（水声工程专业论文）近程声自导仿真.pdf

a b s t r a c t i ns h a l l o ww a t e r , l o wc o s ta n t i s u b m a r i n ew e a p o n w i l lp l a ym o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nm o d e mc o m b a t e n t r u s t e dw i t ht h eh o m i n gf u n c t i o n ，i tw i l lb e p r o m o t e dt ob eo n ek i n do fp r e c i s eh o m i n gw e a p o n t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l v s t u d i e st h eh o m i n g s y s t e mo ft h el o wc o s th o m i n ga n t i s u b m a r i n ew e a p o n t h eh o m i n gs y s t e mo fl c h a w ( l o wc o s th o m i n ga s w w e a p o n lu s e s a c t i v ee x p l o r a t i o nm o d e i tc a nd e t e c tt h et a r g e t b yp r o c e s s i n gt h er e c e i v e de c h o s i g n a l s a n dt a r g e tp a r a m e t e r sw i l la l s ob ee s t i m a t e d t h ei n s t r u c t i o ni n s t a l l a t i o n o u t p u t st h e l c h a w 。sm a n i p u l a t i o n i n s t r u c t i o n s a c c o r d i n g t ot h er e l e v a n t i n f o r m a t i o np r o v i d e db yr e c e i v e r , a n dt h e t a r g e tw i l lb et r a c k e d w h e nt h ea c t i v e h o m i n gs y s t e mw o r k s ，t h er e v e r b e r a t i o ni st h em a i ni n t e r f e r e n c e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，i tp r e s e n t e daw i d er a n g eo f a n t i p r e v e r b e r a t i o nm e t h o d s ，b u tt h e yd o n ts u i tt h el c h a w am o d e m s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nw h i c h s u i t sl c h a w t h en o i s ea d d e dt oe c h os i g n a li sf i l t e r e db y a d a p t i v en o t c hf l i t e r a n dt h en o r m a l i z e dw e i g h tc o e f f i c i e n t sa r ec a l c u l a t e dr e a lt i m e t h e r e v e r b e r a t i o n l ss u p p r e s s e dw h i c hi sa d v a n t a g e dt oi m p r o v et h ea b i l i t yo f d e t e c t i o nf o rh o m i n g s y s t e m t h ea n t i - r e v e r b e r a t i o nt e c h n o l o g yi ss i m p l e ，c o n v e n i e n ta n dr e l i a b l e i n t h ea s p e c to ft a r g e tp a r a m e t e r se s t i m a t i o n ，t h e s i g n a ld e t e c t i o n ，t a r g e td i s t a n c e e s t i m a t i o n ，t h ep o s i t i o ne s t i m a t ea n dt h ef r e q u e n c ye s t i m a t ea r er e a l i z e db yu s i n g t w oa d a p t i v en