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(xí)中，由于現(xiàn)階段純被動的探測定位方式仍有技術(shù)上的難題及工程實施的風(fēng)險，因而主要仍然是通過合作聲信標(biāo)來實現(xiàn)對潛的定位導(dǎo)調(diào)，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(biāo)必須將暴露潛艇的可能性降為最低［1～2］。傳統(tǒng)的合作聲信標(biāo)信號由于易暴露潛艇自身位置而嚴(yán)重影響演習(xí)效率及效果［2～3］，為了讓導(dǎo)演部在水聲對抗演習(xí)中能實時監(jiān)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(yīng)運(yùn)而生。對低截獲信號的研究表明，適用于演習(xí)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(yīng)用中，這種信號由于運(yùn)算量大而應(yīng)用范圍有限。本文針對低截獲聲信標(biāo)信號檢測運(yùn)算量大的問題，設(shè)計了一種基于復(fù)相關(guān)解調(diào)降采樣和FFT頻域運(yùn)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(yùn)算量，并可以在小規(guī)模運(yùn)算芯片上執(zhí)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(biāo)定位中的應(yīng)用范圍。

2 算法分析與設(shè)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(zhǔn)則［7］下的最佳線性檢測系統(tǒng)；其傳輸函數(shù)是其輸入信號頻譜的復(fù)共扼，數(shù)字信號處理中可用相關(guān)器實現(xiàn)信號的匹配濾波。

數(shù)字信號處理中，實相關(guān)和復(fù)相關(guān)是兩種常用的相關(guān)器實現(xiàn)方法［8］。實相關(guān)基于實數(shù)域?qū)崿F(xiàn)相關(guān)器，參考信號為實數(shù)信號。相關(guān)器輸出信號的內(nèi)部載波含高頻分量，包絡(luò)為低頻分量，二者存在頻譜上的差異。通過適當(dāng)?shù)姆蔷€性網(wǎng)絡(luò)和低通濾波器可實現(xiàn)載頻頻譜與包絡(luò)的分離，得到信號包絡(luò)。實相關(guān)在工程應(yīng)用中，可先使用平方檢波或絕對值檢波，再通過適當(dāng)?shù)牡屯V波器，即可有效檢出其包絡(luò)。實相關(guān)處理時，信號帶寬、頻率維持不變，測時精度較高，處理的運(yùn)算量保持不變。復(fù)相關(guān)處理基于復(fù)數(shù)域?qū)崿F(xiàn)相關(guān)器，對采樣信號進(jìn)行正交解調(diào)（復(fù)解調(diào)），參考信號為復(fù)數(shù)信號。對復(fù)相關(guān)器的輸出取平方和或平方和的平方根，即可得到其包絡(luò)。復(fù)相關(guān)對采樣信號進(jìn)行正交解調(diào)，將其基頻平移到零頻附近；在對解調(diào)信號進(jìn)行低通濾波后，可以通過降采樣來降低相關(guān)處理的數(shù)據(jù)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(yùn)算量的角度來講，復(fù)相關(guān)處理可以有效降低相關(guān)運(yùn)算的運(yùn)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(fù)相關(guān)器實現(xiàn)匹配濾波，其實現(xiàn)過程如圖10。

圖1 復(fù)相關(guān)器實現(xiàn)匹配濾波流程

在以上過程中，為保證相關(guān)峰的連續(xù)性，采用分段計算、拼接的方式進(jìn)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(yùn)算過程中的運(yùn)算量，增強(qiáng)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(shù)對計算時間的影響分析結(jié)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(jié)果表明，在降采樣倍數(shù)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(shù)對計算時間的影響分析結(jié)果

圖6 表明計算時間統(tǒng)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(tǒng)影響，出現(xiàn)了8ms范圍的統(tǒng)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(fù)相關(guān)信號檢測中，由于經(jīng)過降采樣，雖然運(yùn)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(biāo)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(chǎn)生影響。若快速算法對測時精度影響較大，可通過軟件進(jìn)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(shù)與信號相關(guān)峰寬度關(guān)系圖

圖8 降采樣倍數(shù)與時延估計均值關(guān)系圖

圖9 降采樣倍數(shù)與時延估計方差關(guān)系圖

圖7 ～9為粗檢、精檢聯(lián)合方式進(jìn)行的信號檢測相關(guān)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(tǒng)計。圖7～9表明，降采樣倍數(shù)對相關(guān)峰的寬度、時延估計均值、估計方差在20倍降采樣以內(nèi)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(shù)對相關(guān)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(guān)峰寬度、時延估計方面出現(xiàn)了較大變化和跳躍。

4 結(jié)語

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