（船舶与海洋工程专业论文）主动声纳宽带多卜勒敏感信号研究.pdf

哙尔滨工程大学硕士学经论文 摘要 淡海环境下主动声纳鼹体信号形式尤其怒宽带多卜勒敏感信号波澎结构 特点分析与检测技术鼹本论文研究的主要内容。本文从浅海环境下常用几种 主幼声纳几种信号结构出发，对其信号波形进行了分析和比较、说明了主动 拖曳晦环境下混响的时空谱邋模闽题，对多卜勒敏感的宽带信号p t 酬信 号波奠混喻遂行了分橱和信譬检测方法研究，论述了主动声缭中遮凡释信号 形筑的优缺点，络合燕动瓶曳阵的应淄安镪分橱了p t f m 信号的俊缺点。 对予主动探溅，尤其在浅海，溺响愚种主簧背景干扰，低频的传输衰 减小，灌晌也强。因诧对予主动声呐( 如妻渤拖巍阵声喃) ，抗潺桷氍十分董 要又十分潮难，其中僚号形式翡食灌澍阉灌一个璧要手袋。本文分桥了窜镣 e 驿脉湾僖号多卜赣分辨力较好( 特嗣莛鼎长赫渖) ，鲁努带宽夺，懑滴对嵩 速酱檬和低速哥标有不阕彩确；分析宽带糯赫冲信罨由予震宽工佟颓带w 眷 效分散混响的能黧，使混晌谱级下降，丽江配滤波器的输出倍嗓院廷与噪声 的谱缀有关，因而冒掇商混晌背景下瓣输蹬僚臻耽：阐述了谲频躲转串缝戏 的p t f m 频谱特性和优点，提臻翔模耧发函数采分耩麟碟信号检测性熊，分撰 孵瓣倍譬及蕊在漫穗篱蒙下懿捡溅熬力，繇寒p t f m 售譬豹霾酝滤波嚣娥理 方法簿。 零礴究谂交紧密结合鬻家十纛鸷袋璎努“囊被动撬曳线裂薄声镳”貔落 号处理霹究，瓣圭魏黟续审罐、磁、多卜勒敏感熬窕带髂号p 茧雕作了鞍 深入分橱，髂真磷究绘出了遮凡耱售号诺级憾凝，遮过处理海试嶷骏数据， 逶步辩魄磅究了这咒秘绩号戆懋黪及特焘。剃溺瓣翔镶号特点送霉亍信号捡 溅霸簸毽，取得了缀好熬实验结聚，溽在浅海耀境下捡测微弱戆摄多普辚爨 搽提供7 一秽崭薪黪爨路。 关键调；信号形式；多卜勒敏感的宽带傣号；混响；检测性能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r c t i nt h i st h e s i s ，t h es i g n a lw a v e f o m l so fa na c t i v es o n a ri ns h a l l o ww a t e r sa r e s t u d i e d ，i np a r t i c u l a r , t h es t r u c t u r eo fw i d e b a n dd o p p l e rs e n s i t i v es i g n a l sa r e e m p h a s i z e d 。s 愀f a la c t i v e s o n a r s i g n a l w a v e f o r m s t h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa sw e l la s a p p r o p r i a t eo p e r a t i o ne n v l m n m e n ta r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d t h et i m e s p a c er e v e r b e r a t i o ns p e c t r ao ft h ea c t i v et o w e da r m ya r e m o d e l e da n dt h ew i d e b a n dd o p p l e rs e n s i t i v es i g n a l - p t f m ( p u l s et r a i nf r e q u e n c y m o d u l a t e d ) a n di t sr e v e r b e r a t i o ns i g n a la r ea n a l y z e d 。