一種擴展水下擴頻信號多普勒容限方法

蘇建軍1,2, 馮西安1, 白曉娟1, 李志偉1,2

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一種擴展水下擴頻信號多普勒容限方法

蘇建軍, 馮西安, 白曉娟, 李志偉

(1. 西北工業大學航海學院, 陜西西安, 710072; 2. 中國人民解放軍91388部隊, 廣東湛江, 524022)

擴頻信號的模糊函數圖呈圖釘型, 對多普勒頻移比較敏感, 影響了擴頻信號的使用性能。本文分析了擴頻信號的多普勒敏感性問題, 提出了一種基于回波預處理的方法。首先將回波信號經過正交混頻得到零中頻,通道信號, 然后將零中頻,通道信號送入多普勒預處理系統進行處理, 通過時間延遲處理方法得到的2個輸出信號, 分別經過匹配濾波器后再進行合并處理, 脈壓輸出相關函數中不含多普勒頻移和時間乘積, 消除了多普勒頻移對匹配濾波器輸出的影響。數值仿真證明了該方法的有效性, 且具有實現簡單, 運算量小的優點。

多普勒容限; 擴頻信號; 模糊度函數; 匹配濾波器; 預處理系統

0 引言

目前水下自導系統中常用的信號波形有單頻脈沖信號、線性調頻信號和雙曲調頻信號, 這些信號形式簡單, 系統易于實現。但是, 由于這些信號的時間帶寬積小, 信號形式單一, 易于被敵方的偵察機截獲。一旦信號被敵方截獲, 水下自導系統容易受到敵方的干擾和攻擊, 嚴重影響了水下自導系統的作戰效能。為了提升水下自導系統的生存能力和作戰效能, 自導系統應該選用具有大的時間帶寬積, 低的功率譜密度的復雜波形。

擴頻信號具有大的時間帶寬積, 低的功率譜密度, 信號波形與噪聲信號相似, 具有一定的隨機性, 擴頻信號具有很強的抗干擾和隱蔽性能。水下自導系統發射波形使用擴頻信號可以提高水下自導系統的抗混響、抗多途和低截獲性能。但是, 由于擴頻信號對普勒頻移比較敏感, 隨著運動目標速度增大（即多普勒頻移的增加）, 匹配濾波器輸出響應變小, 嚴重時自導系統無法檢測目標。關于怎樣解決相位編碼信號對多普勒敏感的問題, 目前已經有很多文獻進行了研究, 但是, 這些解決方案還存在不足, 系統實現也比較復雜, 不適合實時性要求高的場合。本文針對擴頻信號多普勒敏感問題, 提出一種基于回波預處理的方法, 該方法系統實現簡單, 運算量小, 數值仿真證明了該方法的有效性。

1 擴頻信號的數學模型和模糊度函數

直接序列擴頻信號的數學表達式為

式中:c為偽隨機序列;為偽隨機序列長度;為子碼寬度,,。

根據模糊函數的定義, 直接序列擴頻信號的模糊函數為

(3)

(5)

由式(4)、式(5)可知, 直接序列擴頻信號的模糊度函數是由單頻矩形脈沖信號的模糊度函數按一定的規律進行時延、頻移乘上加權系數后疊加而成, 擴頻信號的模糊度圖呈圖釘型, 具有良好的距離和速度分辨率, 但是, 具有窄的多普勒容限, 不適合檢測高速目標。

2 擴頻信號的多普勒敏感問題分析

擴頻信號對多普勒敏感是因為回波信號受到多普勒頻率的調制。若發射信號為s(), 則回波信號為。其中:為回波延遲時間;f為多普勒頻率;為發射信號脈寬。匹配濾波器的輸出響應為

如果, 匹配濾波輸出響應

(7)

由式(7)可知, 隨著多普勒頻率的增大, 匹配濾波器輸出響應幅度逐漸變小, 當多普勒頻率增大到一定時, 匹配濾波器輸出將無法檢測到目標。當f<<1/ ()時, 才可以忽略多普勒頻率對匹配濾波器輸出的影響, 在實際應用中, 只有滿足式(8)才可以忽略多普勒頻率影響。

式中:為擴頻信號發射脈沖寬度;f為多普勒頻移;為目標運動速度;為擴頻信號的波長。

圖1給出了擴頻信號載波頻率f=10 kHz、子碼寬度=10 μs、偽碼長度=1 023的序列, 多普勒頻率為f=0.06 kHz,f=0（對應的目標速度分別為8 kn和0 kn）時的匹配濾波器輸出響應。