o t c hf i l t e r sw h i c hb a s eo nt h el m s ( 1 e a s tm e a n s q u a r e ) a r i t h m e t i c a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h er e a ld a t ap r o c e s s i n g ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e s i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y i s s i m p l e ，c o n v e n i e n ta n d e f f e c t i v e ；t h e r e v e r b e r a t i o ni sw e l l s u p p r e s s e d ；a n dt h ef u n c t i o n sa n di n d i c a t o r so ft h e l c h a w s h o m i n gs y s t e ma r er e a l i z e d k e yw o r d s ：l o wc o s th o m i n ga n t i s u b m a r i n ew e a p o n ；a c o u s t i ch o m i n gs y s t e m ； a n t i 。r e v e r b e r a t i o n ；t a r g e tp a r a m e t e r se s t i m a t e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性j 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。 一 氮一 声 犟月 一 多 年 字 返 墼 矽 者 期 作 日 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景 在冷战时期，美、苏两大海上军事强国角逐的战场，主要是在公海及深 海。上世纪9 0 年代初，华约解散、苏联解体，冷战随之结束，美国海军失去 了与之在公海及大洋远海相抗衡的对手，海上战争从公海及大洋远海转移到 了近海水域。海上作战样式已从扼守海上要冲、反潜护航等，转变为对陆作 战、浅水区反潜、两栖作战及弹道导弹防御等等。未来的反潜作战，绝大多 数情况下将是在近岸浅海的浅水区中进行。除了战略核潜艇外，其它各类常 规潜艇的作战环境，主要是在近岸海域，常规潜艇可以在海底混响和水声声 波的影区中匿藏，使其具有优良的侦察、攻击作战及隐蔽条件。因此反潜武 器在浅海区域、沿岸或自然的受限水域下作战是非常困难的。强的环境噪声、 凸凹不平的海底结构、暗礁尾流、温度和含盐层或是梯度甚至是海里的生物 等因素都是造成高虚警率的原因，特别是对安静、低速航行潜艇的探测，明 显地降低了探测距离，不能区分真假目标，导致消耗大量的昂贵的反潜武器 对抗虚假目标。因此当反潜鱼雷和反潜导弹在近海浅水区时，其战术、技术 性能受到作战环境极大的影响与制约，有时甚至无法使用，此时，廉价的自 导反潜武器将会起着举足轻重的作用。 所谓廉价自导反潜武器( l c h a w - - l o wc o s th o m i n ga s ww e a p o n ) 1 1 1 ， 是一类小型、低成本的反潜武器，专门用于攻击低识别率的目标，即在沿岸 或某些受限水域突然出现的目标。与传统的廉价反潜武器相比，l c h a w 的 突出特点是具有自导能力。 廉价自导反潜武器是近几年迅速发展起来的，其廉价而高效的双重性能， 得到了很多国家的认可。这种武器在短时间内之所以得到如此长足的发展， 是因为它较之于其他的反潜武器更顺应技术、作战思想的发展及世界格局的 变化。 当代的l c h a w 具有许多独特的优点闭。首先，具有不可对抗性。其发 射后在空中的飞行速度很快，象炮弹一样很难被拦截或干扰，是不可对抗的 兵器之一，这是其他武器所不能相提并论的。其次，该类反潜武器有多种使 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 用方法，具有较好的作战通用性。它能在反潜鱼雷和反潜导弹使用效果不佳 的近海浅水区使用；在潜艇被其它兵器命中而未沉毁时，可用其迅速扩大战 果；还可用于攻击水面舰艇、水际滩头设施、水下障碍、岛礁和陆岸军事目 标，拦截水下来袭的反舰鱼雷等。第三，价格低廉，具有很高的作战效费比。 从国情分析，它是发展中国家海军买得起、养得住、用得上的低档高效武器。 1 2 国内外发展情况 在上世纪8 0 年代后期，为了应对前苏联海军潜艇所构成的威胁，北约就 开始启动了联合研制廉价反潜武器的计划，目的是开发一种比轻型鱼雷便宜 的，可大量使用，以攻击低可信度目标的武器，此种作用似乎使其更适合在 滨海水域中使用。而今拥有低成本自导武器的国家正在不断改进它们的武器。 例如，挪威海军一直在不断改进，从m k 3 一直改进到现在的m k l 0 ，其射程 已达到5 0 0 0 米，装药量增加到7 0 千克t n t 当量。