（水声工程专业论文）低频主动声纳波形融合与背景归一化.pdf

哈尔滨工稃大学硕十学位论文混响、噪声和目标回波的不同分布特征分析，可以发现，虽然主动声纳发射的信号形式各异，但经过匹配滤波等信号处理后其混晌、噪声和目标回波都保存了明显的特征，混响幅值大、所占的距离点和方位点数多，分布广；噪声背景幅值较小、所占的距离点和方位点数多，分布广；目标回波距离尺度和方位尺度都较小。基于这些特征，通过选择两个大小合适的同心两维滑动窗，小窗大小与目标回波尺度相当，大窗大小与大尺度混响尺度相似，利用小窗的均值和大窗中( 不包括小窗) 的均值比值大小的不同来区分混响、目标回波和噪声背景，最后用不同的颜色进行综合显示。本文通过发射信号选择、融合检测、多维归一化处理等技术的研究，对于低频主动声纳可以抑制混响，提高目标检测能力，降低虚警概率。关键词：主动声纳；混响；波形融合；背景归一化哈尔滨工程大学硕士学位论文a b s t r a c td u et ot h eh e a v yr e v e r b e r a t i o ni ns h a l l o ww a t e r , i ti sm u c hh a r d e rt od e t e c tt h et a r g e ta c c u r a t e l yw i t ht h el o wf r e q u e n c ya c t i v es o n a r m o s to ft h ec o m p o n e n t so ft h er e v e r b e r a t i o na r es e a b e db a c ks c a t t e r s t h i st h e s i si st a r g e t e dt ot h ew a v e f o r ms e l e c t i o na n df u s i o n ，b a c k g r o u n dn o r m a l i z a t i o na n dt h es e p a r a t i o nb e t w e e nr e v e r b e r a t i o na n dt h et a r g e te c h o ，b yw h i c ht h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo ft h ea c t i v es o n a rw i l lb ea p p a r e n t l yi n c r e a s e d f r o mp e r s p e c t i v eo fw a v e f o r ms e l e c t i o n ，t h er a n g er e s o l u t i o n ，t h ev e l o c i t yr e s o l u t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ei ns u p p r e s s i n gr e v e r b e r a t i o na r es t u d i e dw i mt r a n s m i a e dc w , l f ma n dp t f mr e s p e c t i v e l y t h er e s o l u t i o nh a sc l o s er e l a t i o n s h i pw i t ht h ea m b i g u i t yf u n c t i o n t h r o u g hd e e pa n a l y s i so nd i f f e r e n ta m b i g u i t yf u n c t i o n s ，c o n c l u s i o n sa t - ea sf o l l o w i n g ：c wi so fb e t t e rv e l o c i t yr e s o l u t i o n ；l f mh a sb e t t e rr a n g er e s o l u t i o nw i t ht h ei d e n t i c a ld u r a t i o no fc w ：p t f mc o v e r sb o t ha d v a n t a g e s h lt h eh e a v yr e v e r b e r a t i o ne n v i r o n m e 蝇i ti sa r te f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h es i g n a lt or e v e r b e r a t i o nr a t i ob yt h ew a v e f o r ms e l e c t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h ed o p p l e rd i s t r i b u t i o nm o d e lo ft h er e v e r b e r a t i o n , t h er e v e r b e r a t i o nc a nb es u p p r