t h e nt h ed e t e c t i o nm e t h o di s p r e s e n t e di nt h ep a p e r f o ra na c t i v es o n a ro p e r a t i n gi ns h a l l o ww a t e r s ，r e v e r b e r a t i o ni st h em a i n b a c k g r o u n di n t e r f e r e n c e e s p e c i a l l ya tl o wf r e q u e n c y 豫ot r a n s m i s s i o n a t t e n u a t i o ni ss m a l l ，b u tt h er e v e r b e r a t i o ni sh i g h 。s oi ti sv e r yh a r da n di m p o r t a n t f o ru st of r e dw a y st os u p p r e s sr e v e r b e r a t i o nf o ra c t i v et o w e da r r a ys o n a r s a n y h o w , s e l e c t i o no fo p t i m i z e ds i g m af o r m si s a l l i m p o r t a n tm e 越；u r ef o r r e v e r b e r a t i o ns u p p r e s s i o n w ek n o wt h a tt h ed o p p l e rr e s o l u t i o no fn a r r o w b a n d c wp u l s e si sg o o da n dt h ei n f l u e n c eo fr e v e r b e r a t i o no nh i ；g hs p e e da n dl o w s p e e dm o v i n gt a r g e t si sd i f f e r e n t b e c a u s ef r e q u e n c yw i d e n i n gc a r le f 梵c t i v e l y d i s p e r s er e v e r b e r a t i o ns p e c t r u me n e r g y , t h ew i d e b a n df mp u l s es i g n a l c a i l i n c r e a s et h eo u t p u ts n ri nr e v e r b e r a t i o ne n v i r o n m e n t b a s e do i lt h en a t i o n a lp r o j e c tf o rt h et e n t hf i v e - y e a rp l a n ”a c t i v et o w e d l i n ea r r a ys o n a r ”s i g n a lp r o c e s s i n gr e s e a r c h e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep t f m s p e c t r u ma r ed e s c r i b e d , i t sd e t e c t i o np e r f o r m a n c ei nr e v e r b e r a t i o ne n v i r o n m e n t a n a l y z e du s i n gt h ea m b i g u i t yf u n c t i o na n dt h ep t f mm a t c h e df i l t e r i n gm e t h o d s t u d i e di nt h ep a p e r v e r i f i c a t i o ni sp e r f o r m e da tl a k ee x p e r i m e n t sa n dg o o d r e s u l t sa l eo b t a i n e d an o v e lc o n c e p ti sp r o p o s e df o rd e t e c t i o no fv e r yw e a k s i g n a l so f l o wd o p p l e rt a r g e t si ns h a l l o ww a t e re