被動聲納系統在多干擾源場景下的探測性能分析*

王亞莉　俞　劍

(1.91494部隊92分隊　秦皇島　066000)(2.中國電子科技集團公司第二十八研究所　南京　210007)

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被動聲納系統在多干擾源場景下的探測性能分析*

王亞莉1俞劍2

(1.91494部隊92分隊秦皇島066000)(2.中國電子科技集團公司第二十八研究所南京210007)

摘要空間分布的寬帶多干擾源會掩蓋被動聲納系統對目標輻射噪聲的接收,形成干擾抑制區域,降低系統的有效探測范圍和探測精度。論文從被動聲納方程出發,利用寬帶陣列信號處理方法,仿真艦艇輻射噪聲、海洋環境噪聲和寬帶干擾源信號,得出了有指向被動聲納系統在多干擾源場景下的有效探測范圍,分析了多干擾源對系統目標方向輸出信號波形和系統方位估計性能的影響。

關鍵詞寬帶干擾源; 有效探測范圍; 寬帶聲納信號處理; 方位估計

Detection Performance of Passive Sonar System with Multi-Jammers

WANG Yali1YU Jian2

(1. Unit 92, No. 91494 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

(2. The No. 28 Research Institute of CETC, Nanjing210007)

AbstractThe collection of target-radiated noise for passive sonar can be effected by broadband multi-jammers which distributed spatially, the detection range and accuracy will be reduced as a result of the appearance of jammer suppression area. In this paper, with the help of passive sonar equation and the theories of broadband array signal processing, the ship-radiated noise, ocean ambient noise and broadband jammer signal are simulated to deduce the effective detection range of directional passive sonar system under multi-jammers, the direction of arrival and the output signal of passive sonar system are also discussed.

Key Wordsbroadband jammers, effective detection range, broadband sonar signal processing, direction of arrival

Class NumberTP391

1引言

被動聲納探測系統一般通過檢測目標的輻射噪聲來進行目標探測,當空間存在多個大功率噪聲干擾源時,系統對目標輻射噪聲的接收將受到掩蓋,從而在系統原本的空間探測范圍內出現干擾抑制區域,系統在該區域內將無法探測到目標[1～3]。研究被動聲納系統在多干擾源場景下的探測性能對現代海軍水下作戰具有實際的意義,一方面可以用來對被動聲納系統的探測性能做出評估,對系統的抗干擾設計起到指導作用;另一方面,可以通過在空間放置多干擾源,對敵方的聲納探測系統形成干擾抑制區域,從而有效地規避敵方探測系統。

目前,被動聲納系統在多干擾源場景下的探測性能分析,多從被動聲納方程出發,將干擾歸結為系統的背景噪聲,從而由預先設定的檢測閾值得到干擾抑制區域。由于沒有結合聲納信號處理的理論,無法進行信號級仿真,因而不能具體給出多干擾源對系統輸出信號波形,方位估計等的影響,因此不能就被動聲納系統在多干擾源場景下的探測性能做出全面而具體的分析,無法滿足實際水聲對抗應用的需要[4～8]。

本文根據寬帶陣列信號處理相關理論,以被動聲納方程為指導,研究有指向性被動聲納系統在多干擾源場景下的探測性能。利用仿真的艦船輻射噪聲、海洋環境噪聲和干擾信號,開展信號級仿真分析,給出了有指向性被動聲納系統在多干擾源場景下的探測范圍,以及多干擾源對系統輸出的目標信號波形和系統方位估計結果的影響,從而就被動聲納系統在多干擾源場景下的探測性能做出了更加全面而具體的分析。

2多干擾源影響探測性能的基本原理

由被動聲納方程可知,被動聲納系統處于噪聲掩蔽時,有

SL-TL-(NL-DI)=DT

(1)

由式(1)可以得到無干擾源存在情況下,聲納系統在不同空間方位上的正常探測距離R0。

當空間存在多干擾源時,背景噪聲除了包含環境噪聲NL以外,還需考慮干擾源的強度。因此,受干擾源的影響,此時被動聲納方程應調整為

SL-TL-[(NL-DI)+(SLI-TLI+DI(θI))]=DT

(2)

