蛙人探測聲吶兩種常用信號的分析與應用

郭小俊

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化事業(yè)部，上海 200135)

0 引 言

隨著世界安全局勢日益復雜，水域沖突正朝著多元化的方向發(fā)展，逐漸由水上滲透至水下。蛙人、蛙人運載器和水下機器人等小型化水下武器裝備的崛起對相關設備和人員的安全造成了巨大威脅。目前，各國為對此類小目標進行檢測,發(fā)展出多種蛙人探測聲吶(Diver Detection Sonar，DDS),用于對港口等水域進行安全防御。DDS用于水下安保重要的戰(zhàn)術指標包括作用距離、目標分辨能力和定位精度等，設計難點在于目標對象的低速度、低回波強度(TS=-25～-15 dB)和混響噪聲的干擾。

DDS發(fā)射信號類型和參數(shù)的選擇對戰(zhàn)術指標的實現(xiàn)至關重要，直接決定著目標的距離分辨力、速度分辨力、抗干擾能力和抗混響能力，同時與回波的處理息息相關。當前，DDS使用最多的2種信號是矩形脈沖(Continuous Wareform,CW)信號和線性調(diào)頻脈沖(Linear Frequency Modulated,LFM)信號。本文利用模糊函數(shù)對這2種信號的分辨力和抗干擾能力進行分析，并簡要闡釋其在系統(tǒng)中的應用和實現(xiàn)，在此基礎上展望DDS的信號形式的發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外DDS的信號形式

表1為國外主流蛙人探測聲吶的主要技術參數(shù)，在文獻[1]的基礎上進行了實時調(diào)查和更新。從表1中可看出，DDS的聲波頻段為60～100 kHz，帶寬為3～20 kHz，多采用窄帶CW和寬帶LFM雙信號體制。

表1 國外主流蛙人探測聲吶的主要技術參數(shù)

2 2種信號的分辨力和抗混響能力

2.1 模糊函數(shù)

聲吶分辨力是指在多目標環(huán)境下對相鄰2個目標的最小可分辨能力，一般按照目標的方位、距離、速度和加速度等參數(shù)來分辨，其中距離分辨力和速度分辨力僅取決于信號的形式及其參數(shù)。在采用匹配濾波的條件下，模糊函數(shù)是與目標距離和速度有關的信號回波通過匹配濾波器之后的輸出[2]，可用來衡量信號對具有不同距離和不同速度的2個目標的分辨能力。當目標相對靜止時，回波信號僅體現(xiàn)出時間延遲和衰減;當目標相對運動時，回波信號還會產(chǎn)生多普勒頻移和時間上的壓縮或展寬。

1) 窄帶信號僅考慮頻移，其模糊函數(shù)表示為

(1)

式(1):s(t)為信號包絡；τ和ξ分別為目標的時間延遲和多普勒頻移；|χ(τ,0)|和|χ(0,ξ)|分別為距離模糊函數(shù)和速度模糊函數(shù)，各自的主瓣寬度分別對應距離分辨力和速度分辨力；|χ(τ,ξ)|隨著τ和ξ的增加而下降的越迅速，2個目標就越容易分辨，模糊度就越小。

2) 寬帶信號的模糊函數(shù)[3]定義為

(2)

式(2)中:η=(c+v)/(c-v)為尺度因子,c為水中聲速，v為目標相對徑向運動速度。這里寬帶和窄帶僅是相對的概念，并沒有一個嚴格的定義。一般認為窄帶滿足:相對帶寬B/f0≤0.1,B為信號頻帶寬度，f0為信號的中心頻率;時寬帶寬積TB≤c/2v,T為信號脈寬。

2.2 CW信號及其模糊函數(shù)

CW信號可視為加矩形窗的單頻載波信號，當窗寬為T時，其復包絡可表示為

(3)

將式(3)代入式(1)，得到CW信號的模糊函數(shù)表達式為

(4)

從式(4)中可看出,距離模糊函數(shù)表現(xiàn)為三角形，速度模糊函數(shù)表現(xiàn)為sinc函數(shù)形狀。

2.3 LFM信號及其模糊函數(shù)

矩形脈沖LFM信號的復包絡信號可表示為

(5)

將式(5)代入式(1)即可得到LFM信號的窄帶模糊函數(shù)表達式為

(6)

式(6)中:μ=B/T為頻率變化率。當TB?1時，信號能量主要集中在[-B/2，+B/2]，TB越大，其振幅譜越接近于矩形，可近似表示為

(7)

對于窄帶LFM信號，時延分辨常數(shù)Aτ=1/B，多普勒分辨常數(shù)Aξ=1/T。在寬帶模型下，LFM信號的Aτ=1/ηB，當v?c時，η=1，Aτ=1/B，與窄帶情況一致[4]。文獻[4]和文獻[5]都對寬帶LFM信號的速度分辨力進行了分析，其速度分辨力不僅與脈寬T有關，而且與帶寬和載頻有關，在相對帶寬<0.25時，LFM信號基于窄帶模型和寬帶模型的速度分辨力之間的誤差可忽略[6]。