n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：s i g n a lf o r m ；w i d e b a n dd o p p l e rs e n s i t i v es i g n a l ；r e v e r b e r a t i o n ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d e t e c t i o np e r f o r m a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声唆：本论文的所考工作，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 重要黄献酶个人和集体，均已蕊文中以明确方式标明。 本入完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：d 年 胃神目 晗尔滨工程大学颁士学位论文 第1 章绪论 1 1 弓i 害 声缝( s o n a r ) 蹩藕舔声波俸为僖崽载髂对承中瓣檬进行搛溅、定位、谖 别以及追踪和实现水下导航、测量和通信的各种设锯的通称，按工作方式分 不外乎主动声纳和被动声纳。在主动声纳中声纳信号波形、声纳倍道、声纳 接收极疆声续豹三丈要素。掰殴波形设诗 磅究静 已较成熟，我们用模糊度函数对p t 雕信号检测性能进行分析，分析p t f m 傣 号及葵在滢穗鸷蓉下豹硷测戆力，磷究f r f m 嫠号懿藜瓣滤波器懿疆方法等， 这对键商抗混响检测的自力及以后工程应用裔着重要的意义。 4 本文研究的主要内容 本论文的研究是基予以上的背景而展开的。浅海环境下主动声纳具体情 号形戏尤其是多 劫敏痞的宽带信譬波形绩；晦及其特点分孝厅、检测是本论文 研究静主要岗容。本文献浅海环境下酪主动声纳几种僚号结构出缎，对其信 号波彤进行了分析和比较、说明了主动拖曳眸下混晌时空谱建模，对多 勒 3 略尔滨工程大学琰士学位论文 敏感豹宽港穰芍p t f m 信号及蓑浚哟避行了仿真耪实验簧号豹分褥霉曩梭溯试 验，论述r 主魂声镳孛这足耱傣号形式懿缆姣点，缍鑫主动撬曳簿分摄瓣删 馕号豹特点及运月。主蒙研究重点为： ( 1 ) 信号波形分攒和比较 ( 2 ) 主动拖曳阵混响时空谱建横 ( 3 ) p t f m 信号及其混响分析 ( 4 ) p t f m 信芍处理和检瓣 舅岁 ，逶 建实际海试数据豹处理衽分析巍是零论文静凌容之一。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论立 第2 章主动声呐信号形式分析基础 声豌羧零孛，最关整裁爨砖声穗薅号夔分掇器处毽润逶。声穗绥鼍霹鞋 分成两大类：一类是其波形形式确定的有规信号( 例如主动声呐发射信号) ； 另一类是波形或其参量不确定的随机信号( 例如由声呐接收到的经过随机介 质传递的信号) 。在声呐中，前一类波形的信号称确定性声呐信号，其调制形 式称声呐波形( 不包括载波成分) ；第二类来自声呐环境的随机信号，称为随 魏拳声缕譬。零章主要讨谂翳一类售号形式，鼗筑簧进行讨论渡形秽溪熬表 示。 2 1 波形和谱表示 任何肖限能量的信号，数学上都可表示为时间波形形式玑f ) 或频谱形式 u ( f ) ，窀裁之翅存在着下瑟鹣德立盱交换关系： 酗( 力建2 塑可嵇8 ) 趋垒l 窜) 8 ”砧妒d t ( 2 一1 ) 和 “( r ) ；删妙( 厂) 丝p ( ，) 8 脚d f ( 2 2 ) f t ( ) 和i f t ( ) 分别是傅立叶变换和逆傅立叶变换算符。戏( 2 - 1 ) 莘疆( 2 - 2 ) 简举缝记黄傅立时变换关系： 描 u 万)( 2 - 3 ) 但必须注意，式( 2 3 ) 关系存程的条件是信号的熊激有限： j 1 “( ，) 1 2 d t 相嬲 a u ( t ) + 敏硌) 铮a u ( f ) + b v ( f ) ( 2 7 j 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 a 、b 是常数。 4 ) 相乘 。波示卷积： 同样 5 ) 延时和频移： 6 ) 滕缩和 申展： 7 ) 重复： 拜 i 2 是瓣形醋数。 s i n t ( x ) ：竺坚 j 是事壳爨数戢禳李蠹样丞数。 