淺水環境魚雷聲自導波形設計與分析

雷江濤，　董　萌，　張國鋒

（海軍裝備部， 陜西 西安， 710077）

淺水環境魚雷聲自導波形設計與分析

雷江濤，董萌，張國鋒

（海軍裝備部， 陜西 西安， 710077）

波形設計作為魚雷主動聲自導設計的三大要素之一， 直接決定了魚雷主動聲自導系統的抗混響能力及精確參數估計能力。文中以模糊度函數為分析工具， 通過數值仿真詳細對比分析了LFM、偽隨機二相編碼信號及Costas信號等3種典型寬帶波形的抗混響能力、距離及速度分辨能力。仿真結果表明， 相同帶寬和時寬參數下， 偽隨機二相編碼信號具有最優的抗混響性能、距離及速度聯合分辨性能， 適用于淺水環境下低速目標的檢測和目標識別。文中的研究可為魚雷主動聲自導波形設計提供參考。

魚雷聲自導； 淺水環境； 波形設計； 模糊度函數； 抗混響

0　引言

隨著現代艦艇靜音性能的逐步發展， 被動聲探測技術將逐步被削弱， 取而代之的將是低頻主動聲吶。主動聲自導魚雷在淺水使用時與深水有很大不同， 淺水環境中界面混響（特別是海面混響）強度大、擴展嚴重， 并且環境噪聲更為惡劣，嚴重制約了魚雷主動聲自導淺水性能。我國近海水域深度大多在200 m以內， 因此提高淺水性能是魚雷主動聲自導急需解決的關鍵技術之一。

主動聲自導的主要優勢之一在于可以通過波形設計技術改善系統的抗噪聲、抗混響、目標識別與反對抗能力［1］。發射信號波形體制不僅決定了接收系統的信號處理方法， 而且直接影響系統的距離、速度分辨率、參數估計精度、混響抑制能力等性能。目前， 主動聲吶常用的波形為單頻連續波（continuous wave， CW）、線性調頻（linear frequency modulation， LFM）及雙曲調頻（hyper-bolic frequency modulated， HFM）等［2～4］， 單頻CW信號抗混響能力最差， 只適用于高多普勒目標，LFM及HFM等調頻類信號波形具有較優的抗混響性能， 可用于低速目標檢測， 但是具有速度估計精度差的缺點。國外Doisy Y［5］以及國內岳雷［6］等人對線性調頻脈沖串（pulse trains of linear frequency-modulated， PTLFM）信號的抗混響性能進行了研究， 但是該信號特性決定了其不利于目標識別。

文中通過魚雷主動聲自導功能需求與發射信號波形特性分析， 比較了LFM、Costas跳頻編碼信號以及偽隨機調相信號3種波形的抗混響及分辨性能， 并進行了試驗研究， 驗證了采用波形設計手段可解決魚雷淺水自導探測能力不高的問題，為魚雷主動聲自導波形選擇提供了依據。

1　淺水環境魚雷自導波形設計

1.1技術基礎

淺水環境是指聲波在其中傳播時， 易受海底、海面等邊界影響的傳播環境。針對魚雷自導而言， 一種是實際水深不超過200 m的淺海區域，一種是魚雷工作深度較淺的表面聲道（如主動聲自導反艦等）。在此種環境下， 混響干擾嚴重（特別是海底與海面混響）， 易產生虛警， 特別不利于低速目標的檢測； 同時， 環境噪聲和魚雷自導自噪聲更為惡劣， 嚴重制約自導作用距離的提高。

由信號檢測理論［1］可知: 此種環境下易采用大時間帶寬積（BT）信號， 白化混響， 提高信號處理增益。描述水聲信道的2個重要參數為多途擴展和多普勒擴展， 或者說為信道的相干帶寬和相干時間［7］。信號時寬T的選擇， 應與信道的相干時間相當， 信號帶寬B的選擇， 應與信道的相干帶寬相當。在遠程， 自導的主要任務是信號檢測， 信號應具有足夠的能量； 在中近程， 自導的主要任務是精確參數估計及目標識別， 應采用具有高時延和頻率分辨能力的寬帶編碼波形。

1.2波形分析及參數選擇

模糊度函數是信號分析和波形設計的有效工具。模糊度函數僅由發射波形決定， 它反映了不同波形在采用最優信號處理條件下系統所具有的時延（距離）分辨、多普勒頻率（速度） 分辨以及混響抑制能力。一般情況下， 信號模糊度圖主瓣越尖銳， 旁瓣越低， 則能量在頻域和時域上越集中，信號的分辨力也越強。