e s s e db yc wi nt h e o r yw h e nt h et a r g e tm o v e sw i t hah i g hs p e e d ；t h eb r o a d b a n ds i g n a lc a nr e d u c et h es p e c t r u mp o w e ro ft h er e v e r b e r a t i o n , t h e r e f o r e ，t h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c ei sd e f i n i t e l yi m p r o v e d d i f f e r e n ts i g n a l sh a v ed i f f e r e n ta d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s h o w e v e r , t h ee n v i r o n m e n ti sp r e v i o u s l yu n k n o w ni nu s u a l ，t h ee x a c tm o t i o no ft h et a r g e ti so f t e nh a r dt ob ea c c u r a t e l yo b t a i n e d t h e r e f o r e ，a na p p r o p r i a t et r a n s m i t t e dw a v e f o r ms e l e c t i o ni sp r e t t yd i f f i c u l t p r o v i d e dt h a td i f f e r e n tw a v e f o r i l l sa l ef u s e da n dt h ew a v e f o r mf u s i o nd e t e c t i o nm e t h o di sa p p l i e d ，t h ea d v a n t a g e so fd i f f e r e n tt r a n s m i t t e dw a v e f o r m sm a yb ea d o p t e d b yt h i sm e a n ，t h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c ew i l lb eu p g r a d e d b o t ht h et h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n tv a l i d a t et h a tt h ef u s e ds c h e m ec a ns u p p r e s st h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ，c wa n dl f mc a n哈尔滨工程大学硕士学位论文c o m p l e m e n tw i t he a c ho t h e ri nd e t e c t i o nb yw h i c ht h ep e r f o r m a n c en a t u r a l l yi si n c r e a s e d n en o r m a l i z a t i o ni sap o s tp r o c e s si nt h ea c t i v es o n a rd e t e c t i o n i ti so f i e n t e d 幻c o n s t a n tf a l s ea l a r mr a t ed e t e c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb a s i ct h e o r y , t h ei n s t a n t a n e o u sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es t a t i o n a r ys t a t eo ft h en o r m a l i z a t i o n , i ti so b t a i n e dt h a tt h er e a s o n a b l en u m b e ro fs a m p l e st oe s t i m a t et h eb a c k g r o u n dm a yd e c r e a s et h ed e t e c t i o nl o s s t w od i m e n s i o n s - t i m ea n db e a m n o r m a l i z a t i o na p p r o a c hi sa d o p t e d n l em e a n s ，m i d - v a l u e s ，a n dw e i g h t e dv a l u ea l g o r i t h m sa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ec