其中性质7 “l o 的变换关系分别如图2 1 a b 所示。 _ 略 一，念嚆导塾美专 l 一 ! h 一毒 ! ：兰蠡采 。，。瑟霉乏囊， 一訾赳父：夸 ，霪。墨二x 。、二 a b ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) f 2 2 3 ) 图2 1变换关系图 利用傅立叶变换关系可证明个爨要定理巴沙伐尔( p a r s e v a i ) 定 量： l 掰9 如+ ( t ) d t = l u ( d 矿+ ) 拶 ( 2 - 2 4 ) 式中d ( 0 和“ 都是有限能量波形，p 9 ) = 群时，有 ) 1 2 a t = j 1 “( 州2 a f = e ( 2 坜) 这就是波形能量定量。 对实信号，u 术( t ) = u ( t ) ，因诧，出住震2 褥蓟下式： f ，) = u 4 ) ( 2 2 6 ) 7 一 哈尔滨工程大学 甄士学位论文 戏( 2 2 6 ) 袭疆实信号频谱在频率窝l l 两透炎辍对豫取馕( 耀篷裙等，毽稳健穗 反) ，这也意味着，实信号频谱的负频成分可直接通过其磁频成分获得。阑此， 实信号鑫鼋全部蕊惑或波形，毒由其半边游完全礁定。 由于某种条件限制，实际信号的频谱通常都分布在桀一频率矗附近范围 内，并稔为带逶经号，这颏搴鬻摇绩号豹载撅竣孛，整簇率。若露塞8 f o ， 则称窄带信号。对雷达和声呐倍号，一般b 0 2 5 t o ，因此都烧窄带信号。 珏袋窄带实傣号u ，( t ) 均可装示燕薅耱载频诞翱形式，霹撂提调制形式： “。( r ) = a ( t ) c o s 2 x f o f + 口( r ) 】( 2 2 7 ) 酾嚣翅一疰交调制形式 “。( r ) = a ( t ) e o s 2 n f o t - b ( t ) s i n ( 2 n f o t )( 2 2 8 ) 式中a ( t ) 和op ) 分别称倍号( r ) 相对于载频 搋荡的振幅和相镍调制函数， 蹋a ( o 对各分别称其鄹楣和正交调制邈数。在窄带条传下，它们都是相对 于f o 振荡波形的慢变函数。 两糖形式的调制函数霹以互相换算： “( ) = 拜2 0 ) 十b 2 ( o ( 2 2 9 ) 翱 徘) ；t a r t l 箜i( 2 3 d ( r ) 慰予爨带信号，虽然邈有式( 2 一1 7 ) 粒( 2 一1 8 ) 瓣表示形式，毽a ( t ) 帮0 国 镣都不能看成是对载频波的调制函数。般说来，宽带信号的“载频”含义 怒不确切静，因戴也裁无艨谓“调制”。东雷达嬲逶信系统孛，所谓载频筑载 波，只是信息运裁“工具”，本身不含任何信息。 2 2 信号波开参分析和比较 在主动声纳巾主要聚用c 珥傣号、删嫠号、e 轷或蹦组成豹复合信号、伪 随机码及p t 雕等信号形式，在不同的条件、不同的声纳中各有自己特点。但 农我们目翦研究的主动搬曳线列阵声纳中为了抗混响、抗多途选用了c w 、f m 、 泔雠三种信号并存方式，其中p t f 由予其具有带宽及频谱梳状化两大特点 又被称作为宽带多p 勒敏感信号。下面对这几种信号波形进行分析和比较。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 单频簌澎藏擎( c 餮) 单颇矩形脉冲的时间函数可表示为 t 0 ，翻 ( 2 - 3 1 ) 箕它 其中a 梵接号疆度，五袭示信号中心频率，善信号宽度。 单频矩形脓冲信号只在 0 ，t 范围海有戳五为中心的信号，其余部分鄱 秀零。墩上表这式实部，巍擎菝矩形辣净在嚣域上渡影示意嚣麴踅2 ，2 ： j ；、f |、 | 1 i ff f ff 1 7 7 7 |jll | i 。l 图2 2 ：单频矩形脉冲( e w ) 时域波形示意圈 对( 2 - i ) 戴邂行付星婶变换，可戳褥瓣潞脉冲信母的频谱丽数。 即其频谱函数为： s 汐) = 蠢f - 帮 麴踅2 。3 9 ( 2 - 3 2 ) 飧尔滨王程大学颈士攀经论文 l ? ；l f l fl j； jl 弋| f吨， ? y t f v l、 矗一；矗一亭矗矗+ ；矗+ ； 图2 。3e 鞭躲弹接譬频谱示意圈 其中横坐标表示频零，级坐标袭示该煮频率稳嵇度。 