其中,SLI為干擾聲源級,TLI為干擾對應的傳播損失,DI(θI)為聲納基陣對θI方向干擾源的空間增益。式中的‘+’代表聲壓的合成,表示場景中干擾和背景的共同作用,而不是分貝的直接相加。式中的‘+’項表征的是當波束指向目標時,干擾源在波束軸向對應干擾源方向上的能量泄露,這個能量泄露增加了系統工作的背景噪聲級,直接降低了輸入信號的信噪比,使得系統的探測范圍被抑制。多源干擾對被動聲納系統的作用示意如圖1所示。

圖1　多干擾源對被動聲納系統的作用示意

由式(2)可以預估出存在干擾時聲納系統在不同空間方位上的探測距離R,R

根據噪聲聲壓非相干疊加的計算方法,當聲納基陣接收到的干擾源能量明顯高于背景噪聲能量時,背景噪聲對合成噪聲的能量貢獻基本可以忽略,即當

SLI-TLI+DI(θI)>(NL-DI)

(3)

此時,聲納系統處于干擾掩蔽條件下,式(2)可以簡化為

SL-TL-(SLI-TLI+DI(θI))=DT

(4)

當一定距離上干擾源噪聲級很低時或干擾噪聲級一定,而干擾源距離聲納太遠,傳播損失過大時,聲納處的干擾噪聲掩蓋不了聲納的背景噪聲,即

SLI-TLI+DI(θI)<(NL-DI)

(5)

此時干擾源不起作用或者干擾作用很小,由此可求得干擾源對某一特定聲納的最大干擾距離LImax。

(6)

最大干擾距離決定了某一參數確定的干擾源針對干擾某型聲納設備探測的效能,在空間可以布放的區域。超出這一最大范圍時,干擾源將無法很好地對聲納探測設備造成干擾。

根據上述原理,圖2給出了多源干擾影響被動聲納系統探測性能的示意圖。

圖2　多源干擾影響被動聲納系統探測性能的示意圖

從干擾抑制區域的寬度上看,本來干擾源和潛艇相對聲納方位開角超過聲納波束開角的一半,干擾源就可能失去作用。但實際上在某一距離范圍內,處于被動聲納旁瓣波束上的干擾源仍可掩蔽處于主波束方位的目標艦艇輻射噪聲,只要滿足干擾源在波束旁瓣方向能量泄露大于背景噪聲能量即可,所以在主波束寬度外仍存在一定的干擾角度范圍。

由上述分析可知,干擾源的干擾抑制性能是干擾聲源級SLI、干擾源距離RI、干擾源相對目標的空間方位θI三個參量的共同作用結果。任意一個參量的變化都會影響干擾對被動聲納探測設備的抑制區域的范圍,改變其干擾抑制性能。

上述分析基于被動聲納方程,方程中的各參量并不涉及具體信號形式、基陣信號處理方法等信息。而在實際應用中,這樣的分析一般只能起指導作用,要想明確干擾源對被動聲納探測設備的影響情況,需要模擬實際處理流程,研究所采用處理方法的特性,進行信號級的分析,以期望達到對干擾源干擾抑制性能的一個實用而具體的分析。

3仿真與分析

仿真中的被動聲納系統采用96元均勻線列陣,考慮基陣的處理頻段為10Hz～500Hz,陣元間距按照500Hz布置。仿真中,艦艇輻射噪聲和海洋環境噪聲按其設定的頻譜參數進行信號級仿真,寬帶噪聲干擾源信號為寬帶高斯白噪聲,被動聲納系統的檢測閾設定為DT=3dB。主要研究干擾源對被動聲納探測系統的干擾抑制區域以及對系統目標方向波束輸出和對系統目標方位估計結果的影響。