o m p a r e d b ys i m u l a t i o na n ds e ae x p e r i m e n t ，i ti sp r o v e dt h a tf l u c t u a t i o no fd a t ac a l lb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db yn o r m a l i z a t i o n t h ed i s p l a yp l a n eb a c k g r o u n di sm o r es m o o t h i n g , t h et a r g e te c h oi sm u c hc l e a r e r , t h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c ei sm u c hb e t t e r , a n dt h ef a l s ea l a r mp r o b a b i l i t yi sm u c hl o w e r a l o n gt h el i n eo ft h en o r m a l i z a t i o n ，an e wm e t h o di se x p l o r e dt os e p a r a t et h et a r g e te c h of r o mb a c k g r o u n d a l t h o u g ht h et r a n s m i t t e dw a v e f o r m sa l ed i f f e r e n t ，t h er e v e r b e r a t i o n ，b a c k g r o u n dn o i s ea n dt h et a r g e te c h os t i l lr e t a i nt h e i rc o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c si nt h eo u t p u t so fm a t c hf i l t e r i nt h ed i s p l a yp l a n e ，t h er e v e r b e r a t i o ni ss t i l lh e a v y ；t h eb a c k g r o u n dn o i s ei ss l i g h t ，b u tc o v e r sm o s ta r e a s ；t h et a r g e te c h oi sa l s os l i g h ta n do n l ys m a l ls p o t sm a yc o n t a i nt h et a r g e te c h o b a s e do nt h o s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t w or e c t a n g l eb l o c k sw i t ht h es a m ec e n t e ra n dv a r i o u ss i z e sa r ee x p l o r e d t h es m a l l e rb l o c kc o r r e s p o n d st ot h et a r g e te 6 h o 。a n dt h es i z ei si d e n t i c a lt ot h et a r g e te c h oi nt h ed i s p l a yp l a n e ；t h eo t h e ri sr e l a t e dt ot h er e v e r b e r a t i o n t w om e a nv a l u e sa r ec o m p u t e d t h ef i r s ti st h em e a nv a l u eo ft h es m a l l e rb l o c k a n dt h es e c o n di st h em e a nv a l u eo ft h ea r e ai nt h eo t h e rb l o c kw i t h o u tt h es m a l lb l o c k i nt h ed i s p l a yp l a n e ，d i f f e r e n tr a t i o so ft w om e a nv a l u e sc o r r e s p o n dt od i f f e r e n tc o l o r s b yt h i sw a y , t h ed i s p l a yi sm u c hm o r ee f f e c t i v et h a nb e f o r ei ns e ae x p e r i m e n t s t h i st h e s i si st a r g e t e dt ot h ew a v e f o r n ls e l e c t i o na n df u s i o n ，b a c k g r