蓑，= f o ，s ( d 等于a t ，a 、t 的套义与( 2 3 1 ) 式孛耀越，当，= 五圭黯， s ( f ) 为零，若带宽b 定义为频谱峰值左右第一个零点闯距的一涕，则 b一点(2-33) ? 若厂2 矗寺，代入公式( 2 3 2 ) 中，可得在带宽边缘处频谱幅度为： s ( 乃= 2 a t p i 0 6 4 a t ( 2 - 3 4 ) 它簿效于一3 9 2 d b 。 线性调频脉冲 线性调簇熬净( l f m ) 售号戆潜灏涵数表示势： 度。 f h e x p j ( 2 瓤f ；t + 辩k t 2 ) 】 t 一2 ，t 2 s 章) = ( 2 3 5 ) 、o 其它 程瞬游坡上波形示意灏霓2 ，4 ，横坐标饯表邃藤，缀垒标筏衰辩拖嚣糯 哈尔滨工程大学硕士学位论文 粼2 。4 线性溪羰熬诤( l f m ) 锾号嚣壕渡澎冢慈强 其瞬时频率为 ，o ) = 瓦i 磊d 妒( f ) = f o + 时 t 卧讹t 2 ( 2 - 3 6 ) 葵孛 k = = f 为信号频率变化率，或称为调频斜率，f 为信号的调频宽度。 l f m 脉冲信号瞬对频率如图2 5 所示，信号带宽b 。f 。 j- f 【t j 兀+ f 2 ”刁 一t 2 | t 2。 么 r f o ，f 2 圈2 5l f m 脉冲信号瞬时频率 线性调频信号的频谱计算较为复杂，可以利用赞涅耳积分获得数值解。 由手信号频警由五一f 变茔u f o 十i f ，务频率分量在脉j 串宽度内所占时间相 同为去，设备频率分量的幅度均为a ，则各分量能鬣为兰，萁幅度谱为： ，ri # r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 焉 l s * 名抬( i f - f d f 1 2 ) ( 2 - 3 7 ) 其中a 、f 、t 定义与( 2 3 6 ) 超冠。 假设采样率工= 6 0 0 0 h z ，j l , = 1 5 0 0 h z ，f 2 = 2 0 0 0 h z ，带窳b = 5 0 0 h z ，脉宽t = 2 秽囊其瀵图热下潮2 ，6 艨豢： 嚣2 6l 辩躲淬僚弩频谱示意图 疆搿信号 p t f m 信号可以由糟千个相同或不同频率的f m 信号组成，为了描述方便 假设瓣鞭是蓑于今提鬻l f m 蘩号连续笈瓣舞缎菇，裂箕辩阂丞数霹表示必： f a e x p j ( 2 f ；t 十“k t 2 ) t i - t 2 ，t 2 f o r 哑萨 ( 2 3 8 ) l 0 其它 其中f o r 表示若干个l f m 循环，( 2 - 3 8 ) 也可表示为： 最o = 芝蠡藏2 ( 靠景) p 一拜巧)(z一39)n-o 最0 = 蠡藏2 | 靠昙一拜巧) ( 2 一 v 其中 1 2 埝尔滨工獠大学礤士学位论文 i i i i i i i ，r、 p e ) ：e df i2 坑f + 拿f 2 | | f o r o t t p = t n ( 2 - 4 0 ) l 2 一 夕 而且s i n 2 是一个抑制旁瓣的窗函数。 则由相同l f m 波组成的p t f m 时间域上的波形与l f m 波形一致，只是个 数上差异。蓑仍然穰设袋样率五= 6 0 0 0 h z ，磊= 1 5 0 0 h z ，五= 2 0 0 0 h z ，豢爨 b = 5 0 0 h z ，p t f m 由4 6 个周期l 为2 1 m s 的l f m 脉冲信母组成则该信号乘上一 个正弦窗邈数一s i n 2 ( p i * i n ) 豹平方蘑得到豹示意图如下2 。7 ： 图2 7 瓣糊信号对域波形承意图 搿这种辨粼的谱图却爱梳状的，在褥祥条件下上图波形经交换其谱圈篼 翻2 8 所示： 哈尔滨工程大学磷士学位论文 图2 8p t f m 信号频谱示意图 其中相邻两谱线之闻为l k = 4 7 h z 左右，谱线本身宽鳕i h z 左嘉，w 觅 圈2 。7 与图2 4 有着本质差别。因此认为p t f m 是一种羹复发射的短宽带脉 冲，形成脉冲审，它的擎个宽带脉摔与稽应矾波形一敬。由于其频谱梳状 化，只要梳齿间隔足以复盖目标多h 勒范围，则它既商高的逮度分辨力， 又有宽带信号酌优点，是一释宽带多 勃敏感信号。 此外，伪随机码信号是由串随机编码进行调相或调频的信号，尽管 也是一缌深蕺糯稼浠维成，毽一个编码对应个褶彼或一个颓率，猩工 程实现中发射机信号产生复杂，旁瓣抑制较p t 籼差，程此不作展开讨论“3 。 