瑞典海军为了对付入侵其 领海的前苏联潜艇，在8 0 年代研制了小型反潜武器。最近，瑞典s a a b 公司 正在改进“埃尔玛”小型自导系统，即把它安装到反潜直升机上，用多管发 射装置向下发射。当直升机上的机务人员用目视或用声呐探测到目标时，便 可立即发射进行攻击。另外，瑞典s a a b 公司正在研制小型自导装置，即在其 上装声传感器( 简易自导头) 和操纵组件。入水后，传感器搜索和跟踪目标， 一面下沉面向目标靠近，这在很大程度上像制导炸弹。该公司已给瑞典海 军提供了一种新的方案。据称，英国海军对这种武器也表示关注。最近，西 班牙在研制一种多用途声自导系统武器，它既可以反潜，又可以拦截来袭鱼 雷。前苏联海军在8 0 年代后期研制成功1 2 0 0 0 米射程的l c h a w ，装备在航 母上。分析其作用，主要用来拦截来袭鱼雷和轰击企图偷袭航母的蛙人。当 然在与敌人潜艇遭遇时，也能很好地发挥反潜作用。 一直以来，反潜作战也是我国始终无法回避的问题。我国始终面临着战 时来自水下的威胁，以及平时的水下袭扰。同时，各类新型常规动力潜艇， 正向我周边国家扩散。与之相对的是，中国海军的反潜力量与发达国家相比， 仍有不小差距。既然低成本反潜武器将成为今后水下对抗中使用最为频繁的 水中兵器之一，因此国内根据海战反潜的需要，也致力于该武器的研究。我 国海军已建立了一支颇具实力的科研设计队伍和具有相当规模的工业生产能 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 力。在广大科研设计、工业生产和部队使用人员的共同努力下，多年来研制 和生产了许多型号的水中兵器，装备了海军部队，提高了海军部队的战斗力。 可以相信，我国科研人员将继续奋勇前进，研制出更多更先进的水中兵器。 1 3 自导系统关键技术分析 现代低成本自导武器的意义绝不仅仅限于低价格，否则它就完全没有存 在的必要。现代廉价反潜武器从这一点上说，可以理解为是在复杂程度和造 价之间创造了一个新的平衡点的产物。 一个完整的主动自导系统武器包括：引信、战斗部、控制部以及稳定器 等四部分。引信作为武器终端毁伤的控制系统，在反潜作战中起着一定的作 用。引信的类型决定了廉价反潜武器的作用方式与起爆半径作用，采用性能 先进的引信会对潜艇的命中率有很大的提高。对于现代廉价自导反潜武器来 说，引信一般采用“自动时间装定非触发触发 联合引信嘲。发射前可根据 攻击目标由发控人员通过发控系统实时地装定延期保险时间和定时起爆时 间。发射后，在击水或击地时，在惯性力的作用下，惯性保险解脱，时间引 信开始计时，时间延期机构处于待解状态。延期时间一到则延期时间机构解 脱，引信处于待发状态，同时非触发引信工作。在下潜的过程中及引信装定 时间未到之前，若检测到目标，则非触发引信会自动地选择距离目标最近的 位置起爆。若撞到目标，则触发引信动作起爆武器。当未遇到目标且定时起 爆时间已到，则定时引信动作，武器定时起爆或自毁。 这里的非触发引信采用的是声引信，这是廉价自导反潜武器提高命中率 的关键所在。本文研究的自导声引信为主动式的，因而关注主动声呐的信号 处理。主动声呐信号处理的任务是对其本身的发射信号回波进行处理，尽可 能地抑制各种噪声和混响的干扰，提取有用的目标回波，估计出目标参数。 严重的干扰背景给自导信号处理增加了难度，因此，在混响的干扰背景下有 效的检测目标及估计目标参数等关键技术一直是各国学者研究的课题。 1 3 1 抗混晌研究背景 尽管有很多的应用是利用混响来反演海底的参数以及估计环境信息，但 是大多数应用场合下，混响依然被看作是影响主动系统工作的主要干扰。由 3 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 于混响是非平稳的随机过程，它的起伏使得在混响背景干扰下检测目标回波 的问题变得复杂。为了降低由于混响背景起伏引起的虚警，主动声呐系统中 通常对回波信号进行c f a r ( c o n s t a n tf a l s ea l a r mr a t i o ) 恒虚警处理。c f a r 技 术在雷达信号处理领域应用已经比较成熟，在主动声呐系统中也得到实际应 用处型q 。从抗混响信号处理角度看，对运动目标，可利用多普勒频偏来在 混晌背景中分辨出目标回波p l 。1 9 5 9 年，w e s t f i l e d 最先将相关的匹配滤波理 论引入主动声呐系统应用中同，但由于水声信道的复杂性以及混响的影响， 其应用效果不及雷达系统中的明显。时至今日，各种改进的拷贝相关算法依 然是主动声呐信号处理的重要方法p 1 。 随着各种现代信号处理方法的出现，出现了各种各样的抗混响方法，如 采用a r 模型背景预白化来提高抗混响性能嘲唧，对多途回波提高检测性能的 p a g e t e s t 方法，基于s v d ( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 接收信号特征值分解的 回波信号与混响背景分离的p c i ( p r i n c i p a lc o m p o n e n ti n v e r s e ) 叫方法，利用混 响数据模型的阵列时空联合处理抗混响，双线阵抗混响技术，基于非线性动 力学抗混响技术u 。a n d e r s o n 最先将自适应信号处理方法引入水声信号处理 领域习，在主动系统中应用自适应抵消思想抗混响也受到广泛的重视。 