主動聲吶發射波形設計研究

金素宇 盧得龍 周宗華 王國慶 王然

摘? 要：該文對主動聲吶發射波形設計展開了研究，主要從確定信號形式及信號參數兩個方面分析，介紹了聲吶發射波形形式設計及參數選擇的方法，從抗混響波形設計要求和多基地探測波形設計要求出發，分析了常規聲吶信號抗混響能力，以及適用于多基地探測的聲吶波形。并從兩個角度分析了針對不同任務目的進行波形形式選擇的方法，為確定針對不同任務目的使用的主動聲吶發射波形信號形式、信號參數提供理論依據。

關鍵詞：主動聲吶波形設計? 波形參數? 抗混響波形? 多基地探測波形

中圖分類號：U666.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（a）-0044-04

Abstract： In this paper， the design of active sonar waveform has been studied. Mainly from two aspects of deter-mining the signal form and signal parameters， it introduces the method of sonar waveform design and parameter selection. Starting from the design requirements of anti-reverberation waveform and the design requirements of multi-static detection waveform， analyze the anti-reverberation ability of conventional sonar signal， and sonar waveform suitable for multi-static detection. Analyze the method of selecting waveform form for different mission purposes from two perspectives， and provide a theoretical basis for determining the active sonar waveform signal form and signal parameters used for different mission purposes.

Key Words： Active sonar waveform design; Waveform parameters; Anti-reverberation waveform; Multi-static detection waveform

在主動聲吶系統設計過程中，主動聲吶發射波形是設計過程中的重點。主動聲吶的一項優點就是能夠選擇發射波形和功率，進而進行水下探測和目標跟蹤，因此發射波形的選擇能夠影響探測和跟蹤的效果。

1? 主動聲吶發射波形設計方法

主動聲吶發射波形設計分為兩個步驟，一是確定信號形式，二是確定信號參數。

首先，確定信號形式的基本原則從兩方面來考慮，一是從頻域方面考慮，信號分為窄帶和寬帶信號，窄帶信號一般能夠精確估計運動目標的速度參數，寬帶信號一般能夠進行高精度時延估計或測距。二是從時域方面考慮，信號形式分為單脈沖、多脈沖和連續波形式，單脈沖邏輯簡單，但在脈沖重復間隔時間內無法對目標進行探測，多脈沖是一次發射幾個脈沖，由相同脈沖或不同脈沖組成，通過等效脈沖長度的增加，提高了聲吶性能，連續波[1]采用收發分置的方式進行發射，周期性連續發射信號，對目標進行連續探測，有助于改善跟蹤性能，但在探測過程中需要對不斷受到的直達波干擾進行抑制[2]。因此，要根據實際目的選擇信號形式。

主動聲吶信號波形參數的設計一般考慮3點：工作頻率、帶寬、脈寬，其參數的選取要注意如下相關因素。

主動聲吶接收信號的信噪比為（收發合置）：

式（1）中，SNR為信噪比;SL為聲源級;TL為傳播損失;TS為目標強度;DI為接收陣的接收指向性指數;DT為檢測閾;NL為環境噪聲級。

若SNR≥DT，則系統可檢測到目標。得到以噪聲為主要背景干擾主動聲吶方程[3]：

在海域條件以及發射聲源級一定的條件下，為獲得更高的檢測性能需滿足SNR≥DT。

主動聲吶信號的最佳工作頻率選擇的經驗公式為：

式（3）中，fopt為最佳工作頻率（kHz）;rm為最大作用距離（km）。

主動聲吶信號的帶寬B與時延分辨力成反比。信號脈寬一定的情況下，增大信號帶寬B有助于提高聲吶系統輸出信噪比，有利于提高信號檢測性能，但過分地增加帶寬會增加設備復雜性，對換能器要求較高，同時會破壞窄帶條件（Bf/0<10%～30%），反而降低了聲吶系統處理增益。

