寬帶體制下混響和目標空時分布特征研究

劉清宇，衛紅凱

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寬帶體制下混響和目標空時分布特征研究

劉清宇1，衛紅凱2

(1. 海軍裝備研究院，北京 100161；2. 海軍工程大學，湖北武漢 430033)

傳統的空時自適應處理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)利用窄帶混響和目標在空時平面的可分辨特征抑制窄帶混響。對寬帶混響和目標在空時平面分布特征進行研究，并通過理論推導，得出帶寬對混響和目標空時分辨特征的影響公式。結果表明：寬帶混響和目標在空時平面分布特征部分重疊，導致傳統STAP效果不佳。在此基礎上，借鑒STAP思想，并利用線性調頻(Linear Frequency Modulation, LFM)信號在分數階Fourier變換域上的聚焦性，分析了在空-分數階Fourier域三維空間上抑制寬帶LFM混響的可行性。

寬帶混響；空時自適應處理；分數階Fourier變換；線性調頻信號

0 引言

為了對抗安靜型潛艇，現代主動聲吶技術普遍向低頻、寬帶、大功率方向發展[1]，這在提高探測距離的同時，也使得主動聲吶的特有干擾——混響背景增強。混響與目標的形成機理相似，其與目標的時、頻域特征往往耦合在一起，難以分離，使得傳統的時、頻域混響抑制方法效果不佳。

為了有效抑制混響，就需要利用混響和目標的可分辨特征，以構造濾波器，濾除混響。空時自適應處理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)[2]就是利用運動情況下混響和目標在空時平面的分布特征差異(根據平臺運動方向與基陣軸向夾角不同，混響在空時平面表現為直線、圓或橢圓，目標表現為一個點)來抑制混響。STAP首先應用于機載雷達雜波抑制，雷達雜波與聲吶混響有一定的相似性，文獻[3,4]借鑒STAP思想，將其應用于窄帶聲吶混響抑制，取得了優于傳統常規處理的結果。本文分析了寬帶體制下，混響和目標的空時分布，并通過理論推導，得出了帶寬對混響和目標空時分辨特征的影響公式。結果表明：寬帶體制下，受帶寬影響，混響和目標在空時平面部分重疊，重疊程度與帶寬成正比，從本質上揭示了傳統STAP性能下降的原因。在此基礎上，針對雷達、聲吶中廣泛應用的寬帶線性調頻(Linear Frequency Modulation, LFM)信號[5,6]，利用其在分數階Fourier域上的聚焦性[7-9]，結合空域，指出在空-分數階Fourier域三維空間上，混響和目標有可分辨特征，為空-分數階Fourier域三維空間上抑制寬帶LFM混響提供了理論基礎。

1 寬帶混響和目標空時分布特征

窄帶體制下，信號的多普勒頻率主要表現為中心頻率處的多普勒頻率，理論上混響的空時二維分布為斜線(正側視聲吶)、半圓(前視陣聲吶)或半橢圓(斜視陣聲吶)；而目標位于空時平面上的某一點[4]，混響和目標在空時二維平面可分辨。傳統窄帶STAP方法即是利用此特征抑制窄帶混響。

圖1 寬帶信號頻譜示意圖

圖2 正側視聲吶配置下寬帶混響和目標的空時分布

2 帶寬對混響和目標可分辨特征影響

由上節分析可知，受帶寬影響，寬帶混響和目標在空時平面分布部分重疊，難以分辨。下面通過理論推導具體分析帶寬對混響和目標空時分辨特征的影響。

圖3 寬帶混響和目標空時平面分布示意圖

根據式(3)，則可知：

窄帶體制下，時寬帶寬積近似為1，式(4)可化簡為

圖4 目標徑向速度與中心頻率關系曲線

圖5 目標徑向速度與脈寬關系曲線

圖6 目標徑向速度與帶寬關系曲線

圖7 目標徑向速度與起始頻率關系曲線

3 空-分數階Fourier域三維空間上抑制寬帶LFM混響可行性分析

由前述分析可知，帶寬的影響使混響和目標在空時平面不僅重疊，而且由于目標徑向速度的限制，往往重疊程度較高。為有效抑制寬帶混響，需尋求新的寬帶混響和目標可分辨空間。以雷達、聲吶中常見的寬帶LFM信號為例，分析在空-分數階Fourier域三維空間上抑制寬帶LFM混響的可行性。

分數階Fourier變換[7-9](Fractional Fourier transform, FRFT)定義如下：

分析式(7)可知，分數階Fourier變換采用線性調頻基，因此，對LFM信號進行分數階Fourier變換，即相當于LFM信號與線性調頻基匹配的過程。當兩者不匹配時，輸出值很小，當兩者達到匹配時，出現峰值，稱為LFM信號在分數階Fourier域具有聚焦性。利用LFM信號在分數階Fourier域(以(,)表示，為分數階次、為分數階Fourier域值)的聚焦性即可實現LFM信號的檢測和參數估計。

但對于主動聲吶中的混響背景而言，混響由大量散射元散射的LFM信號組成，在分數階Fourier域上也表現出聚焦性(如圖8所示)。難以利用分數階Fourier域上LFM信號的聚焦性實現混響背景下LFM目標回波的檢測。

圖8 LFM混響在分數階Fourier域分布

4 結論

窄帶混響和目標在空時平面有可分辨的特征，傳統STAP方法利用此特征抑制窄帶混響。寬帶混響和目標在空時平面部分重疊，難以分辨，傳統STAP方法效果不佳。針對雷達、聲吶中常用的寬帶LFM信號，利用LFM信號在分數階Fourier域的聚焦性，引入空域，則在空-分數階Fourier域三維空間上，寬帶LFM混響和目標有可分辨特征，據此可抑制寬帶LFM混響。

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Study of space-time distribution characteristics of wideband reverberation and target echo

LIU Qing-yu1, WEI Hong-kai2

(1. Naval Academy of Armament,Beijing 100161, China;2.Navy Engineering University, Wuhan 430033,Hubei,China)

The traditional space-time adaptive processing (STAP) suppresses narrowband reverberation by utilizing the distinguishable characteristics of narrowband reverberation and target echo in space-time plane. In the paper the distribution characteristics of wideband reverberation and target echo in space-time plane are studied. Based on this, the theoretical formula is derived to analyze the influence of bandwidth on reverberation and target echo’s distinguishable characteristics. It shows that the performance of traditional STAP is degraded seriously due to the overlap of wideband reverberation and target echo in space-time plane. And then, the possibility of cancelling wideband linear frequency modulation (LFM) reverberation in space-fractional Fourier domain is analyzed by integrating the space domain and the concentration characteristic of LFM signal in fractional Fourier domain.

wideband reverberation; space-time adaptive processing(STAP); fractional Fourier transform; Linear Frequency Modulation (LFM) signal

TB566

A

1000-3630(2014)-06-0489-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.002

2014-09-11;

2014-11-17

劉清宇(1968－), 男, 河南商丘人, 研究員, 研究方向為水聲數據分析。

衛紅凱, E-mail: whk200605@163.com