关于抗混响技术研究的另一个重要的方面是发射信号波形设计1 叫。波 形设计的基本出发点是从模糊度函数a f ( a m b i g u i t yf u n c t i o n ) 。从波形设计角 度来考虑，常用的窄带信号，如c w 脉冲，其带宽小，对高速运动的目标的 混响抑制性能好，因为相对速度较大的目标的频谱与混响的不重叠，很好区 分。但对于低速目标，由于目标回波落入混响区，用窄带信号性能很差，这 就要用到宽带信号；展宽工作频带，可有效分散混响的能量，使其谱级下降。 目前比较常用的宽带信号是调频信号( 包括线性调频、双曲线调频、伪随机 码移频键控等) ，宽带信号的能量则可以通过相干处理，实现脉冲压缩，从而 使信混比提高。但宽带信号容易受到多普勒频移的限制而不适用于高速目标。 一种新的改进形式是采用脉冲串信号，即重复发射短的宽带脉冲，形成几何 梳状波形。由于其频谱梳状化，只要梳齿间隔足以覆盖目标多普勒范围，则 既有高的速度分辨力，又有宽带信号的优点，采用梳状波形纠，对低信混比 的中低速目标具有较高的检测性能，但是脉冲串的长度受探测盲区的限制， 多普勒分辨力受到频率间隔制约，能量效率不高，比较适用于远距离探测使 4 哈尔滨下程大学硕十学位论文 用。因此，在选择合适的波形来进行混响抑制时，比较实用的方案是同时采 用窄带c w 脉冲、宽带f m 脉冲和f m 脉冲串信号，根据实际情况选择使用 或组合使用。 1 3 2 目标参数估计方法研究 测量目标参数是声呐和自导系统的主要任务之一。通常情况下，目标的 方位、距离和径向速度是三个最重要的位置和运动参数，这些目标参数的信 息包含在接收信号之中，可以通过测量信号的时延( 或相位) 和频率进行目 标参数估计。目标的距离通常是借助于时延估计来完成，而速度估计则是通 过对目标回波信号的多卜勒频移的估计来完成。目标的方位信息在接收信号 中反映为信号到达各接收基元的时延差或相位差，在波数域等价于所估计信 号的空间角频率。 为提高方位估计精度和空间分辨力，近年来理论上发展了多种非线性高 分辨力d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l 、l 估计方法q ，包括m u s i c 法、e s p r i t 法、 m i n n o r m 法、m o d e 法、c l o s e s t 法等子空间特征分解方法和从非线性高 分辨率频谱估计中移植过来的基于a r 、a r m a 等有理参量模型的d o a 估计 方法。这些方法在高信噪比平稳高斯白噪声背景下均具有高分辨率性能和明 显优于预成多波束系统的方位估计精度，但其共同的缺点是运算量大，不易 于实时实现，且对噪声背景比较敏感。 在主动声呐系统中，目标距离估计可以等效为目标信号的时延估计。时 延估计的理论和技术1 7 1 是随着目标距离、尺度估计等问题的发展而逐步受到 重视的。匹配滤波法和互相关法算法简单、运算量小、易于实现，是目前常 规系统中应用的最为广泛的时延估计方法。解卷积方法，如最小平方解卷积 法、线性预测误差滤波法、频域解卷积法等等，其最小分辨率为接收数据的 采样间隔，而且要求所构造的滤波器是稳定的。而时延频率方法的分辨率可 以突破接收数据的采样间隔，性能良好。基于m u s i c 等高分辨率估计方法、 基于倒谱理论估计方法、基于高阶累积量的估计方法等，估计性能良好，但 共同缺点是运算量大。 目标径向速度估计可以等效为目标信号的频率估计，即通过估计目标回 波信号的频率分量，得到其多普勒频移，进而估算出目标相对于基阵的径向 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 速度。频率估计在信号处理领域占有重要地位，因而一直受到人们的广泛关 注川。经典谱估计方法以傅立叶分析理论为基础，包括周期图法和相关图法， 应用范围广，运算量小，只是分辨率低。基于a r 模型的估计方法，如自相 关法、协方差法、修正协方差法、b u r g 法等，能够较好地描述功率谱的谱峰， 分辨能力良好。m a 模型由于是全零点模型，描述功率谱谱峰能力差，分辨 率低，因此很少用于实际频率估计中。以m u s i c 法等为典型代表的子空间 类方法，不仅分辨率能力强，而且估计精度高，具有良好的发展前景。 对于低成本自导武器来说，由于造价成本低，其关键技术必然要采用简 单，运算量小的信号处理方法，这样才能使性能达到最佳。 1 4 论文工作主要内容 提出了一种简单、有效及可靠的声自导信号处理方法，论文主要围绕这 个思想进行仿真以及湖、海试的数据分析验证。 论文的主要工作如下： 1 由于声自导系统发射的是主动声呐，混响是主要干扰。因此论文首先 对混响的概念、特性作了分析。然后建立混响仿真模型，通过仿真进行检验， 验证了混响的统计特性。 2 提出适合声自导系统的信号处理方法，包括目标回波检测和目标参数 估计。提出了一种简单，有效的混响归一化方法。采用两个基于l m s 算法的 自适应n o t c h 滤波器实现信号检测、目标的距离估计、方位估计和频率估计 等各项任务。同时分析了参数估计误差，结果表明在误差范围之内。 3 对湖试、海试数据分析处理。处理大量试验数据，调整参数以适合不 同海域、不同环境的工作需求。验证了本信号处理方法在满足声白导系统的 功能指标条件下简单、有效和稳定可靠。 