o u n dn o r m a l i z a t i o n ，s e p a r a t i o nb e t w e e nt h er e v e r b e r a t i o na n dt h et a r g e te c h o ，b yw h i c ht h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo f t h ea c t i v es o n a rw i l lb ei m p r o v e da n dt h ef a l s ea l a r l n哈尔滨工程大学硕二卜学位论文p r o b a b i l i t yi sl o w e r e d k e yw o r d s ：a c t i v es o n a r ；r e v e r b e r a t i o l l ；w a v e f o r mf u s i o n ；b a c k g r o u n dn o r m a l i z a t i o n哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均。已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者( 签字) ：至星愿日期：2 0 0 7 年2 月f 口日哈尔滨工程大学硕十学位论文第1 章绪论1 1 论文的背景和意义声纳是利用声波作为信息载体对水中目标进行探测、定位、识别、跟踪( d l c t ) 以及实现水下导航、测量和通信的各种设备的统称。进入2 0 世纪，尤其是二次世界大战期间以及战后，随着水声学、计算科学，新材料以及其它相关学科的迅猛发展，在军事需求，尤其是反潜需求的推动下，声纳设备获得了长足的进步。新的安静型潜艇的出现，使传统的被动反潜声纳系统越来越不能满足实战的需求。另外，由于敷设消声瓦，潜艇对中高频率的信号的反射很小，因此大大缩短了工作在中高频的主动声纳的探测距离。因此低频、大功率、大孔径主动声纳是发展的趋势。本文主要研究主动声纳目标检测。主动声纳是主动的目标感知系统，实际上是一个固有的自阻系统。这类系统发射信号，系统会接收到混响( 环境反射的随机散射) 、海洋背景噪声和目标反射的回波信号。检测过程可用图1 1 描述如下：r 广 厂j 波束形成l 一一匹配滤波卜叫背景归一化i【j 【j1 一图】1 主动声纳目标检测过程工作在浅海的主动声纳主要面临以下两个方面的问题：信道影响复杂和背景干扰严重。由于这些因素的影响，会使检测性能下降，因此提高主动声纳的检测性能成为主动声纳的重要任务。信号的波形设计是提高主动声纳检测性能的重要步骤之一，如何选择发射信号的波形是主动声纳设计中必须优先考虑的问题。不同形式的信号各有优缺点，如果发射信号选择合理，可以较好的实现目标的检测。随着信号处理技术和水声换能器技术的发展，发射信号将从目前的单一信号向组合信号方向发展。通过信号融合处理，还可以大大提高整个声纳系统的检测和跟踪性能。在浅海主动声纳的信号检测过程中，混响成为影响信号检测性能的重要因素。如何抑制混响，加强回波信号的显示效果，也是提高主动声纳检测性哈尔滨t 程大学硕十学干专论文能的重要手段。为了解决这个问题，学者们要么建立各种混响模型”“，要么发展相应的信号处理技术。本文从后置处理的角度，在检测前采取适当的背景归一化处理，平滑混响干扰，可以使声纳显示器的背景均匀，加强目标回波信号。1 2 波形融合简介声纳从它的诞生到现在有了很大的发展和变化，声纳的信号形式也从单一的正弦填充的方波发展成c w 、f m 、伪随机码、p t f m 、声脉冲组合等多种形式。五十年代以前的声纳，发射的波形是比较简单的，是一个正弦填充的方波，接收机采用窄带滤波。脉冲压缩技术的出现，导致脉冲压缩声纳的出现，发射波形采用线性调频脉冲，或者伪随机编码。在接收机中相应出现了信号处理器。随着大规模集成电路、d s p 芯片、信号数字处理技术不断发展，七、八十年代声纳具有多种信号形式( 模拟的或数字的，正弦填充脉冲或线性调频脉冲，或几种信号同时共用1 ，到目前，由于现代水面舰艇、水下潜艇技术突飞猛进，进一步推动了声纳探测设备的发展，单的信号形式己远远不能满足实际探测需要。西方发达国家从抗混响、抗多途、提高分辨率出发，在e 动声纳中使用多种信号形式并存，尤其重视开展宽带多h 勒敏感信号和组合信号的研究。在文献【5 】中系统地研究了c w 、l f m 、h f m 、p r 以及重复信号和复合信号等进行了分析，着重讨论了它们的模糊度和分辨性能，以及检测动目标的适应能力。文献 6 】提出用长的相移键控信号检测目标的延迟和多h 勒。文献 7 】，【8 】，【9 】，【1 0 】中分析了c w 、l f m 、p t f m 信号的抗混响能力，并对海上试验数据进行了分析，试验和理论结果相吻合，具有梳状谱的p t f m 信号具有较好的抗混响能力。文献 1 1 1 2 q u 也通过对仿真及试验数掘的分析说明宽带多h 勒敏感信号( p t f m ) 具有c w 和l f m 信号的优点，以及如何对结果逍行显示。7 1 5 所在某拖曳声纳背景课题中运用c w 、f m 、p t f m 等多种信号形式进行目标探测，发现p t f m 在抗混响、信号检测上有一定提高，但在实际装备或工程上还未有应用。