信號的寬帶模糊度函數定義如下［2］

式中: τ是目標回波時延； s稱為時間尺度因子或多普勒壓縮因子， 且， c為水中聲速， v為徑向速度， 相向運動時為負；u（t）是信號的復包絡。

1.2.1線性調頻（LFM）信號

LFM信號是主動聲吶中廣泛使用的波形之一， 其數學表達式為

圖1為LFM信號的寬帶模糊度函數數值仿真結果。可以看出， 其圖形為傾斜刀刃形， 具有尖銳的時延（距離）分辨特性且旁瓣很低； 具有優越的抗混響能力， 但是速度模糊度函數比較平坦；具有較高的多普勒容限， 且存在距離和速度間的耦合模糊， 當目標距離和速度均未知時， 容易測不準， 估計誤差很大。由此可見， LFM信號適合于淺水環境下魚雷自導的遠程檢測， 但不適合于中近程的目標識別， 或者說不能單獨用于中近程的目標識別。

1.2.2偽隨機二相編碼信號

偽隨機二相編碼信號是一種相位按偽隨機編碼變化的二進制調相信號， 其數學表達式為

式中: cn為偽隨機序列，； N為偽隨機序列長度； Ts為偽隨機序列碼片寬度；f0為中心頻率。

常用的偽隨機序列有m序列、M序列以及Gold序列等［8］， 圖2給出了基于m序列的偽隨機二相編碼信號的寬帶模糊度函數數值仿真結果。可以看出， 其模糊度函數接近理想的圖釘形， 具有尖銳的時延（距離）、速度分辨特性且不存在距離與速度的耦合， 測量精度高， 具有優越的抗混響能力， 適用于淺水環境下低速（甚至靜止）目標的檢測與識別。缺點是對速度敏感， 當可能的多普勒速度超過該容限時， 需配置新的多普勒濾波器，增加了接收設備的復雜性。

圖1　線性調頻信號模糊度函數圖（f0=20 kHz， B =2 kHz， T =128 ms）Fig. 1　The ambiguity function diagram of linear frequency modulation（LFM） signal（f0=20 kHz， B=2 kHz， T=128 ms）

圖2　m序列偽隨機調相信號模糊度函數圖Fig. 2　The ambiguity function diagram of m sequence pseu do random binary phase coding signal

1.2.3Costas信號

Costas信號是一種載頻按Costas編碼變化的時頻跳變信號， 其數學表達式為

式中: N為子脈沖個數； Tr為子脈沖重復周期； Ts為子脈沖寬度； fn為第n個子脈沖的載波頻率； n指第n個子脈沖。

產生Costas編碼的方法有Welch-Costas法［9］，表1列出了該方法生成的N=10時4組Costas序列。

表1　N=10時的Costas序列Table 1　Costas sequence when N=10

圖3～圖5給出了Costas信號寬帶模糊度函數數值仿真結果。在B和T一定的情況下， Costas信號特性與N的取值關系較大， 當N取10時， 信號模糊度函數具有明顯的多峰現象， 時延（距離）副瓣高（約-4 dB）， 且存在微弱的距離和速度耦合； 當N取22時， 信號模糊度函數的多峰現象明顯減弱，時延（距離）副瓣降低（約-19 dB）， 但依然存在微弱的距離和速度耦合； 當N取16時， 信號模糊度函數的多峰現象最弱， 時延（距離）副瓣低（約-24 dB）， 且不存在距離和速度耦合， 具有尖銳的時延（距離）、速度分辨特性， 抗混響性能及分辨性能接近于相同時間帶寬參數下的偽隨機二相編碼信號， 適用于淺水環境下低速（甚至靜止）目標的檢測與識別。

圖3　子脈沖個數N=10時Costas信號模糊度函數圖Fig. 3　The ambiguity function diagram of Costas signal when number of sub-pulses N=10

圖4　N=16時Costas信號模糊度函數圖Fig. 4　The ambiguity function diagram of Costas signal when N=16

圖5　N=22時Costas信號模糊度函數圖Fig. 5　The ambiguity function diagram of Costas signal when N=22

2　試驗驗證

理論與仿真分析可知: 與LFM信號及Costas信號相比， 在相同B、T參數下， 偽隨機二相編碼信號具有最優的抗混響及距離-速度聯合分辨性能， 最適合用于低速目標的檢測與目標識別。為了驗證偽隨機二相編碼信號的優越性， 在魚雷中程采用偽隨機二相編碼信號， 在外場進行了信號分辨能力靜態試驗研究。