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章主动自导系统原理及混晌背景 低成本声自导系统武器的特点：造价低廉；武器尺寸小，重量较轻，便 于飞机和舰艇大量携带；能快速搜索目标，并对其进行精确定位；具有相当 的破坏效果；可采用空投或火箭助飞，入水后离目标潜艇很接近，使敌方不 易采取规避等等。鉴于此类反潜武器属于l c h a w 一种，具有l c h a w 所有 特点，因此，在下面的叙述中仍以l c h a w 名称来说明。 一个完整的低成本声自导系统包括：引信、战斗部、控制部以及稳定器 等四部分。本文只研究声引信这部分。由于自导声引信为主动式探测，下面 介绍主动自导系统的工作原理。 2 1 主动自导系统的工作原理 2 1 1 主动自导系统的工作模型 主动自导系统的工作模型如图2 1 所示h 9 1 。 厂一一一 一 图2 1 主动自导系统工作模型 主动自导系统工作时，发射机通过声学基阵( 收发共用) 周期地向海水 中发射某种形式的声波，若发射的声信号在信道中传播时遇到目标，则一部 分能量被反射回来，形成目标反射信号，或称为回波信号。接收机接收这个 信号和叠加在信号上的背景干扰，对它进行处理，从而发现目标，并进行目 标参量估计和识别，指令装置根据接收机提供的有关信息，输出操纵自导系 统的指令，跟踪目标。主动自导工作时，有两种背景干扰：一种是与发射信 7 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 号本身有关的，当发射信号在信道传播时，由信道中的非均匀体或起伏界面 ( 海面与海底) 产生的杂乱散射波叠加而成的干扰，称为混响；另一种与发 射信号无关，由自噪声和环境噪声形成的干扰。 2 1 2 主动自导系统的基本结构 y ! 图2 2 声基阵结构图 自导系统的声基阵示意于图2 2 。中间为发射换能器，有四组接收水听器， 正交排列，为提高灵敏度，每组接收水听器由两个水听器串联而成。它有二 个正交轴x 和y 。四组水听器必须保证共面，方位姿态仪基准平面与此平面 平行，且方位仪轴心与基阵中心同在铅直线上。 利用1 、2 及3 、4 两组水听器接收到的信号估计出目标的方位( 口，a ) ， 也即目标的水平方位角和俯仰角，调整方位姿态仪，改变自身运动方向，跟 踪目标以及实施攻击。 由此可见，利用四组接收水听器对目标参量如方位、距离进行估计，实 现目标定位，从而达到跟踪并命中目标。鉴于此，主动自导系统的基本结构 如图2 3 所示。 8 哈尔滨r 程人学硕士学位论文 图2 3 自导系统原理框图 整个自导系统可以分为三大模块，发射模块、接收模块以及信号处理和 控制模块。 发射机的主要指标包括：声源级范围、声能转换和功率放大效率、发射 频率带宽以及发射信号的类型、脉宽等。信号波形产生器可以采用数字方法 实现，因为数字波形产生器具有很好的柔性，适于产生各种自导信号波形。 为了实现驱动换能器大功率发射，并且高效率、集成度高，可以采用数字功 率放大器。在信号进入换能器发射前需加上匹配网络，匹配网络可以改善负 载的阻抗特性，并可以对换能器发射电压的频率响应进行补偿和充分利用声 发射系统的工作频带。 由于接收水听器输出为带噪声的微弱电信号，所以在信号处理前需要进 行一系列的放大和滤波。首先信号进入一个高输入阻抗的前置放大，以此来 获取信号、抑制干扰电噪声。同时进行滤波，滤波的目的主要是避免在进行 频带转移和数字转换时发生混叠。最后采用多级放大，将信号放大至接近a d 采样输入电压范围，保证信息的最优转换。 a d 转换器用于完成将模拟波形转换为数字波形，它的性能直接影响着 系统的技术指标。d s pi i 是整个系统的主控器件，一开始完成所有工作参数 的设定，包括：平均声速、工作频率、门限值、补偿值以及其它的各项参数。 d s pi 接收到发射信号的信息之后，按照一定的周期给出发送信号的类型和 脉宽，并且提供发射同步脉冲换能器发出信号；与此同时打开计时器，在接 下来的时间中对模拟模块进入的信号按照给定的门限值进行实时的采集、检 测与估计处理，得出目标的距离等数据结果，并将结果送至d s pi i 进行后置 处理。d s pi i 根据算得的距离等数据结果，加上方位姿态控制仪的方位信息 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 最终给出实时的舵机控制字。 2 2 影响主动自导性能的主要因素 评价自导系统特别注重以下两个方面的性能闭： ( 1 ) 信号检测能力。通常指自导作用距离。 ( 2 ) 精确测量目标能力。即具备精确估计目标参量( 目标方位、距离和 速度) 的能力。 而影响上述性能的主要因素有信道、自导波形和信号处理。这里自导信 道指源于信道的各种因素，包括信道本身、噪声、混响和目标；自导波形主 要指自导发射的波形，包括工作频率、信号包络形式、频率或相位调制形式 ( 单频、线性调频、双曲调频等) 、频率分集或时间分集等。下面将讨论这几 个主要方面的问题。 2 2 1 自导信道 2 2 1 1 海洋信道 主动声自导系统是工作在海洋环境中的，发射换能器发出携带信息的声 波，通过海洋到达接收水听器基阵，接收来自目标的回波信号或辐射噪声和 迭加在信号上的干扰，对其进行处理和变换，获得目标信息，从而导引主动 声自导系统跟踪和攻击目标。