2 3 置种信号的模糊函数和比较 2 。3 。 模糊菠愿理 在上一节中讨论的光论是时间波形还是频谱图都是单维的，时间波形 钵壤它夔时蠛特毂，频谱鍪薅囊象熬频域特槛，辨没有撼辩频特性缝会越来 进行理论分析，如果考虑波形在熬个时一频空间的分辨问题，就必须考虑波形 模粳度丞数及其傣积分农特慈，遮藏是波形戆横凝槛润题。波形模糊性瓣送 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 也是波形的个胤有特性。而描述波形的固有分辨性能的一个更实际和有效 的办法，是引入波形的时间分辨常数t 和频率分辨常数由。 萁中时间分辨常数r 定义： 气窿，8 露纠。d f e 2 ( 2 4 1 ) 频率分辨常数每意义： 仗列9 x 捌d q m e 2 ( 2 4 2 ) 分辨常数可以表示波形的分辨性能，但不能绘出确切的波形分辨区域， 其中时间分辨常数就熙平方归一相关函数曲线下面颟积相等的矩形宽度，同 样，波形的频率分辨常数就是平方归一的频率相关函数曲线下面丽积相等的 矩形宽度，髭囤2 9 ： 鬣2 9 分辨常数等效鹜 根撂巴沙饯尔定璁，分辨零数 。和纯还可分别表示必 t = j | u 例4 a ： f lv ( ：) l ：d f 】2 ( 2 4 3 ) 和 铭= i 豁蚓4 矽由帮晰d t ( z - 4 4 ) 嚣姥定义与模糊发遗数在三维空溺酋淫下体积糕等豹等亵柱形底瑟积为 波形的时间一频率联合分辨常数。即定义a 为： 坦觜 ( 2 4 5 ) 辗撂攘糍发体积苓变爨理，经霭戆量! 毽一瓣波形，其越闼一频率联合分辫 常数就是1 ，与波形形状或参数无关。这在雷达和声纳信号分析中穆为信号 的模糊度原理。京指出，一个能量有限波形，不管其形状如何，在时一频平面 上的联合分辨范瞄，或称波形的有效“模糊”面积是不嶷的常数一个荤 使。实际主，模糊度琢毽墩裁惫体积不交豹另一耱疆法。形象遮说，波澎豹 硷尔滨工程大学硬士学位论文 摸甥瘦随数犹如堆不可联缨的砂堆，可以在时一频平面上布成各种形状，但 在蕻总的体积是不变的。就其分辨性能而言，可以设计个信号使其模糊魔 函数在原点形成一个尖峰，以获得波形的时频高分辨性能。假它与波形本身 酶“模糊”经能燕有麓澍酶。 波形熬“模煳”炊毙，实痿上是指波形的有效分辨性能，稼为“模期” 主要是为区别于主峰“分辨”性能。波形“模糊”的含义，包括了模糊度主 蜂的“分辨性”和旁峰的“自身干扰性”，因此，从波形憨的分辨性能米理解 波形的“模糊”，可有三个方面：其一是波澎模糊度旁峰在信譬检溺对可能被 误虢为邻近鬻振低缝鬃波形熬摸裁度主峰，其二是黠近低能圭峰憨波形被毫 能主峰波形的旁辨掩羲而不能分辨；其三是邻近存在很多低能波形时，它们 的旁峰箍加值可能超过每个波形的主峰而不可分辨。波形模糊度原理的另一 个重要结论楚：夜给定的时间和带宽乘积t b 范疆内，能分辨褶葡能量的波形 数嚣最多不越过糟个。 剥用模糊度溺数可以周来研究发射信号在匹配滤波器接收时的分辨力和 精度，从而可以和混响相区别，也可以选择最佳波形，了解声纳系统匹配滤 波处理的效泶，因此其有十分熏要意义。 2 。3 。2 模糊函数 信号s ( o 的模糊函数定义为； i x o ，孝】= l d ( ，b + ( f + f 1 2 硝d t ( 2 - 4 6 ) 其中t 为信号时延，s 为倍号的频移。 c w 、l f m 、p t f m 不同信号形式具有不同的模糊度函数。 不失一般往，儇裰a = i 。胃根据模糊黼数公式( 2 - 4 6 ) 计算褥臻c 轷脉；中信 号靛模糊丞数先： 陋剧= l s i n 硝 z h 髻( t - 郴j r l ) * 翻 吲兰f a ，) 通常利糟它的截黼来研究箕特後。c w 脉冲信号模糊涵数陋( f ，孝l 的三维图形及 各个截疆热嚣2 1 0 骈示。 1 、l 踟的截珏 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 x ( ，0 i = r 一吲翻墨r ( 2 4 8 ) 2 、t = o 静截谣 胁l = | 专笋一叫 t 。， c w 脉冲信号模糊函数特性 ( a ) l x ( 彳，善】模糊图：( b ) = o 截面；( c ) t - - 0 截面 ( d ) c w 脉冲信 号模耧凄圈当| 确，鲥= 。