虽然有大量的文献分析了各种信号如p r 、p t f m 等信号具有较好的性能，但是在实际的应用中经常会受到各种条件的限制，在现有的声纳设备中最常用的还是c w 、l f m 等常用的较成熟的信号波形，它们具有稳定，宽容性强等特性。文献 1 3 1 中，y a n哈尔滨工程大学硕十学位论文s u na n dp e t e rw m c n 分析了c w 和l f m 信号的互补性，提出了声纳检测中的波形融合技术，进行了理论分析，以及几种融合的方法。r o b e r ts l k y n c h ，t u a n t r a n 在文献【1 4 】中分析了窄带和带宽信号的零多h 勒区域的不同特点，以及使用归一化方法可以很好的减小窄带信号零多h 勒附近的噪声谱，指出使用多种波形融合的方法来提高主动声纳的检测性能。1 3 背景归一化技术简介在浅海主动声纳的信号检测过程中，混响成为影响信号检测性能的重要因素。如何抑制混响，加强回波信号的显示效果，也是提高主动声纳检测性能的重要手段。因此在检测前采取适当的归一化处理，抑制混响的干扰，使声纳显示器的背景均匀，从而有效地检测目标。在归一化中应该尽量的抑制噪声并保护目标信号，从而有效地检测目标。在文献 1 5 1 1 6 1 1 1 7 】中指出，在信号处理应用中，抑制输入信号中的不需要成分常采用线性滤波方法( 如均值滤波) ，然而，存在脉冲干扰时，非线性滤波方法( 如中值滤波) 是一种较好的选择。文献u s 2 0 】中对中值滤波法的特性和输出分布函数有详细论述，文献 2 1 1 和 2 2 1 中分别提出了二维中值滤波和实时中值滤波的快速算法，同时我们也注意到中值滤波法对非脉冲干扰的平滑存在不足之处。在实际工作中我们遇到的噪声是既含有非脉冲干扰也有脉冲干扰的混合噪声，因而综合线性滤波和非线性滤波的算法也大量出现，文献 2 3 1 中，w a s t r u z i n s k i 和e d l o w e 对四种噪声归一化方案( 即t p m 、s 3 p m 、s a x a 和o t a 方法)进行比较研究，这四种方案都是基于减少进入噪声估计器的信号能量的目的而设计的。以上这些技术在图像、语音和雷达等领域的信号检测中应用普遍且效果较好。但在声纳应用中，由于某些特殊情况如浅海环境中的主动声纳，混晌是主要干扰背景，其强烈的非平稳性严重影响检测效果；浅海的海面、海底等特征引起的大尺寸( 范围) 的混响成分是不可避免的；声速低，回波数据率低，在采用批处理的情况下，数据延时较大，距离分辨单元数、方位分辨单元数都较少，这又使背景参数估计困难、偏差较大，但是在常用的多卜勒分析处理中，由于频率分辨单元数增加，使可用的数据量加大，如果能综合利用这些有限数掘，可改善声纳信号检测的性能。针对上述方法在声纳中使用的实际困难，在充分利用有限数据方面比较哈尔滨工稃大学硕士学位论文值得借鉴的如d e n n i sr m o r g a n 提出的两维归一化技术( 2 4 】，此技术是在维归一化的基础上发展起来的，文章从稳态性能和瞬态性能两方面加以讨论，基于“等效样本数”的概念，提出了未加权二维归一化、加权二维归一化和两步归一化等方法，并进行仿真计算取得较好效果。p a u lm ，b a g g e n s t o s s 在文献 2 5 】中强调除背景归一化外，还可利用特征识别的概念来区分目标和回波，提出了在高混响条件下浅海主动声纳信号处理技术，文中提出了处理混响条件下信号检测问题的新思路：在浅海条件下，混响对主动声纳工作有很大影响，有些因混响造成的虚警点并不完全是随机的，例如由声学边界( 暗礁、海底和尾流) 造成的输出，通过采用特殊的混响能量处理加以识别并采用与目标不同的方式显示在声纳显示器上，这样有助于操作员识别目标。陶伟的硕士论文 1 详细的分析了归一化技术的原理和性能指标，提出了时间、频率、空间的三维归一化技术，并对试验数据进行了二维和三维的归一化处理，取得了较好的效果。以上这些工作和思路为主动声纳信号检测性能的改善提供了新途径，对声纳系统设计有很大的参考价值。1 4 研究波形融合与背景归一化技术的意义主动声纳本身发劓某种特定形式的声信号，通过检测回波并对参数进行估计来实现探测。九斗年代以来各国纷纷着手发展低频主动拖曳声呐，但对于主动探测，尤其在浅海，混响是一种主要背景干扰，低频的传输衰减小，混响也强。因此对于低频的主动声呐抗混响既十分重要又十分困难，应从多方面采取措施。首先混响是一种特殊形式的干扰，它随着声呐发射信号而产生，与发射信号本身的特性有着密切的关系，比如主动声呐常用窄带c w 脉冲和宽带f m脉冲信号。众所周知，c w 信号的多h 勒分辨力较好，由于自身带宽小，高速目标的回波频谱与混响不重叠，很好区分，对混响的抑制能力很强：但对于低速目标，由于目标回波落入混响区，性能很差，而宽带信号由于展宽工作频带可有效分散混响的能量，使谱级下降，而匹配滤波器的输出信噪比只与噪声的谱级有关，因而可提高混响背景下的输出信噪比，所以在混响背景下检测低速目标的能力强。不同形式的信号，各有优缺点，如果信号形式选择得合适，会提高检测倒能。然而在多数情况下，由于声纳的工作环境具有不4哈尔滨工程大学硕十学位论文可预测的特点，事先列要检测目标的情况并不了解，因而也很难选择合适的发射信号。