主动声自导系统自导的信息过程是在海水介质 中进行的，海水介质是主动声自导信道。可见，海洋就是声信道，一般说来， 海洋声信道是时变的、空变的相干多途信道川捌。 主动声自导系统信道是影响自导性能的一个主要方面。自导信号是通过 海水介质传播的，海水介质的复杂性，如界面、潮汐、海水不均匀匀体的运 动、温度剖面及微结构和海水介质声的衰落效应和模糊效应，使得主动自导 信号产生严重的畸变、解相关、分辨力下降和测量目标参量的误差增加，严 重地影响自导信号检测、参量估计和目标识别功能嗍。 信道使在其中传播的信号波形的包络及其谱的幅度和成分产生变化的效 应称为信道的衰落效应，该信道称为衰落信道。由于信道的时变性，一个等 幅单频波形输入，其输出包络不再维持不变，而产生时变起伏现象。不同频 率的波形可能有不同的波形衰落，因此，时域衰落具有频率选择性，即与频 1 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 率有关，其一般由信道的频率不均匀性( 如频散和多途) 引起。时域衰落常使 矩形谱包络产生畸变，如图2 4 所示，图中【，( 厂) 为输入信道的信号谱；y ( 厂) 为经信道传播输出的谱。同样，由于信道的频率不均匀性，一个具有均匀谱 的6 ( f ) 脉冲输入，其输出谱包络不再保持均匀，波形谱产生畸变。信道的时 变性使这种频域衰落具有时间选择性，即与时间有关，其使理想的矩形包络 产生畸变，如图所示。图中“( f ) 和1 ，( f ) 分别为信道输入和输出信号；b 和t 分别为输入信号的带宽和时宽( 定性地说，信号时宽为信号的持续时间，信 号带宽为信号占有的频率范围) 。 1 1 压u ( f ) b 2 0 b 2 7 f v ( f ) ， 、厂，八一、 j。 o f 1 矗 “o ) 玉| 2 0t 2 v t t ) 厂 、卅 i o 图2 4 信道的衰落效应 信道对传输波形的影响，决定于输入波形的时宽、带宽和信道本身的特 性。信道的衰落效应引起信号分辨力下降。在主动自导中，希望信道能无畸 变地传输信号波形，以利于相关检测和目标特征提取，同时希望得到高分辨 性能，以便能以较高精度测量目标。然而，信号的无畸变传输和高分辨性能 的获得都受到信道衰落效应或模糊效应的限制。因此，主动声自导系统应合 理地设计波形并采用相应的处理方法，减少信道对自导系统性能的影响。 2 2 1 2 目标回波特性分析 目标强度在自导系统设计和性能预报中起着重要的作用。在现代主动声 自导系统设计中，单纯了解目标反射和散射的宏观特性是不够的，为了实现 自导信号的最佳处理和提取目标特征，还需要了解目标反射和散射回波的精 细结构，也就是目标的几何特征和物理特征。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目标回波是入射波和目标相互作用产生的，即目标回波是目标对入射波 的变换结果。一般地，从波形及其他特征来说，回波与入射波是有差别的。 人们利用这种差别可以检测目标和识别目标。 目标回波的重要特征有1 川州： ( 1 ) 多普勒频移。运动目标由于多普勒效应其回波相对于入射波产生频 移，频移量为： ，1 ， 厶t 坐厂0( 2 1 ) c 式中， ，为鱼雷与目标的径向相对速度；c 为声速：兀为工作频率。在 工程上可按厶一0 6 9 v ，o 计算， ，单位为l 【i l ，厂。单位为k h z 。 ( 2 ) 距离延伸或持续时间的扩展。一般地，与入射信号相比，回波是一 个被拖长了的信号，它的持续时间取决于目标沿径向距离方向( 即入射方向) 上的长度。当水下目标的回波是由所有沿目标分布的散射体和反射体产生时， 则目标整个面积或体积对回波有贡献。若入射方向为a 下，目标径向距离延伸 为，7 ，则回波时间扩展量为： 瓦一2 rc o s a r c 这种回波拖长是由复杂目标上许多散射体对入射波的散射形成的， 标回波的重要形成过程是镜反射，则这种回波拖长可以忽略。 ( 2 2 ) 若目 ( 3 ) 目标结构和外形特征。采用窄脉冲或脉冲压缩技术，可以得到目标 沿径向距离上的亮点分布。亮点的位置和强度分布，反映出目标结构和某些 外形特征，通过对亮点及回波拖长分析还可获得目标尺度信息。 ( 4 ) 调制效应。复杂目标的各亮点回波之间可能会产生稳定的干涉；目 标回波由于频率差异可能会产生干涉出现拍频或振幅变化；螺旋桨周期地旋 转可以产生回波的幅度调制。上述调制效应会使目标回波产生畸变。 ( 5 ) 频域上的共振峰或目标极点。采用频率适当和足够宽的宽带信号激 发目标，可以发现目标回波在某些频率上会出现峰值，这是由于目标存在固 有的共振频率的缘故。目标这些共振频率形成目标极点，是目标的固有特性。 ( 6 ) 目标参量的渐变特性。由于目标和主动声自导系统惯性的作用，主 动声自导系统和目标间的相对速度、相对距离和目标方位的变化是需要一定 1 2 哈尔滨工程大学硕十学何论文 时间的，有一定变化的规律。因此，目标回波的多普勒频移、目标距离和目 标方位不能突变。 上述是目标回波的主要特征，利用这些特征可以进行目标识别和分类。 2 2 2 自导波形 2 2 2 1 概述 根据仙农信息原理泌1 ，理想系统所能输出的最大信息量为 i m = t w l 0 9 2 0 + s )( 2 3 ) 式中，z 为观测时间：为处理带宽；s 为系统的输入信噪比。