圖1 不同多普勒頻率時匹配濾波器輸出信號

由圖1可以看出, 匹配濾波器輸出響應幅度隨目標運動速度的增加, 峰值的幅度顯著減小。當目標運動速度增大到一定時, 就會造成匹配濾波器的失配, 致使無法檢測到目標。擴頻信號為了能夠適應對高速運動目標檢測, 就必須設法擴大多普勒容限。

3 基于回波預處理的方法

由式(7)可知, 要減小多普勒頻率對匹配濾波器輸出響應的影響, 應該設法消除匹配濾波器輸出中的多普勒頻移與時間乘積項。從這個思路出發, 提出了一種基于回波預處理的方法, 具體步驟如下。

首先, 將回波信號經過正交混頻得到零中頻,通道信號, 正交混頻得到零中頻,通道信號的原理框圖如圖2所示。

設發射信號

(10)

其中:是回波延遲時間;ω是多普勒頻移;是回波信號與發射信號的相位差。

經過正交混頻得到零中頻,通道信號s()、s()分別為

(12)

接著把上一步獲得零中頻,通道信號s(),s()后送入多普勒有預處理系統進行處理, 多普勒預處理系統框圖如圖3所示。

則,支路延時后的信號

(14)

圖3 多普勒預處理系統框圖

Fig. 3 Doppler pre-processing system

通過不交叉相乘處理后信號為

(16)

通過交叉相乘處理后信號

(18)

加法器輸出信號

根據序列的移位相乘性, 令

(20)

減法器輸出信號

(22)

則()最終可簡化為

經過匹配濾波器輸出響應

(24)

經過匹配濾波器輸出響應

其中

(26)

則回波信號經過匹配濾波器的最后輸出

由式(27)可知, 通過對回波信號進行處理之后, 匹配濾波器輸出中不含多普勒頻移和時間乘積項, 因此, 解決了多普勒頻率對匹配濾波器輸出的影響。

仿真試驗1: 擴頻信號的載波頻率f=10 kHz, 擴頻碼選取長=1023的序列, 子碼寬為= 10μs, 信噪比為-5dB,=260, 目標速度為=14kn（對應的多普勒頻移為100 Hz）, 目標距離為600 m, 仿真結果如圖4所示。

圖4 fd=100 Hz(v=14 kn), 距離為600 m時不采用回波預處理方法和采用回波預處理方法的脈壓輸出

仿真試驗2: 信噪比為-15dB, 目標速度為=21 kn（對應的多普勒頻移為150Hz）, 其他仿真參數同上, 仿真結果如圖5所示。

圖5 fd=150 Hz(v=21 kn), 距離為600 m時不采用回波預處理方法和采用回波預處理方法的脈壓輸出

由圖4和圖5可以看出, 對回波信號沒有采取任何措施時, 當目標運動速度很大時, 匹配濾波器輸出信號幅度很小, 無法檢測到目標。然而, 采取對回波信號進行預處理之后, 因為消除了多普勒頻率對匹配濾波器輸出的影響, 可以有效地檢測高速運動目標。

4 結束語

本文從匹配濾波器輸出響應的表達式出發分析了擴頻信號對多普勒敏感的原因, 提出了一種基于回波預處理的方法。通過這種方法處理之后的回波信號經過匹配濾波器后, 匹配濾波器輸出與多普勒頻率無關, 因此擴頻信號的多普勒容限得到了極大的改善。該方法系統實現簡單, 運算量小, 適合實時處理的場合, 數值仿真證明了該方法的有效性。

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(責任編輯: 楊力軍)

A Method for Extending Doppler Tolerance of Underwater Spread Spectrum Signal

SU Jian-jun, FENG Xi-an, BAI Xiao-juan, LI Zhi-wei

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. 91388Unit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

Spread spectrum signal is sensitive to Doppler frequency shift, which limits the service property of the spread spectrum signal. This paper proposes a method for echo pre-processing by analyzing the sensitivity of spread spectrum signal to Doppler frequency shift. Zero intermediate frequency,channel signals are obtained through the orthogonal frequency mixing of echo. Then the signals are processed in the echo pre-processing system to obtain two output signals by time-delay processing method. The two output signals are further processed by a matching filter to achieve a combined signal which doesn’t contain Doppler frequency shift and time product. Numerical simulation demonstrates the validity of the proposed method with simplicity and smaller amount of computation.

Doppler tolerance; spread spectrum signal; ambiguity function; matching filter; pre-processing system

TJ630.34

A

1673-1948(2012)06-0424-04

2012-04-17;

2012-05-02.

教育部博士點基金(20106102110011).

蘇建軍(1978-), 男, 在讀碩士, 研究方向為水聲信號與信息處理技術.