試驗水域深度約100 m， 接收裝置置于水下10 m； 發射信號為偽隨機二相編碼信號， 帶寬4 kHz， 時寬127.75 ms； 模擬聲源為5個亮點， 亮點間距10 m， 布于水下20 m， 距離1 000 m， 多普勒設定為-8 kn。

對10個周期的試驗結果進行統計分析， 結果表明， 偽隨機二相編碼信號可以精確估計出模擬聲源的距離及多普勒， 清晰地分辨出5個亮點，圖6給出了某周期數據的處理結果。試驗結果充分驗證了偽隨機二相編碼信號的高分辨特性及其應用于目標識別時的有效性。

圖6　偽隨機二相編碼信號尺度識別試驗數據處理結果Fig. 6　Data processing result of dimension identification trial of pseudo random binary phase coding signal

3　結束語

針對魚雷自導在淺水環境中的抗混響及精確參量估計需求， 闡述了發射信號波形設計對于魚雷自導系統設計的重要性。然后利用信號模糊度函數工具， 對LFM信號、偽隨機二相編碼信號及Costas信號3種典型波形的抗混響能力、距離及速度分辨能力等進行了深入分析與比較， 并給出了Costas信號具體的參數選擇方法。最后通過外場靜態試驗， 驗證了采用波形設計手段改善魚雷自導淺水性能的有效性， 文中的工作可為淺水環境魚雷自導波形設計及參數選擇提供依據。

［1］ 朱埜. 主動聲吶檢測信息原理［M］. 北京: 海洋出版社，1990.

［2］ 李志舜. 魚雷自導信號與信息處理［M］. 西安: 西北工業大學出版社， 2004.

［3］ 李峻年， 孟士超， 佘亞軍. 主動聲吶發射波形設計研究［J］. 艦船科學技術， 2014， 36（4）: 113-118. Li Jun-nian， Meng Shi-chao， She Ya-jun. Review on Research Development of Active Sonar Waveform Design［J］. Ship Science and Technology， 2014， 36（4）: 113-118.

［4］ 陳韶華， 趙冬艷. 幾種主動聲吶信號抗混響性能分析［J］. 水雷戰與艦船防護， 2011， 19（4）: 12-15. Chen Shao-hua， Zhao Dong-yan. Reverberation Suppression Performance of Several Active Sonar Signals［J］. Mine Warfare and Ship Self-defense， 2011， 19（4）: 12-15.

［5］ Doisy Y， Deruaz L. Reverberation Suppression Using Wideband Doppler Sensitive Pulses［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 2008， 33（4）: 419-433.

［6］ 岳雷. 線性調頻脈沖串信號及其檢測性能分析［J］. 魚雷技術， 2015， 23（4）: 285-290. Yue Lei. Pulse Trains of Linear Frequency-modulated Signal and Its Detection Performance［J］. Torpedo Technology， 2015， 23（4）: 285-290.

［7］ 惠俊英. 水下聲信道［M］. 北京: 國防工業出版社，2007.

［8］ 查光明， 熊賢祚. 擴頻通信［M］. 西安: 西安電子科技大學出版社， 2002.

［9］ Arcasoy C， Koc B. On Cross-ambiguity Properties of Welch-Costas Arrays［J］. IEEE Trans Aerosp Electron Syst，1994， 30（4）: 1063-1071.

（責任編輯: 楊力軍）

Waveform Design and Analysis of Torpedo Acoustic Homing in Shallow Water

LEI Jiang-tao，DONG Meng，ZHANG Guo-feng
（Naval Armament Department， Xi′an 710077， China）

As one of three major design factors of a torpedo active acoustic homing system， waveform design determines the anti-reverberation capability and accurate parameter estimation of the torpedo active acoustic homing system. In this study， ambiguity function is adapted to analyze the anti-reverberation capability， range and velocity resolution of three typical wideband waveforms， i.e. linear frequency modulation（LFM） waveform， pseudo random binary phase coding waveform， and Costas waveform. Simulation results demonstrate that the pseudo random binary phase coding waveform has the best anti-reverberation performance and joint resolution of velocity and range， and it is suitable to low speed target detection and identification in shallow water. This research may provide a reference for design of torpedo active acoustic homing waveform.

torpedo acoustic homing； shallow water environment； waveform design； ambiguity function； anti-reverberation

TJ630.34； TB566

A

1673-1948（2016）05-0346-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.006

2016-05-03；

2016-07-04.

雷江濤（1971-）， 男， 高級工程師， 長期從事魚雷總體及質量管理工作.