如果组合发射多种信号，并采用波形融合检测的方法，充分利用它们各自不同的特点，就可以较好的解决这一问题。另外由于在信道中存在频率的选择性衰落，当发射信号的频率恰好位于衰减的频率上时，接收信号的幅值将非常小，声纳系统的检测性能也随之下降，因此发射不同频率的信号，可以提高系统的检测性能。其次，可以通过适当的后置处理来抑制混响，提高主动声纳检测性能。通常对混响的抑制是根据其相干性和频率特性，采用有效的阵处理和滤波等措施，t v g ( 时变增益控制) 等往往用来在前置放大级压缩信号的动态范围。然而在大多数情况( 如在浅海环境中工作的主动声纳) 下，仅采取这些措施是不够的，混响在时间上的不平稳，频谱上的不均匀依然存在，多波束系统中混响背景在空间上的起伏也成为突出问题，这种时、频、空的不平稳对目标的显示和检测判决极为不利，因此还必须在检测前采取适当的归一化处理，使声纳显示器的背景均匀，加强目标回波的显示，实现有效的恒虚警处理。另外根据混响、噪声和目标回波的不同特征，来分离它们，然后用可以区剐的颜色来综合显示也可以加强目标回波的显示效果，提高检测性能。1 5 论文研究的主要内容本论文的研究是基于以上的低频主动声纳抗混响的背景而展开的。本文针对浅海主动声纳，通过对波形设计和波形融合问题、归一化以及多维联合归一化问题，混响与目标回波的分离问题进行研究，来提高浅海环境下主动声纳的检测能力。本文分为以下几个部分：第1 章对本文的研究背景作了简要介绍，并介绍了波形融合和背景归一化技术的意义及相关研究进展。第2 章主动声纳中的波形设计和波形融合检测。分析了几种常用信号的距离、速度分辨能力、抗混响能力。研究了组合信号的特点( 如c w - - c w 、c w f m 、f m f m 等组合信号) ，并讨论了几种融合检测方法。第3 章背景归一化技术。分析了背景归一化的原理和性能，以及几种不同的背景估计算法。介绍了多维联合归一化( 距离一方位的二维归一化和哈尔滨丁程大学硕十学位论文距离一方位一频率的三维归一化) 。利用混响、噪声与目标回波的不同特征，实现混响、噪声和目标回波的分离，用不同的颜色进行综合显示。第4 章试验结果分析。通过试验数据分析证明：发射组合信号，可以克服频率选择性衰减引起的检测不稳定问题，而且c w 和h f m 信号在检测性能上的互补性还可以较好的实现目标的检测。对仿真数据和海试数据进行波束形成、降采样、匹配滤波后再做背景归化处理，比较归一化前后的显示结果。对比几种背景估计的方法以及背景估计时所选择的参数。对仿真和试验数据作目标回波的分离处理，分离出混响、噪声和目标回波，用不同的颜色显示。6哈尔滨工程大学硕十学位论文第2 章浅海主动声纳波形设计和波形融合检测波形设计是主动声纳系统设计的重要环节之一。这是因为信号波形不仅决定了信号处理的方式，而且还直接影响到系统的分辨率、测量精度、抗干扰能力以及目标跟踪性能等。从理论和技术角度讲，不存在理想的最佳波形能使所有指标都达到最佳，并适用于各种不同的用途。一般情况下，往往采用几种不同的发射波形，以满足种不同的情况。不同形式的信号，各有优缺点，比如c w 信号适合于高多卜勒目标的检测，而f m 信号则对静止和低多h 勒目标有较强的检测能力等，然而在多数情况下，由于声纳的 ：作环境具有不可预测的特点，事先对要检测目标的运动情况并不了解，因而也无从选择合适的发射信号。如果组合发射这两种信号，并采用波形融合检测的方法，充分利用它们各自不同的特点，就可以较好的解决这一问题。另外由于在信道中存在频率的选择性衰落，当发射信号的频率恰好位于衰减的频率上时，接收信号的幅值将非常小，声纳系统的检测性能也随之下降，因此发射不同频率的信号，可以提高系统的检测性能。2 1 波形设计所谓波形设计就是选择或设计声纳波形及其参数，使适应给定的声纳信道，以达到最有效的检测、分辨和定位声纳目标的目的。从理论和技术角度讲，不存在理想的最佳波形能使所有指标都达到最佳，并适用于各种不同的情况。一般情况下，往往采用几种不同的发射波形。因此，对连续波( c w ) 、调频( f m ) 、以及调频脉冲串( p t f m ) 这几种典型的主动声纳波形进行分析。2 1 1 几种波形的距离和速度分辨率分析目标分辨率是指能够确切的把两个距离和速度相近的目标区分开来的能力。分辨率与模糊度函数有关。模糊度函数是指具有多h 勒频移和延时差的信号的自相关函数，该函数即为在理想信道中匹配滤波器或拷贝相关器的输出，它描述了信号的时频联合特性。模糊度图反映了目标的距离( 时延) 和速度( 频移) 的分辨能力。对应一定的判决域，模糊度函数有一个固定的模糊截哈尔滨 = = 稃大学硕十学傍论文面。两个距离和速度象得很近的目标，如果都落于模糊截面之内，我们就无法把它们分开。对各种信号的模糊度函数做分析，从而可以根据不同的需要选择适当的信号波形。模蝴度函数在信号设计中起着关键的作用，这主要是因为在考虑到目标分辨率，目标参数估计精度和改善混响背景下的信号检测性能等问题时，它们都和模糊度函数有鱼接的联系。多p 勒容限：当目标有多卜勒( a u ) 和对延偏差( a r ) 时，相关器的输出峰值将从1 下降到z ( + a r ，0 0 + a u ) ，其3 d b 下降的u 称之为相关器的多 勃容限。模糊度函数主峰的宽度a t ) 表征分辨动目标的能力称之为多h 勒分辨力，又表征单一相关器检测动目标的能力，称之为多h 勒容限，这是从不同的角度看待同一事物的结果嘲。