)干擾對象靈活變化，并與聲吶發(fā)射信號相匹配，使干擾可以獲得較大的相參積累增益，提高可利用的干擾能量。通常認為，假目標的數(shù)量達到一定的數(shù)量級時，可同時具備干擾和欺騙雙重效果[6-8]。

2 靈巧噪聲干擾性能分析

2.1 靈巧噪聲設計方法

傳統(tǒng)的欺騙干擾產生的假目標數(shù)量少，難以形成壓制效果，靈巧噪聲干擾可令匹配濾波器的輸出產生多個干擾峰，影響聲吶對目標的檢測和識別，文獻[2]中給出了簡化后輸出的數(shù)學模型：

式中，δ()表示沖擊函數(shù)，n表示脈沖編號，m表示在一個脈沖周期內干擾峰編號。

靈巧噪聲的常見設計方法有脈沖前沿復制法、脈沖延遲疊加法以及脈沖移頻法[9-10]。前沿復制法是將檢測到的脈沖前沿復制后連續(xù)轉發(fā)，在聲吶接收機的處理輸出中形成多個偽峰，因轉發(fā)的本身是探測脈沖的片段，因此也會獲得聲吶的信號處理增益。該方法的好處是干擾反應快速，實現(xiàn)簡單，但若聲吶具備對回波信號的頻率特征進行識別的算法，則可對干擾進行有效的排除。

脈沖延遲疊加法是對接收到的探測脈沖信號按照重疊方式相加，再經調制后形成干擾噪聲，其具體算法為

脈沖延遲疊加法產生的干擾噪聲不會因聲吶對回波信號的頻率特征進行識別而被排除。但因為調頻脈沖是有規(guī)信號，存在兩個信號互相疊加后產生相位抵消的現(xiàn)象，使最終產生的偽峰與設計的幅度不一致。且發(fā)射機在輸出時可接受的最大幅值是受限的，對隨機延時的疊加在實現(xiàn)時存在一個隨機偽峰強度的設計問題。該問題可通過對延時的精確設計得到改善，但同時會影響偽峰間的延遲隨機性。

脈沖移頻法是對接收到的探測脈沖信號進行移頻處理，形成時域上的多個偽峰。移頻后，回波相當于疊加了一個多普勒頻偏Δf，與拷貝信號仍然是相關的，但對聲吶處理會相應地產生一個延時：

如果 c os(ω t）作為調制信號，則產生的頻移會形成正負兩部分，經聲吶匹配濾波處理后會形成兩個偽峰。本方法產生偽峰的靈活性相較其他方法更高，但對移出聲吶處理頻段外的信號部分功率無法成為有效干擾。

2.2 對比白噪聲干擾性能分析

靈巧噪聲與白噪聲不同，可獲得與拷貝信號相同的增益，對于白噪聲干擾，匹配濾波器可獲得的處理增益為10×lg(BT)，使用靈巧噪聲干擾對匹配濾波器的影響分析如下。

對于前沿復制法產生的靈巧噪聲，復制的只有信號的部分片段。對于線性調頻信號，設復制的片段為原始信號的 1/N，靈巧噪聲可獲得的相關增益為 10×lg(BT/N2)，即信號分割后，會同時損失時域和頻域的增益。

對于脈沖延遲疊加法產生的干擾噪聲，在信號脈寬T內若存在多個偽峰，則偽峰的增益理論上不大于10×lg(BT/N)，實際上則是干擾信號之間的相干性互相抵消，造成更多的損失。

對于脈沖移頻法產生的靈巧噪聲，若移頻產生的干擾分量為N，則每個分量產生的總能量為1/N，考慮到移出信號帶寬的部分，相關處理后還會有部分能量損失，但聲吶通常會針對多普勒現(xiàn)象進行處理，因此本方法在固定的片段內可產生多個偽峰且效率相對較高。