2.4 2種信號的分辨力

基于2種信號的模糊函數(shù)表達式，通過MATLAB仿真出2種信號的模糊函數(shù)圖(見圖1和圖2)，仿真條件為：載頻f0=80 kHz;CW信號脈寬為0.2 ms;LFM信號脈寬為10 ms;帶寬為4 kHz。

a) 模糊函數(shù)圖

b) 距離模糊函數(shù)

c) 速度模糊函數(shù)

a) 模糊函數(shù)圖

b) 距離模糊函數(shù)

c) 速度模糊函數(shù)

從圖1中可看出，CW 信號模糊函數(shù)圖與時間軸重和，距離分辨力與脈寬成反比，速度分辨力與脈寬成正比，良好的速度分辨力和距離分辨力不可兼得。從圖2中可看出,LFM信號模糊函數(shù)圖不與坐標軸重疊，單獨改變脈寬和帶寬均可獲得良好的距離分辨力和速度分辨力，但當距離和速度均不可知時，存在時延-頻移之間的耦合，測量誤差較大。2種信號在當前參數(shù)下的理論分辨特性見表2。

表2 2種信號的理論分辨特性

2.5 2種信號的抗混響能力

混響是海水介質(zhì)中和界面上大量不均勻散射體的聲散射在接收點的疊加。與其他類型的噪聲不同，混響是由發(fā)射信號引起的，其頻譜與發(fā)射信號幾乎相同，單獨增加發(fā)射信號能量，混響也隨之增大，目標檢測能力并未提高。在混響背景下，匹配濾波器的檢測指數(shù)[7-8]為

(7)

式(7)中:Et為發(fā)射信號的能量;Er為接收信號的能量;?hh(τ,ξ)為混響信道散射函數(shù);χ(τ,ξ)為信號模糊函數(shù)。從式(7)中可看出，信號模糊函數(shù)與混響散射函數(shù)重疊面積的減小使目標檢測性能得以提高。

散射體通常是相對靜止的，混響干擾在模糊度圖中表現(xiàn)為一個圍繞ξ=0的干擾帶。圖3給出2種信號的模糊度函數(shù)與混響散射函數(shù)的重疊情況[9]。從圖3中可看出:長脈沖CW信號具有很強的多普勒敏感，在目標回波多普勒較高的情況下可從頻域上避開混響，但在低多普勒情況下信號幾乎被混響限制區(qū)淹沒，適合高速目標檢測;LFM信號因為能量均勻分布在整個帶寬上，可有效降低混響譜級，具有較強的混響抑制能力，多普勒容限大，適合低速目標;短脈沖CW信號的多普勒容限大，受混響干擾的影響小，適合對低速近距離目標進行檢測。

a) 目標靜止

圖3混響與信號模糊度圖分布情況

3 2種信號在實際系統(tǒng)中的應用

根據(jù)上述分析:LFM信號的大脈寬能提高速度分辨力和平均發(fā)射功率，增加聲吶的作用距離;其大的帶寬能提高時間分辨力和接收處理增益，利于提升目標檢測的可靠性。然而，脈寬影響探測盲區(qū)，且與系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理運算量成正比，尤其是在短量程下，較短的發(fā)射周期和平均發(fā)射功率會增加系統(tǒng)發(fā)射機和電源單元的負擔，因此系統(tǒng)也采用短脈沖CW信號。CW信號有較高的測距精度，在同一量程下的脈沖重復頻率高于LFM信號，能更好地實現(xiàn)目標的跟蹤探測。

圖4 信號實現(xiàn)流程

CW信號頻點單一，發(fā)射和接收處理相對簡單。LFM信號工作時，作為發(fā)射機負載的水聲換能器阻抗在工作頻帶內(nèi)起伏很大，阻抗失配問題嚴重。圖4為信號實現(xiàn)流程,其中匹配電路的用途是使發(fā)射機負載的阻抗起伏變小，實現(xiàn)換能器與功率放大器寬頻帶內(nèi)的阻抗匹配，達到功率放大器最大功率傳輸增益，實現(xiàn)寬帶LFM信號的發(fā)射。目前，采用寬帶信號體制的蛙人探測聲吶已研制成功并投入使用，各項技術性能指標均能達到設計要求。

4 結 語

本文利用模糊函數(shù)對CW 信號和LFM信號的分辨力及抗干擾能力進行分析，并對其在DDS中的應用進行說明。大時寬帶寬積的寬帶信號能同時提高距離分辨力和速度分辨力，可有效提高發(fā)射能量和混響抑制能力。隨著換能器新材料的采用和處理工藝的改進，寬帶換能器得到很大發(fā)展。DDS的寬帶信號也會朝著更大帶寬、更大脈寬的方向發(fā)展，信號體制會更加多樣化，采用更接近理想模糊函數(shù)圖的信號體制(如雙曲線調(diào)頻等)。