混響空時數據模型的建立與分析

趙申東，謝力波，李瑞紅

（海軍航空工程學院青島校區，山東 青島 266041）

混響空時數據模型的建立與分析

趙申東，謝力波，李瑞紅

（海軍航空工程學院青島校區，山東 青島 266041）

本文介紹了聲納空時自適應處理 (STAP)的特點，能夠充分利用運動聲納混響空時分布的特性，獲得比常規方法更好的檢測性能，是一種有前途的進行混響抑制的新方法。并分析了聲納和雷達工作環境及工作方式的異同，進而給出了混響空時數據的模型及組織方式，為STAP 抗混響的實現提供了依據。

混響；空時自適應處理；數據模型

STAP 算法是在雷達信號處理中發展起來的，而且多用于 AEW 雷達地物雜波的抑制。世界各國爭相發展的新型 AEW 雷達均采用了脈沖多普勒（PD）體制，該雷達同時具有高距離分辨率和高多普勒分辨率的優點，因而受到了越來越多的重視。聲納和雷達的信號處理系統之間有著許多相似之處，但是，由于它們各自信號的傳播存在著顯著的差異，因此導致它們的信號處理方法亦有著明顯的差別。

1 聲納與雷達工作方式的異同

聲納與PD雷達工作在不同的環境下，聲納的工作環境要比雷達的工作環境復雜得多。當速度是z的線性函數時，射線的幾何軌跡應是一個圓弧，它的半徑與速度梯度及射線的傾角有關。在實際情況中，海水中經常會出現表面波導，這種聲道的存在不論對作用距離還是對自然噪聲皆有重大的影響，所以聲波在海洋中的傳播是非常復雜的問題，會出現嚴重的多途效應。為分析方便起見，可將海洋介質視為水下聲信道，它不但對目標信號進行能量變換（聲傳播損失），而且它對聲源的發射波形也進行變換，它是時變、空變的隨機信道。聲波是目前已知的在海洋中傳播最遠的能量形式，然而同電磁波的速度相比，聲波的傳播速度非常慢，這一特點決定了聲納在工作方式上必然不同于PD雷達。

PD雷達是一種利用多普勒效應檢測目標信號的脈沖雷達，它采用了相參技術，這是雷達技術的一大飛躍。相參是指信號之間保持嚴格的相位關系，在雷達中可以利用相參提取目標的有關信息。早期的普通脈沖雷達都是非相參系統，它們只是利用發射脈沖和回波脈沖的時間差提取目標的距離信息。當在目標距離相等處存在大量的干擾物的反射波時，微弱的目標回波就會被淹沒。20 世紀 60 年代以后興起的作戰飛機的低空高速突防方式，就是利用了非相參雷達的這一弱點，大地和海浪雜波為進攻飛機提供了隱蔽和安全的保證。相參技術的引入，使上述問題得到一定程度的解決。因為當用時間差無法區分目標與背景干擾時，用速度卻可以輕易地把它們區別開來。從運動目標反射的回波信號頻率有別于固定目標回波的頻率，利用這一差別就可以將運動目標和其它干擾區分開。

由于聲波具有較慢的傳播速度，從發射信號到接收回波的時間比較長，出于搜索效率和工作環境復雜程度等方面的考慮，聲納系統多采用單個脈沖搜索方式，且發射時采用寬波束。如果主動聲納也采用與PD雷達相類似的脈沖串的檢測方式，首先由于聲速太慢，檢測周期太長，不符合先敵發現的原則；另外，由于水聲環境更為復雜，信號的時間相干半徑相對較小，當探測距離較遠時，脈沖串中不同脈沖間難以保持穩定的相位關系，從而無法在較遠距離上實施脈間測頻。單頻窄脈沖信號具有較高的距離分辨率和較小的檢測盲區，但是其頻率分辨能力卻很低，對多普勒頻移不敏感；長CW 脈沖具有良好的頻率分辨率，適合于探測低速運動目標，并且具有較高的能量，有利于提高小目標的探測能力，缺點是距離分辨率較差。對于其他的大時間帶寬積信號而言，它們同時具有高距離分辨率和頻率分辨率，但是對于 STAP 方法而言，這些信號波形復雜，在空時平面上占據的范圍較大，不利于STAP 處理。主動聲納需要在一個脈沖的回波內同時完成目標距離和頻移的估計（對應于徑向運動速度的估計），這就需要選擇合適的脈寬和帶寬。PD雷達脈沖寬度很窄，單個脈沖測頻精度太低，需要依靠不同脈沖間的相位信息來測定目標的頻移，采用這種機制的雷達不可避免地會出現距離模糊或速度模糊問題。高 PRF 會帶來距離模糊，低 PRF 會帶來速度模糊，中 PRF會使速度和距離均產生模糊。而采用單個脈沖工作的主動聲納，通過選擇足夠大的脈沖重復間隔（PRI）可以避免距離模糊，通過選擇足夠大的接收帶寬和足夠高的采樣率可以避免速度模糊。聲納和雷達在工作環境和工作方式上的不同決定了進行 STAP 時，聲納接收信號的數據組織方式也是有別于雷達系統的。