2.3 連續(xù)靈巧噪聲干擾在水聲對抗中的應用

基于以上三種常用方法的分析，結合干擾偽峰設計的靈活性、持續(xù)性以及干擾效能損失等方面問題，我們設計一種對探測聲吶進行干擾的噪聲，步驟如下：

● 在時域將干擾信號分割為多個片段，每個片段的長度等于信號的脈寬。

● 為每個干擾噪聲片段中填充拷貝信號的樣本，獲得中間過程的噪聲樣本，見式（6）。式中T為信號樣本脈寬，k為正整數(shù)。

● 對每段樣本做移頻處理，每次與實信號相乘可獲得兩個頻率分量，對每個片段的信號樣本做移頻的次數(shù)和頻率值均隨機產生，見式（7）。式中，N為移頻次數(shù)，iω為移頻的角頻率。

● 對產生的干擾噪聲樣本進行濾波，然后做歸一化處理，控制輸出信號的功率均在工作頻帶內。

3 數(shù)據(jù)處理結果

3.1 與白噪聲對比

設計聲吶脈沖信號為線性調頻信號，中心頻率為1 kHz，脈寬為0.8 s，帶寬為800 Hz；設計靈巧噪聲在每個片段內通過移頻處理獲得8個偽峰，共2個片段；對比在相同信噪比條件下的匹配處理輸出如圖1、2所示。

圖1 靈巧噪聲經匹配濾波處理后的輸出

圖2 白噪聲經匹配濾波處理后的輸出

圖中結果已經對總功率做歸一化處理，經對比可明顯看出靈巧噪聲進入匹配濾波器的偽峰比白噪聲高10 dB左右，若減少偽峰數(shù)量，匹配濾波后的偽峰功率還會進一步增加。調整聲吶信號的帶寬為400 Hz，重新產生靈巧噪聲并做匹配濾波處理，結果如圖3所示。

圖3 靈巧噪聲匹配濾波后輸出（帶寬400 Hz，脈寬0.8 s）

圖3與圖1圖相比，兩次匹配濾波的輸出結果是一樣的；圖4與圖1相比，偽峰的量級沒有改變，但在時域上的密度增加了一倍。結果說明相比拷貝信號獲得的增益，靈巧噪聲對任意帶寬的信號可獲得的增益是相同的，但不同脈寬的信號可以影響靈巧噪聲產生偽峰的密度。

圖4 靈巧噪聲匹配濾波后輸出（帶寬800 Hz，脈寬0.4 s）

3.2 與前沿復制法產生的噪聲對比

前沿復制法產生的噪聲同樣在接收機端獲得信號處理增益，如2.2節(jié)中所述，但其致命弱點是包含的信息不完整，其頻率分布集中在某個小區(qū)域，若在接收機端對接收信號的頻譜進行分析，真實回波是容易從偽峰中分辨出來的，如圖5所示。

圖5 頻譜對比

3.3 與延遲疊加法產生的噪聲對比

延遲疊加法的主要問題是產生的延時和偽峰強度的隨機性設計。其他兩個方法，在確定了最大輸出幅值后可簡單實現(xiàn)，延時疊加法在對信號處理后，信號幅度必然會產生變化，因此多了一個計算環(huán)節(jié)，對算法的要求高于其他兩個方法。

3.4 與脈沖移頻法產生的噪聲對比

本文方法是基于脈沖移頻法的改進，在最后一步經過濾波后歸一化，提升了帶內的有效功率。采用相同的參數(shù)對拷貝信號進行移頻，圖6采用的是脈沖移頻法，圖7采用的是改進的方法，可以看出，改進后的偽峰能量更強，具體提升效果與設計的移頻頻率有關。

圖6 脈沖移頻法產生的偽峰

圖7 改進的方法產生的偽峰

4 結論

本文以水聲對抗為背景，針對聲吶探測目標時使用的線性調頻信號，提出了一種基于靈巧噪聲理論進行干擾的方法。靈巧噪聲在聲吶信號處理過程中可得到與聲吶探測脈沖相同的增益，通過匹配濾波器的能量明顯優(yōu)于白噪聲的干擾效果。經仿真驗證，針對使用匹配濾波技術的聲吶處理方法，可有效提升干擾效能。