在主 动自导系统中，可以认为z 为信号脉宽，形为信号带宽。上式说明，为了增 加自导系统获得的信息量，对主动自导系统而言，应该加大信号的脉宽和带 宽，尽量提高系统输入信噪比。然而，s n 的提高受主动声自导系统自身条 件( 主动声自导系统及自导本身) 、信道条件和目标条件的限制，t 和形的 增加受自导系统复杂性及性能和信道条件的限制，在工程实用中必须进行折 中选择。 自导波形是主动自导设计中的重要因素之一。信号波形不仅决定了系统 的信号处理方法，而且直接影响系统在分辨力、参数测量精度、抑制混响等 方面的性能。根据前面的讨论，主动自导要解决的主要问题是检测目标、估 计目标、识别目标和导引l c h a w 攻击目标。为此，要求在于扰背景和目标 对抗条件下，以较低的虚警概率发现目标，提供一定精度的目标角度、距离 和速度信息，提供描述目标的某些特征值。在这种情况下，信号应具有足够 的能量，以提高输入信噪比，检测强干扰条件下的微弱目标和比较高精度地 估计目标参量；接收机应是最佳的或准最佳的，以降低检测阈和提高输出信 噪比：信号波形应具有较强的干扰抑制能力；信号应具有足够的带宽，以保 证所需要的距离测量精度和分辨力：信号应具有足够的时宽。 自导信号波形的设计和选择是以系统对目标信息的要求和干扰背景为依 据的，其与信道情况( 如深海或浅海，理想的或弥散的) 、目标运动规律( 如 低速或高速) 和l c h a w 跟踪目标的不同阶段及主要任务( 如远程、中程或 近程，检测、估计或识别等) 有关，在不同条件下，自导波形的设计是不同 的。最优波形设计一般有两种方法，一是根据系统需要给定波形的模糊度函 1 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 数，然后进行波形综合，这种方法比较复杂；一是简单的波形设计方法，即 根据目标环境和战术要求，选择合适的信号形式和参数，使系统性能满足要 求。后者是常用的波形选择方法。 2 2 2 2 自导波形选择 自导波形选择通常是指对工作频率、时宽、带宽和调制方式的选择。目 前使用最多的信号是c w 信号、l f m 信号、h f m 信号和时间或频率分集信 号。 1 工作频率选择。通常确定最佳工作频率是以在给定功率条件下作用距 离最大为准则的，最佳工作频率是信道参数、目标参数和设备参数的函数， 当给定作用距离要求时，可通过声呐方程求最佳工作频率。 应该指出，最佳频率并不是十分敏感的，它分布在一个频带上。在混响 限止下，系统不存在理论上最佳频率，但有实际的优选频率。 2 时宽t 和带宽b 的选择。已经指出，增加波形的时宽t 和带宽b ， 可以增加系统输出的信息量，有利于自导系统的工作。然而，t 和b 的增加 受自导系统复杂性及性能和信道条件限制，因而在工程实用中必须进行折中 选择。下面讨论选择波形的时宽t 和带宽b 的一些具体考虑。 在选择时宽t 时，主要考虑系统对信号能力、频率( 或速度) 测量精度 及分辨力和自导盲区( 或死区) 的要求，同时考虑系统复杂性和信道的影响。 增加时宽t 将增加信号能量，从而提高在噪声限止下的输入信噪比，有利于 目标检测或增大自导作用距离和目标参数的测量精度；增加时宽t 将提高频 率( 或速度) 的测量精度和分辨力；减小时宽t 将减小自导盲区，即减小自 导不能检测的最小距离，有利于近距离对l c h a w 的导引，提高命中目标精 度；增加t 会加大发射的平均功率，分辨力的提高会增加自导系统的复杂性。 在选择带宽b 时，主要考虑目标距离测量精度及分辨力和混响的平稳性 及抑制混响，同时考虑系统复杂性和信道的影响。增加带宽b 将提高距离测 量精度和分辨力，有利于导引。增加带宽b 将减小混响相关性，使背景平稳 化，通常认为，当硒 2 0 时，混响背景已经白化；采用单频长脉冲将使运动 目标回波的模糊度函数与混响散射函数交迭区减小或分离，有利于强混响背 景下的动目标检测；采用超宽带波形，可以激发目标的各种特征量，有利于 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 目标识别；一般地，选择带宽b 小于信道的相干带宽，以使信号可以无畸变 地传输；增加带宽会明显地增加自导系统的复杂性。 2 3 混响理论 主动声自导系统声引信为主动式声呐探测，对于主动声呐，除了受到海 洋环境噪声、舰船噪声等背景噪声的干扰外，还受到混响信号的干扰。混响 是一种特殊形式的干扰，它是伴随着声呐发射信号而产生的，所以它和发射 信号本身的特性有着密切的关系，还和传播通道的特性有关。混响是一个随 机过程，主要是存在于海洋中的大量的无规则散射体和散射面对入射声信号 产生的散射波信号在接收点迭加而形成的。由于混响是主动声呐特有的干扰， 在某些条件下又是系统工作性能的主要限制因素，所以海洋混响一直是主动 声呐领域极受重视的研究课题。 2 3 1 混响的概念 海洋中存在着大量的散射体，诸如大大l j , d , 的海洋生物、泥砂粒子、起 泡等，另外，不平整的海面和海底也是声波的散射体。因此海水介质和边界 的不均匀性，使得声波遇到之后而产生散射，所有同时到达接收点的散射声 波迭加形成了混响。声呐发射信号结束以后立即就收到混响，昕起来就像一 阵长的、慢慢变弱的、颤动起伏的声音。 