信号s ( f ) 模糊度函数定义为：i fi x ( r ，善) i = lf j ( ，) j ( ，+ - g ) e - 1 2 x t d t l( 2 1 )kl其中f 为信号时延，f 为信号的频移。c w 、l f m 、p t f m 等不同的信号形式具有不同的模糊度函数。根据( 2 1 ) 式，可以得到c w 脉冲信号的模糊度函数为：k 硼i = i , s i n 样c e ( t 啪- i v ) ( 叫r i ) | h r 2 ，c w 脉冲的时延和频移及相应的距离和速度的分辨力如下：表2 1c w 脉冲信号的特性表时延( s )频移( h z )距离分辨率( m )速度分辨率( m s )分辨率o 67 0 8 8 t4 5 0 t0 4 4 五t测量精度o 3 厂0 4 4 t2 2 5 t0 2 2 五t注：t 为脉冲宽度；a 为波长。l f m 脉冲信号的模糊度函数为：! x c l 孝，f = 产! ! i 等：；j ；i 暑；兰萨e 丁一i r i ， j r 丁c 2 - ，h f m 信号是一种多卜勒不变信号，对其时i u 波形进行展开，发现它比哈尔滨工程大学硕士学位论文l f m 多了t 3 以上各项的值，如果忽略t 3 以上的各项，h f m 和l f m 相同”1 。l f m 脉冲的时延、频移及相应的距离和速度分辨率，如表2 2 所示：表22 l f m 脉冲信号的特性表时延( s )频移( h z )距离分辨率( m )速度分辨率( m s )分辨率0 8 8 佃0 8 8 1 t6 6 0 口0 4 4 a t测量精度0 4 4 1 10 4 4 t3 3 0 b0 2 2 兄t注：丁为脉冲宽度；b 为带宽；旯为波长。p t f m 信号是由若干相同的l f m 信号组成，其模糊度函数与l f m 相似，但它是内部离散化了，因而具有较高的频率分辨率，缺点是多b 勒容限降低。不考虑梳状线谱本身宽度，p t f m 信号近似的时延、频移及相应的距离、速度分辨率情况如表2 3 ：表2 ，3p t f m 脉冲信号的特性表时延( sj频移( h z )距离分辨率( m )速度分辨率( m s )分辨率o 6 r0 8 8 t4 5 0 b0 4 4 兄r测量精度0 f 3 r0 4 4 t2 2 5 b0 2 2 五t注：t 为脉冲宽度：b 为带宽；五为波长根据以上的分析，得出下面的结果。”：( 1 ) 对于相同的多h 勒频移分辨力，l f m 脉冲的时延分辨力高于c w 脉冲。这是因为脉冲宽度一定时，l f m 脉冲信号可以单独调节b 来改变时延分辨力。对于相同的时延分辨力，l f m 脉冲的频率分辨力高于c w 脉冲。这是因为l f m 脉冲信号司以在b 保持恒定时单独调节r 来改变频率分辨力。但当距离和速度均未知时，采用l f m 脉冲信号测量会带来附加的误差，这是由时延r 与频移亭之间的耦合造成的。例如，对某一距离为r 的目标进行测量，若其速度未知( 频移f 未知) ，声呐处理器并不在f = o 时刻，而是在f = 一f j i 时刻有可供检测的最大输出响应，从而带来了由多b 勒频移而引起的距离测量误差。( 2 ) l f m 脉冲信号的距离分辨力比长c w 脉冲好，但不如短c w 脉冲；其速度分辨力比短c w 肘：冲好，但不如长c w 脉冲。哈尔滨工程大学硕十学位论文i ；j i ；i i ；j i ；ij i i ；i i i ；j i i i ；i i j i i 目e i ；j i i i i i i ；i i( 3 1l f m 脉冲信号的多卜勒容限大。用于检测时，一个或少量的滤波器便可覆盖整个多 勒频移范围，而采用c w 脉冲信号，则可能需要多个滤波器。h ) p t f m 信号是由若干相同f m 信号组成的，函数的包络与f m 相似，但它内部频谱呈梳状离散化了，因而在两梳状频谱之间有较f m 高的频率分辨率，其距离分辨力也可同f m 信号相当，但相关时要求多组拷贝，因此多b 勒容限相对较差。下面的仿真试验中采用了如下的参数：信号的长度为t = 0 , 5 s ，中心频率取，= | ：15 0 0 h z ；对于宽带的l f m 和p t f m 信号，带宽为b = 2 0 0 ，p t f m 有8 个长度为正= o 0 6 2 5 s 短l f m 脉冲组成。图2 ic w 信号模糊度图1 0哈尔滨工程大学硕十学位论文图2 2l f m 信号模糊度图图2 3p r r f m 信号模糊度图从图中可以看出，c w 信号的模糊度图在其峰值点沿速度轴快速下降，表明它具有较好的速度分辨能力，但是模糊度图沿时延的变化下降缓慢，表明它的距离分辨力比较差；而等脉宽的l f m 信号则与c w 相反，其模糊度图在峰值点沿距离轴快速下降，表明它的距离分辨力较好，而其模糊度图沿速度轴变化缓慢，说明它的速度分辨力较差；而i r f f m 信号是由若干相同的l f m 信号组成，其模糊度函数的包络与l f m 相似，因此有较好的距离分辨力。同时，由于它是周期的，在速度轴上实现了模糊度图的离散化，从而也哈尔滨工程大学硕+ 学位论文具有了较好的速度分所能力。2 1 2 几种波形的抗混晌能力分析2 1 2 1 混晌限制环境下，波形选择对检测性能的影响对于主动探测，特别是浅海情况，混响是一种主要的背景干扰。