一種低截獲水聲信號快速檢測算法?

李 帥 曹占啟

（91388部隊41分隊 湛江 524022）

1 引言

在水聲對抗演習中，由于現階段純被動的探測定位方式仍有技術上的難題及工程實施的風險，因而主要仍然是通過合作聲信標來實現對潛的定位導調，該方式主要需要解決兩方面的問題：一是測量距離的問題，測量距離的增大可以有效提高測量范圍；二是潛艇的隱蔽性問題，即艇載合作聲信標必須將暴露潛艇的可能性降為最低［1～2］。傳統的合作聲信標信號由于易暴露潛艇自身位置而嚴重影響演習效率及效果［2～3］，為了讓導演部在水聲對抗演習中能實時監測潛艇的位置，同時又不讓“敵方”偵測到聲源位置，低截獲合作聲信號應運而生。對低截獲信號的研究表明，適用于演習條件下的低截獲信號是一種大時間帶寬信號，具有寬帶寬、長時寬、低聲源級等特點［4～6］，在實際應用中，這種信號由于運算量大而應用范圍有限。本文針對低截獲聲信標信號檢測運算量大的問題，設計了一種基于復相關解調降采樣和FFT頻域運算的快速檢測算法，該算法在保持一定檢測精度的前提下，有效降低了運算量，并可以在小規模運算芯片上執行，從而可有效降低硬件電路功耗，減小硬件體積，增大低截獲信號在水下目標定位中的應用范圍。

2 算法分析與設計

低截獲信號一般為大時間帶寬信號，在白噪聲干擾下，匹配濾波器是其最大信噪比準則［7］下的最佳線性檢測系統；其傳輸函數是其輸入信號頻譜的復共扼，數字信號處理中可用相關器實現信號的匹配濾波。

數字信號處理中，實相關和復相關是兩種常用的相關器實現方法［8］。實相關基于實數域實現相關器，參考信號為實數信號。相關器輸出信號的內部載波含高頻分量，包絡為低頻分量，二者存在頻譜上的差異。通過適當的非線性網絡和低通濾波器可實現載頻頻譜與包絡的分離，得到信號包絡。實相關在工程應用中，可先使用平方檢波或絕對值檢波，再通過適當的低通濾波器，即可有效檢出其包絡。實相關處理時，信號帶寬、頻率維持不變，測時精度較高，處理的運算量保持不變。復相關處理基于復數域實現相關器，對采樣信號進行正交解調（復解調），參考信號為復數信號。對復相關器的輸出取平方和或平方和的平方根，即可得到其包絡。復相關對采樣信號進行正交解調，將其基頻平移到零頻附近；在對解調信號進行低通濾波后，可以通過降采樣來降低相關處理的數據量，降采樣的采樣率僅依賴于所采樣信號的有效帶寬，因此，從運算量的角度來講，復相關處理可以有效降低相關運算的運算量，但同時也會帶來測試精度的降低，尤其是在低信噪比條件下。

綜合考慮，本文采用復相關器實現匹配濾波，其實現過程如圖10。

圖1 復相關器實現匹配濾波流程

在以上過程中，為保證相關峰的連續性，采用分段計算、拼接的方式進行計算。

3 算法性能分析

低截獲信號快速檢測算法需要解決的一個重要問題是如何降低算法在實時運算過程中的運算量，增強算法的實用性。圖2～4是算法計算時間的測算程序流程圖，圖5為1～15倍降采樣時降采樣倍數對計算時間的影響分析結果，仿真信號中心頻率8kHz，帶寬 1kHz，寬度300ms，整個分析信號長度1s。結果表明，在降采樣倍數為5倍時，計算時間將減少至約1/4，計算量減少的效果非常明顯。

圖2 計算時間分析程序流程圖

圖3 粗檢程序流程

圖5 降采樣倍數對計算時間的影響分析結果

圖6 表明計算時間統計過程中的一些不確定因素，在不降采樣的情況下，整個計算時間在169ms～177ms之間，受操作系統影響，出現了8ms范圍的統計誤差，平均計算時間173ms。

圖6 不降采樣時的計算時間分析

在復相關信號檢測中，由于經過降采樣，雖然運算量得以降低，但同時也帶來測時精度的降低，本文要研究快速算法給信標信號時延檢測精度帶來的影響，確定是否真正對定位精度產生影響。若快速算法對測時精度影響較大，可通過軟件進行插值修正，插值的方法包括余弦插值、線性插值、最小二乘插值等。

圖7 降采樣倍數與信號相關峰寬度關系圖

圖8 降采樣倍數與時延估計均值關系圖

圖9 降采樣倍數與時延估計方差關系圖

圖7 ～9為粗檢、精檢聯合方式進行的信號檢測相關峰寬度、時延均值、誤差圖，仿真信號中心頻率8kHz，帶寬1kHz，寬度300ms，分別在-10dB、-20dB、-30dB三種信噪比和1～30倍降采樣條件下完成信號檢測統計。圖7～9表明，降采樣倍數對相關峰的寬度、時延估計均值、估計方差在20倍降采樣以內基本成線性變化，說明在不采用插值方法提高精度的情況下，降采樣倍數對相關峰各項檢測值的影響僅在于采樣率降低的影響，20倍降采樣以上屬于過采樣，在相關峰寬度、時延估計方面出現了較大變化和跳躍。

4 結語

本文針對低截獲合作聲信號檢測運算量大、應用范圍受限的問題，提出一種基于復相關解調降采樣和FFT頻域運算的快速檢測算法，仿真結果表明，在保證一定信號時延檢測精度的基礎上，該方法明顯降低了信號檢測的實時運算量，在5倍降采樣時，信號檢測運算量可降低至1/4，從而使小規模運算器在低截獲水聲信號實時處理中的運用成為可能，對增大低截獲信號在水下目標定位中的應用范圍，提高水聲對抗演習的演習效率及效果意義重大。