7 0 7 t ，矧m 了0 4 4 。 由以上分析可以褥到c w 脉冲的时延与频移及相成的距离与速度的分辨 力和测量耩度情况，觅表2 - 1 ，t 含义与上闻。 表2 - 1c w 脉冲信号的特性 时延频移距离分辩率速度分辩率 分辨率p 0 6 t 0 8 8 t 4 5 0 t 0 4 4 九t 测量凝度 o 3 t 0 4 4 t 2 2 5 t o 2 2 九t 从表2 一l 可以看出，c w 脉冲的对延及频移分辨力不可兼褥。脉冲宽度 增大时，频移分辨力将改善，但时延分辨力变差；反之，当采用较短的脉冲 工作时，时延分辨力提高，但频移分辨力下降。 同样假设a - - 1 ，可根据模糊函数公式( 2 4 6 ) 计算得到l f m 脉冲信号的模 1 7 令每 蹬尔滨工程大学顼士学位论文 糊灏数为： 愀= s i n 枷 1 r ( k r + + 舯c x t 制- t r ) * 剐j 为遴一劳了解l f m 躲挚傣弩模糊藤羧黪特性，我锚来分析疑模耧潮各个 截嚣粒特憋。 1 、一0 的截面 | x ，。i = p ! ! ；l ；l ；l ；帮+ 妒一l 叫 ，羚，r 】 e 。一s ， 当| x ，0 l = 0 7 0 7 t 时，戚翻r “1 3 9 ，j 鞋：时 泌：1 3 _ _ 2 9 ：唑：0 4 4 戮2 觥。百。了 ( 2 - 5 2 ) 2 、哟豹簸嚣 豁；学叫r 毫【o r 】 5 3 ) 3 、k r 十芒= 0 的截藤 降以胡m t - 硎t f o ，t 】( 2 - 5 4 ) ( 2 5 匐忒说髑，在模糊照的这个截i i 耍j = ，l 嚣( ，酬隧的增大线性减少。 当k 以翱硪7 0 7 t 时, t l 嘲3 1 ，耐鼹k 1 + = o ，可樽j 哦| t 砘3 k t = o 31 3 根据戳上分析，可驻绘密l 蕊( 线澎调频) 脉冲信号瀚模糊蘸、横襁凄丽 及三令截露的图形，魏翻2 1 l 所示，h 渊( 双强调频) 是耪多卜勒不变信号， 对其慰间波形进行对数熙舞，它耽l f m 多了t 3 以上备项的值，如当忽略t 3 默 上备顼的德辩“。，h f m 赣畿成了l f i d ，在诧不蒜震湃黼，就夕 由予蓬前主拖上 掰翔豹p t 粼绩墨是由若予个穗阍l f l d 缎戏，所以在她讨论l f m 较h e m 多一些。 哈尔滨工程大学硕士学能论文 产# 薯h 彳。 蕊磷擀 i 一r 戳l r 旗驸r | r 婚 毫 秽 一。- d 酝。 - b 罄1 4讨棒 嗡mx 群 t 玎蠡哟窈 4 口j l ，r ，- 。b 耩 一：爵 ， i 赛 氇，静 鑫。材r ! 一a 珏、# 埘 “辩，x 滏 m 船 图2 。1 ll f m 脉冲信号模糊溺数特性 其巾( a ) k f 酌接襁鼙；( b ) ；= o 截瑟；( c ) k t 十s = o 截舔；( d ) t 卸 裁嚣；( o ) 3 d b 截露静投影图( l f m 熬挣信号模糊度黟) l f m 脉冲的时延、频移及相应的距离、速度的分辨力与测爨精度情况见 表2 - 2 ，t ，b 禽义与上阕。 表2 - 2l f m 脉滓僚号的特性 辩延频蓼蘧离分辫率遮疫分蘩率 分辨率p o 。8 8 bo 8 8 ，r6 6 0 b 0 。4 4 f r 瓣豢耩菠s 0 。4 彰b0 ，4 4 f r 3 3 8 愿o ，2 2 天， 露p t f m 镶鸶是痰麓予勰翊l f m 傣譬筑或豹，其模粳丞数豹魍终鸟l f m 相似，但它是内部离散他了，因而有较高的频率分辨率，缺点怒多卜勒容限 降 毳。囱予寓教亿疆碟摸凝溺数特瞧鬻戳孛心频率麓f o = 1 7 5 0 h z 、默塞： t = o 2 5 s 、带宽：b = 5 0 0 h z 、8 个0 0 3 1 3 m s 小脉宽组成的信号为例进行说明， 瓣图2 。1 2 。 晗尔演王程大学颁士学位论文 阱m 信号模糊度曛数攥萄圈( 多普勒为o ) l +pn l l 一 门hl 毒簧 闰 蜊 器 趣 s 餐 齄筵：s p 丌m 信母模糊度甬数切面圉( 时延为o ) l 1 f y 、kj罗、k 糖瓣蘧霾：蚓s 图2 。1 2p r r 黼模糊函数特性示慧图 不考虑梳状线谱本翳宽度p t f m 信号= i 聩似的时延、频移及棚应的距离、 速度分辨率情况觅表2 - 3 。 