所以可以考虑从波形设计的角度抗混响。在混响环境中，信号的检测性能与所选的波形有重要的关系。- + 般人们用检测指数d 作为衡量接收机性能的一个重要指标嗍。对于白噪声背景：，d ：竺墨咝! 刍! ：剑堑! 鱼! ( 2 - 4 )e i z l n o 】式中ji l i 2 模糊度函数，即匹配滤波器输出的模的平方。e 1 1 1 2 q 】q 条件下，i l i 2 的数学期望。e i 1 2 风】凰条件下，盯的数学期望。假设发射信号的能量是局，接收信号的能量是e ，信道散射函数是 ，r ) ，归一化的模糊度函数是c ( f ，国) 。e i t 2 h o 2 o + ece ( 蛾f 弦( t f ，一国) 去d 国如( 2 - 5 )e t l z l 2 h , = e ，+ e i z l 2 凰】( 2 6 )带入( 2 - 4 ) 式得：d 2 ：f 垡l ( 2 - 7 )1 + 轰iee ( q r 弦( t l 一) 去d 口d r对( 2 6 ) 式作进一步的讨论。当对应上式中分母的二重积分项每c 亡( 叩玖吒一国) 去d 耐r l。2 d ：旦：垡n nn o哈尔滨工稃大学硕士学位论文此时为噪声限制情况，这个结果和匹配滤波理论致，即白噪声背景下最佳信号处理器就是匹配滤波器，其输出信噪比与波形无关，只与信号能量成正比，增加信号能量可以改善输出信噪比。对应上式中分母的二重积分项急e e ( ，( t _ 哟一回去删r ，( z _ 9 )d 。! 二。一ce ( ，f p 。纯一f ，c o d 一国) 寺如d r此时为混响限制情况，这个结果指出，在采用匹配滤波器检测混响环境中的慢起伏点的目标时，匹配滤波器并不是最佳的处理器，而只是次最佳的处理器。增大发射信号的能量不会改善输出信噪比。其原因是在混响限制的环境中，随着发射信号能量的增加，尽管目标反射的能量增加了，但与此同时混响也增大了。在这种情况下，改善信噪比的唯一措施是进行有效的信号波形设计，使得信号的模糊度函数与信道散射函数重叠部分越少越好。2 1 2 2 几种波形的混晌一多j 、勒分布模型对于主动探测，犏别是浅海情况，混响是一种主要的背景干扰。所以可以考虑从波形设计的角度抗混响，首先要充分了解基阵实际接收到的不同波形的混响特性。文献”“叫对各种声纳波形抗混响能力做了分析和比较。下面通过混响多h 勒分布模型来分析几种波形的混响抑制能力。设发射信号的中心频率为矗，本舰的运动速度为v s ，方向为只。目标的速度为，方向为良，拖线阵接收目标回波的多h 勒频移为( 2 1 0 ) 所示，混响会产生的多h 勒频移如式( 2 1 1 ) 所示厅= 工( 1 + 堡0 0 s 只一翌c o s 岛)( 2 一l o )gc，1 ，正= f o ( 1 + 丝c o s 只)( 2 - 1 1 )f当秒在( o ，1 8 0 0 ) 范围内变化时，可以得到理论混响多p 勒分布模型，如图2 4 所示：费带信号则可以视为是由单频信号组成的，因此，不难哈尔滨工程大学硕士学位论文得到它们的混响多卜勒空间模型。图2 5 、图2 6 分别为f m 信号和具有梳状谱的信号的理论模型。图2 4c w 混晌一多h 勒空间分布模型图2 5f m 混响一多h 勒空间模型l 一：”一。二) 。t口：m 图2 6 梳状谱信号的混响多h 勒空间模型m上面三个图中，横轴代表频率，纵轴代表偏离正横方向的角度的余弦。根据目标多h 勒频移与混响多h 勒频移的相对大小，可以将目标的运动速度分为a 、b 、c 三个区。其中，a 区为低速区，b 区为中速区，c 区为高速区。由图2 4 可见，窄带信号的混响与c o s 口成线性关系。对不同的波束，混响的1 4哈尔滨工程大学硕十学位论文频率不一样。对于c w 信号，如果回波的频率落在混响区中则会受到混响的干扰。特别是如果信号回波落在主瓣响应的混响频带中，即位于a 区，目标回波和混响都由主瓣接收，则信混比很低，这样就很难利用目标回波多b 勒频移与混响多卜勒频移之间的差别将其分开，只能改用宽带信号。由图2 5可见，宽带信号由于带宽较大，混响能量可以分布在较宽的频谱上，从而有效降低混响的谱级，提高匹配滤波的输出信噪比。若回波落在旁瓣响应的混响频带中，即位于b 区，目标回波由主瓣接收，而混响由旁瓣接收，则有效的抑制方法是在波束形成设计中尽可能降低旁瓣级，就可以利用两者多b 勒频移的不同将其分开，此时采用窄带信号比较有利。如果不能很好的抑制波束图的旁瓣，则应采用宽带信号。当然，最适合c w 信号工作的是c 区，对于超出混响区的高多h 勒目标，目标回波的多b 勒完全与混响的多卜勒分开，原则上可完全摆脱混响。从图2 6 可以看出，p t f m 信号具有c w 和f m 二者的优点。所以也称为多h 勒敏感的宽带信号。2 2 组合波形不同形式的信号，各有优缺点，然而由于声纳的工作环境不可预测，事先对检测目标的运动情况也并不了解，因而也无从选择合适的发射信号。如果组合发射几种信号，并采用波形融合检测的方法，充分利用它们各自不同的特点，可以提高检测性能。2 2 1c w 组合波形由于在信道中存在频率的选择性衰落，当发射信号的频率恰好位于衰减的频率上时，接收信号的幅值将非常小，声纳系统的检测性能也随之下降，因此可以发射不同频率的信号，来提高声纳的检测性能。从发射信号的角度出发解决浅海信道的多径选择性衰落问