3.1各類信號的仿真

1) 艦艇輻射噪聲的仿真

典型的艦艇輻射噪聲譜是由線譜成份和寬帶連續譜成份構成[9～10],這里設置仿真參數如下:艦船輻射噪聲譜在20Hz～200Hz頻段內存在兩根線譜,線譜強度相差5dB,最大線譜強度135dB,200Hz后按-6dB/oct衰減,考慮1000Hz處的譜級為110dB。艦艇輻射噪聲譜結構如圖3(a)所示,線譜位于50Hz和150Hz處。

圖3　艦艇輻射噪聲仿真結果

按照上述參數,采用FIR濾波器設計方法對艦艇輻射噪聲進行仿真,仿真結果如圖3(b)所示。圖3(b)給出了仿真的艦艇輻射噪聲信號的時域波形和頻譜,由于設定的被動聲納探測系統的工作頻率范圍為10Hz～500Hz,對其進行帶通濾波處理,即為聲納接收機處理的艦艇輻射噪聲信號。

2) 海洋環境噪聲的仿真

海洋環境噪聲頻譜級在較高頻率時近似按照6dB每倍頻程衰減,采用FIR濾波器設計方法對海洋環境噪聲進行仿真[11]。仿真參數設置如下:海洋環境噪聲譜100Hz后按-6dB/oct衰減,考慮1000Hz處的譜級為64dB。海洋環境噪聲頻譜示意如圖4(a)所示。海洋環境噪聲仿真結果如圖4(b)所示。圖4(b)給出了仿真的海洋環境噪聲信號的時域波形和頻譜,類似于對艦艇輻射噪聲信號的帶通濾波處理,同樣的方法可以得到系統工作頻率范圍內的海洋環境噪聲。

圖4　海洋環境噪聲仿真結果

3) 干擾源信號仿真

寬帶噪聲干擾源信號采用高斯白噪聲進行仿真,設定10Hz～500Hz帶寬內聲源級為160dB。定義SL為聲源級,SLf為頻譜級,B為有效帶寬,則有

SL=SLf+10lgB

(7)

利用式(7)得到頻譜級后,便可以采用帶通濾波器處理高斯白噪聲的方法得到指定參數下的干擾源信號。圖5給出了仿真得到的干擾源信號。

3.2被動聲納系統在多干擾源場景下的探測性能分析

空間內分布多個干擾源,彼此作用區域可重疊也可不重疊,各個干擾源獨立工作,效能上聯合作用于敵方探測和攻擊設備。聲源級、布放距離和相對目標開角等參數按照干擾效能的需要進行調整。

圖5　干擾源信號仿真

仿真中,目標艦艇輻射噪聲信號,海洋環境噪聲信號均采用3.1節中的仿真結果,干擾源信號形式為高斯白噪聲,為了反應多干擾源形成的干擾抑制區域的特點,將單干擾源和多干擾形成的干擾抑制區域進行對比。

1) 單干擾源形成的干擾抑制區域

干擾源參數設定為SLI=160dB,RI=5000m,θI=20°。利用式(2)可求得單源干擾下被動聲納系統的探測范圍如圖6(a)所示。改變干擾源參數為SLI=170dB,RI=5000m,θI=20°,得到單干擾源下被動聲納系統的探測范圍如圖6(b)所示。

圖6　存在單干擾源時的系統探測范圍

2) 多干擾源形成的干擾抑制區域

仿真參數1設置如表1所示,表中的SLI項表示干擾源的聲源級,RI項表示干擾源距離聲納基陣的距離,θI表示干擾源相對基陣的空間方位。此時,聲納探測范圍的仿真結果如圖7所示。由單干擾源的性能分析中可看出,改變干擾源的參數時,其干擾性能也會隨之發生變化,多干擾源的仿真參數2設置如下表。聲納探測范圍的仿真結果如圖8所示。

表1　多源干擾參數1

表2　多源干擾參數2

圖7　存在多源干擾時的系統探測范圍圖(表1參數)

圖8　存在多源干擾時點的系統探測范圍(表2參數)