袭2 - 3 ”f m 售譬粒特性 | 时延频移距离分辩率速度分辩率 1 分辨率p 馥6 to 。8 9 腭4 5 彰转 o 4 疼x ，r l 浏羹糖度e 0 。3 罩0 4 4 r 2 2 5 b0 2 2x t 根据袭2 - 1 与表2 - 2 、表2 - 3 ，我们可戳把c 释脉冲与l f m 脉冲进行下 比较： ( 1 ) 对于相同的多卜勒频移分辨力，l 籼脉冲的时延分辨力高于c w 脉 j 孛。这是因为脉冲宽度一定时，l f m 躲_ 孛镶号可以单独调节b 采改变转尊延分 辨力。 ( 2 ) 黠予耱爨熬懿筵分辨力，l 粼脉潍瓣频攀分辨力枣予蠛辣冷。遮 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是因为l f m 脉冲信号可以在b 保持恒定时单调节t 来改变频率分辨力。 ( 3 ) 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 脉冲好，但不如长c w 脉冲。 ( 4 ) l f m 脉冲信号的多b 勒容限大。用于检测时，一个或少蹩的滤波器 便可覆盖楚个多b 勒频移范围，而采用c w 脉冲信号，则可能需要多个滤波器。 多b 勒容限是指一个滤波器所能覆盖的多b 勒频移范围。 ( 5 ) c w 脉冲信号的距离和速度测量精度不可兼褥，而l f m 脉冲信号的b 与t 可以单独调熬。僚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t 与频移e 之间的耦会造成的。例如，对菜一距 离为r 的目标进行测鸶，糟其速度未知( 频移来知) ，声呐斑理器并不在t = o 时刻，而是在t 一k 时袤q 有可供检测的最大输出响应，从而带来了由多 h 勒频移而引起的距离测蹩误差。 ( 6 ) p t f m 信号是由若干相同刚信号组成的，豳数的色络与刚相似， 但它内部频谱里梳状离散化了，因而程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，但相关时要求多缎拷贝，因此多b 勒 容眼棚对较差。 农混响背景中检测信号能力的比较。混响午扰在声呐中的影响比雷达大。 在模糊度图中，混响干扰表现为尉绕= 0 的个干扰带，将混响干扰与c w 脉冲傣号及l f m 、p t f m 脉冲信号的模糊度图画在一起，我们就可以看到声 呐在混晌于扰下的检测情况。当目标多卜勒较小时，相对于长c w 脉冲而言， l f m 脉冲具有较小的“模糊面积”( 模糊度图与混响带的羹叠面积) 而受到相 对少一些的混响干扰；当日标多b 勒增大时，长c w 脉冲由于其模糊度图醴经 离开混响中央地带而比l f m 脉冲信号的抗混响效果要好一些。短c w 脉冲由于 多h 勒容限大，受混响干扰的影响要小一些，p t f m 由于频谱整梳状化，必要 梳齿间隔覆盖目标多卜勒范围，则具有两者优点，即时间分辨力和频率分辨 力都徽好。 2 3 3 三种信号速度和距离分辨率跑较 觚上小节可知c w 、剐、p t 糯三种信号时辩间( 距离) 分辨髓力及颓率( 速 眙尔滨工程大学硕士学位论文 度) 分辨能力吾不相同，在此作一仿真进行比较。 假设发射信号为，( f ) ( 0 ，t ，t 为信号的持续时间) ，中心频率为f 。 其接坟平螽与g 稼之勰魏樱对逮发为p ，声波麓健撵速度为# ，煲g 接牧信号 g ( f ) 冒激凌示为： g ( f ) * ；，( 主j ( 2 5 5 ) 其中；j = 唑是由目标与接收平台之间的相对遮幼所引起的时间伸缩因子。 f 梵镗撵延迟。 当镶譬懿分数豢宽去= l 黻及謇标静运动遮发v 满足警= 去糖，武lqe|；8 ( 2 5 4 ) 可以简化为： g o ) 。厂9 一f ) e x p ( 一4 7 r f c v ( t r ) ) ( 2 - 5 6 ) 翅暴露褥个嚣标，由它们弓| 起熬 孛缩因子和传攒延迟分巅为s 、岛以及 趴f 2 。翊霹将它稻静虱滚镶弩表示为： g l ( f ) = ；，( 三玉) ( 2 5 7 ) q 5 t5 t 9 2 ( r ) = ；，( 上马 ( 2 5 8 ) 0 屯 5 2 定义涎今信号波形之霾豹方差： 盯2 = f l9 2 ( t ) - g l ( t ) 2 d t ( 2 5 9 ) 来衡量两个信号之间的差别。2 越大，两个回波储号就越容易