混响是一个很复杂的过程，受到多种因素的影响，当对其进行理论讨论 时，我们需要忽略某些次要的因素，以突出其主要因素来简化复杂的讨论， 为此，我们假定如下阳： 1 直线传播，除球面衰减外，其它衰减的原因都可不计。当然，海水中 的吸收是可以计及的。 2 任一瞬间位于某一面积或体积内的散射体分布是随机均匀的，且每个 散射体有统计意义下相同的贡献。 3 散射体的数量极多，满足大数定理条件。 4 不考虑多次散射。 上述这些假设由于忽略的只是一些次要因素，所以得到的结果仍具有普 遍的指导意义。 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 2 3 2 混晌的分类 海中产生混响的散射体有三种根本不同的类别。海中海洋生物和非生物 体以及海水本身的不均匀结构，也就是说散射体存在于海水本身或体积之中， 它引起体积混响。海面混响是由位于海面上或海面附近的散射体产生的，而 海底混响则是在海底上或海底附近的散射体所引起的。后面两种混响，由于 散射体的分布是二维的，在分析上可以一起作为界面混响来考虑。 2 3 3 散射强度 散射强度是表征混响的一个基本比值，它定义为离散散射微分单元声学 中心1 米处单位面积或单位体积所散射的声强度与入射平面波强度的比值。以 分贝表示，即： & ，= l o l g _ - i s c a t ( 2 4 ) 其中，& ，表示单位面积或单位体积的散射强度，表入射平面波声强， k 表单位体积或单位面积的散射声强度，它们都是在远场条件下测量后再 按球面波规律归算到单位距离后得到的。可以看出，散射强度和目标强度是 两个类似的概念嗍硐。 2 4 混响仿真 关于海洋混响信号的仿真方法较多捌剀嗍3 1 1 ，这里给出一种比较简单， 且考虑了大多海洋环境因素的混响信号仿真实现。 2 4 1 混响模型 对自导系统体积混响是不重要的，故不予考虑，仅分析海面及海底混响。 假定散射体随机均匀分布在界面上，一个球面波照射其上，所有同时到达接 收点的散射声叠加形成混响。 混响y ( f ) 为： y m 笺哆s o - t i ) e j 肛d ) c o s 2 ( 口) ( 2 5 ) 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 上式中叩是与散射体的反向散射强度有关的量，它是一个高斯随机变量； p 表征发射声源功率，是一个常数；砉是双程球面波传播损失；卢是散射体 和平台运动引起的多普勒频移；d ( 口) 为基阵指向性；c o s 2 ) 表征遵循 l a m b e r t 散射。n ( t ) 为f 时刻同时到达接收点的散射元总个数。 k ( 乃 酞： 【 锄 f 0 图2 5 计算混响的几何关系 假定产生混响的散射体随机均匀分布在圆环带上，则t 时刻的方位角 口( t ) 为：( 海底混响) a o ) _ - - c o s - 1i h - z ：= c o s - i 2 ( h - z ) _ - - c o s - 1 2 ( 月r - z ) ，f ，k l ( 2 6 ) r “1c tc k z 4、 上式中f 为采样周期。 仿真混响信号序列的横向滤波器混响模型的计算框图如图2 6 所示。 图2 6 横向滤波器混响仿真框图 图中亭( 七) 是零均值，方差为l 的随机序列；卢为双程多普勒频移；矗为 1 7 哈尔滨工程大学硕1 j 学位论文 发射频率，单位为k t t z ；r 为载体下降速度，单位为节，声的啦位为弧度；c 为声速；k 为采样序号；f = 1 l ，为采样周期；d2 ( a ) c o s 2 c t 是考虑了收、 发联合指向性及l a m b e r t 散射指向性的加权因子。a 为一调整参数，a “p ”。 p 为距发射换能器1 m 处的声压。调整a 可以调整仿真混响的强度。 2 4 2 混晌仿真结果 假设海深为h = 1 5 0 m ，小平台仞始深度为z 。= 1 0 m ，目标槲对水平距离 为r = 1 5 0 m ，目标车h 对深度差为h = 1 0 0 m 。体积混响桐对界面混响来说比较 弱，可以忽略，只考虑界面混响。下面只给出了一路c w 和l f m 脉冲信号 产生的界面混响仿真结果。 5 蔫0 旱 5 c w 昧冲锟响信号 山l 一一 1 t 一一一 ”50 1 。“爵瓢o 2 5o3o ”o4 ( a ) f o = 4 k h z ，t = l o m s ，瓦。= 04 s c w 且i 冲混响信号 山。 一 胛t 7 0 0 5 。1 0 1 5 寻裔，s 。2 5 o3o ”o4 ( b ) ，0 = 4 k n z ，t ；1 5 m s ，r 。= 0 4 5 图27 c w 脉冲混响仿真结果 哈尔滨f ：样人学硕士学伉论文 l f m 脉冲混口自信号 o “0 1o “ 爵南，s o2 5o3o3 5“ a ) 凡= 4 k h z ，t = l o r e s ，靠。= u4 s ，b = 2 0 0 h z l f m 脉冲棍响信号 i j i | 龇 。 m 咿r 7 。 5 0 5 5 0 蜊坚 州粤 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 海洋混响信号的强度是随时间而衰减的，由于随机信号( 过程) 的强度 即等于其方差，所以它是一个非平稳过程。无论是从信号处理的角度