2 混響空時數據模型

PD雷達采用相干脈沖串作為發射波形，脈沖串內的每個子脈沖均為窄脈沖。在一個相干處理間隔（CPI）內，得到所有 K 個脈沖的回波數據后，可以很自然地將接收數據按照距離門的方式進行排列，目標的搜索也是按距離門進行的，具體如圖1（a）所示。其中陰影部分表示待檢測的距離門數據，數據點數為 KN× ，其它距離門數據為輔助樣本，用來估計干擾協方差矩陣，以得到 STAP 的加權系數。

圖1 PD 雷達與聲納數據結構圖

多數聲納采用單個脈沖工作方式，即在一個探測周期內發射一個脈沖信號，所有的N個陣元接收到連續的混響回波，經時間采樣后得到N個數據序列，具體見圖1（b）所示。假設發射脈沖寬度為τ，則理想情況下點目標的回波是包含在長度約為τ的一段混響內，從接收到的N個序列中截取長度為τ的一段作為待檢數據（假設包含K個時間采樣點），如圖中陰影部分所示，數據點數為 KN× 。在進行STAP 處理時，該段數據完整地包含了目標的信息，其地位就等同于雷達中待檢距離門數據，時間采樣點數 K 就等同于雷達中一個 CPI內的脈沖個數。 N個混響序列中其他部分的數據也稱為輔助樣本，與PD雷達的輔助樣本不同，這些樣本的時間點數并不一定恰好就等于目標信號的點數K，一般是大于K。在進行干擾協方差矩陣的估計時，需要從中選擇與待檢數據同樣大小的數據點數（ KN× ）作為一個有效的輔助樣本，具體選擇方式要與待檢數據一致。

雷達中一個 CPI內的脈沖個數 K 就是 STAP 的時域自由度。如果所檢測的距離門存在目標的話，那么這一個距離門上K個脈沖中就完整包含了目標的信息，并且K越大，其頻率分辨率越高，距離分辨率取決于單個脈沖的脈寬。同樣，如果聲納發射脈沖寬度為τ的脈沖，τ越大，則頻率分辨率越高，但是距離分辨率卻會隨之降低，所以脈寬τ的選擇應當根據不同的需要，在頻率分辨率和距離分辨率之間進行權衡折衷。

3 STAP 進行混響抑制的應用

根據信號的特點，用 STAP 來進行混響抑制主要可用于以下三個方面。

3.1 魚雷自導聲納

魚雷是一種重要的水中兵器，它可裝載于水面艦艇、潛艇或由飛機攜帶，用于攻擊敵水面艦船或潛艇。自導裝置作為現代魚雷最重要的組成部分之一，其性能好壞直接決定著魚雷的性能，影響著魚雷的作戰使用效果。魚雷具有高速運動的特點，而且工作頻率高，這樣，根據多普勒頻移的基本規律，由于雷體運動而導致的混響譜展寬現象非常嚴重。通常低速運動目標的回波均會落在混響頻移范圍內，從而被強混響所掩蓋，采用常規的檢測方法難以取得好的效果。如果采用 STAP 處理，處理器的空時響應能夠與接收到的混響空時二維譜相匹配，在強混響的位置處形成一定深度和寬度的凹口，在保證目標信號能順利通過的前提下盡量壓低剩余混響的強度。魚雷自導聲納通常都是前視陣（陣列的軸線方向與陣列的運動方向垂直），這種結構的陣列混響譜在空時平面上分布較為復雜，給 STAP 處理增加了難度。

3.2 主動拖線陣聲納

目前拖線陣聲納已成為水面艦艇和潛艇的最重要的聲納裝備之一，為了滿足探測安靜型潛艇的需要，現代拖線陣多具備主/被動聯合方式工作的能力。當艦艇具有一定的運動速度時，主動拖線陣的混響同樣會出現譜擴展的現象，不同方位的混響具有不同的多普勒頻移。而且拖線陣陣元的排列方向是與艦艇的運動方向一致的，以此種方式布置的聲基陣所接收的混響在頻移與方位余弦平面上雖然也是呈現二維分布，但是混響頻移與混響方位的余弦具有簡單的線性關系，這一簡單的關系有利于STAP 發揮出更佳的性能。

3.3 共形陣及其他類型的運動基陣

為了充分利用聲納載體的空間，增大基陣的尺寸，在魚雷頭部或是艦艇的艇體上可以按照各自的形狀來布置陣元，即魚雷共形陣和艦殼聲納。為了使聲納基陣遠離本艦噪聲，并且使其處于良好的水聲環境中，探潛用的變深聲納（VDS）是用一根載重纜拖著的，通過改變纜長來實現上述目的。

以上的基陣形式都可以采用 STAP 方法進行混響的抑制。

從原理上講，全維 STAP 方法適用于任意結構的基陣，只是不同的基陣結構會影響降維 STAP 的實際效果，而某些降維方法對共形陣是不適用的。如果基陣是固定不動的，混響在不同方位上的頻移是相同的，采用 STAP 難以體現其空時聯合處理的優勢，相反還會增加系統的運算量，所以 STAP 更適合于運動平臺聲納混響的抑制。

4 結語

雖然 STAP 在水聲領域的發展較晚，并且水下復雜的環境也給 STAP 增加了難度，但是 STAP 所帶來的處理性能的顯著改善還是引起了人們的關注，將已經發展得較為成熟的 STAP 技術加以改造，用到主動聲納混響的抑制上來，將會使得聲納的探測效果得到很大的改善。

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TN911.2

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1671-0711（2017）03（下）-0150-03