由仿真結果可以看出,相比于單源干擾,在空間分布多個干擾源,可以對探測設備形成較大區域的干擾抑制,因而實際水聲對抗等應用中,通常采用多源干擾的聯合使用。

比較圖7和圖8可以看出,采用表1所示多源干擾參數,形成的干擾抑制區域更規則,在實際中更容易利用,因此在實際應用中,通常采用同種干擾器材,在空間相同距離,等間距分布的方式。

3) 被動聲納系統對不同空間位置目標的探測性能

當目標處于空間不同位置時,被動系統對目標的探測性能也不同,下面分幾種情況進行討論。

(1)假設目標的空間方位為5°方向,距離基陣RS=8000m,由圖7可知此時目標處于聲納系統的檢測范圍之外,聲納系統在目標方向波束輸出信號的時域波形和頻譜如圖9(a)所示。此時聲納基陣多波束輸出的功率方位譜如圖9(b)所示。

由圖9(b)可以看出,由于此時目標處于系統的探測范圍以外,功率方位譜在目標方向(5°)基本沒有出現高于背景噪聲的尖峰,預示著該方位無目標出現,此時干擾源對系統方位估計性能產生嚴重影響;由圖9(a)可以看出由于干擾源的存在,目標方向輸出信號的50Hz和150Hz處的低頻線譜被遮蔽,50Hz以下低頻段譜級稍高,原因是低頻段波束寬度遠遠寬于其他頻段,干擾能量泄露大于其他頻段。

圖9　被動聲納系統輸出結果(RS=8000m),目標位于5°

(2)假設目標的空間方位為30°方向,距離基陣RS=5000m,由圖7可知此時目標處于聲納系統的檢測范圍之內,聲納系統在目標方向波束輸出信號的時域波形和頻譜如圖10(a)所示。此時聲納基陣多波束輸出的功率方位譜如圖10(b)所示。

由圖10(b)可以看出,由于此時目標處于系統的探測范圍以內,功率方位譜在目標方向(30°)出現明顯高于背景噪聲的尖峰,可知該方位有目標出現,此時干擾源對系統方位估計性能不產生影響;由圖10(a)可以看出由于強干擾源的存在,目標方向輸出信號的50Hz和150Hz處的低頻線譜被遮蔽,干擾對目標方向輸出信號波形造成影響。

以上為就空間存在多干擾源情況下,被動聲納系統探測性能的仿真與分析,由仿真結果可以看出,多擾源干可以在空間形成較大的干擾抑制區域,從而更好地干擾敵方探測和攻擊設備,保護己方艦船。

圖10　被動聲納系統輸出結果(Rs=5000m),目標位于30°

4結語

通過結合被動聲納方程和寬帶陣列信號處理理論,闡述了多干擾源對被動聲納系統的影響原理,利用仿真的艦船輻射噪聲、海洋環境噪聲和干擾信號,開展信號級仿真分析,得出了多干擾源對有指向被動聲納系統的有效抑制區域,分析了多干擾源對被動聲納系統輸出的目標方向波形和系統方位估計結果的影響,歸納仿真分析,可以得出以下結論:

1) 多源干擾的相關參數(聲源級,距離,空間方位)共同決定了其在聲納基陣上的旁瓣泄露能量,從而決定了多源干擾對被動聲納系統的有效抑制范圍的形狀和大小。

2) 多源干擾對目標信號的頻譜有影響,提高了背景噪聲,掩蓋了低頻線譜成分。

3) 多源干擾對系統的方位估計性能有較大影響,當目標處于干擾抑制區域或者與干擾源空間方位相隔較近時,系統無法正確估計目標方位。

被動聲納系統在多干擾源場景下的探測性能分析,對于如何減少空間分布的多干擾源對己方探測設備的影響,如何利用多干擾源特性有效規避敵方系統的探測具有一定的參考價值。

參 考 文 獻

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中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.036

作者簡介:王亞莉,女,高級工程師,研究方向:雷達試驗總體、多源異類傳感器處理。俞劍,男,高級工程師,研究方向:雷達、水聲信息處理。

*收稿日期:2015年8月2日,修回日期:2015年9月29日