主動聲吶信號脈寬T的增加會提高聲吶系統的頻率分辨力，增大脈寬有助于增大時間帶寬積，從而提高信號處理增益，但在收發合置的情況下，脈寬的增加相應地會導致距離為cT/2的范圍內的聲吶工作盲區的增大，不利于信號的檢測。

雙基地聲吶探測條件下，若不考慮回波展寬與多途的影響，直達波時延與信號脈寬之和大于目標回波時延的情況下，目標回波易被直達波所遮蔽，發射站與接收站的基線區形成目標探測盲區。

其探測盲區面積為：

式（4）中，D為基線長度;c為聲速;T為信號脈寬。

針對不同脈寬所造成的雙基地聲吶探測盲區面積進行仿真，取發射站坐標為（-10，0）km，接收站坐標為（10，0）km，聲速為1 500 m/s。信號脈寬的等值線圖見圖1，每條等值線內區域面積即為信號脈寬為該值情況下的雙基地聲吶探測盲區，基線長度一定的情況下，信號脈寬越大，相應探測盲區越大。

因此，針對信號脈寬的選擇也需要在大脈寬帶來的高處理增益和大探測盲區兩者之間進行折中考慮。

2? 主動聲吶信號波形設計

2.1 抗混響波形設計

混響會影響信號的接收，同時對聲吶作用距離造成一定影響[4]，信號的模糊度函數在一定程度上能夠反映出聲吶在混響干擾條件下的檢測能力，因此通過選擇抗混響性能較好的波形來提高抗混響增益。下面通過Q函數分析方法對常用聲吶信號抗混響能力進行分析[5]。

Q函數是衡量聲吶混響輸出大小的標準，其值越小，代表發射信號混響輸出越小。定義為[6]：

式（5）中，χ（τ，ξ）為信號的模糊度函數，其定義為：

式（6）中，s（t）為信號;τ為時延;ξ為多普勒頻移。

針對CW信號、LFM信號、M序列（10階）的Q函數進行仿真，信號脈寬均為0.204 6 s，中心頻率1.5 Hz，采樣頻率15 Hz，幅度1 V，仿真圖如圖2所示，M序列的Q函數值最小，抗混響能力屬三者最優。

2.2 多基地探測波形設計

在多基地探測系統中，信號之間的干擾會對多基地探測和定位能力產生影響，因此一般選擇自相關性好、互相關性盡量小的波形，使各個發射站的發射信號之間相互正交，達到分離非同源信號的目的。常用正交頻分線性調頻信號（OFDM LFM）以及正交Gold序列調相信號。

M組OFDM LFM信號[7]按照如下公式產生，每個發射站發射信號所占頻帶不同：

式中，w（t）為窗函數;T為發射信號脈沖寬度;f0為起始信號的中心頻率;Δf為相鄰兩個發射信號中心頻率間隔;k=B/T為調頻斜率;B為信號帶寬。

由式：

證明si（t）和sj（t），（i，j=1，2...M）在[-T/2，T/2]范圍內是正交的。

Gold序列調相信號是基于m序列產生的[8]，每個發射站的發射信號可占全帶寬，設發射站個數為6，信號頻帶為2～3 kHz，信號采樣頻率15 kHz，單站發射信號頻帶1 kHz，單站發射信號脈寬1.023 s，仿真單站發射信號自相關函數及選取兩個接收站發射信號的互相關函數見圖3。

OFDM LFM信號及Gold序列的自相關性都很好，同時不同發射站間發射信號相互正交，便于達到分離非同源信號的目的。但在信號可占用頻帶一定的情況下，OFDM LFM信號受頻帶限制影響，為滿足信號高處理增益要求，易受到發射站個數的限制。而Gold序列可令多個發射站可占用同一頻帶，不受發射站個數的限制，在保證高處理增益要求的同時提高了頻譜利用率，彌補了OFDM LFM的不足。

3? 結語

該文主要針對主動聲吶發射波形設計進行研究，闡述了主動聲吶發射波形形式及參數選擇的方法，并針對抗混響波形及多基地探測波形的設計進行研究，闡述了針對不同任務目的，從對波形不同的要求出發，針對常用聲吶信號波形進行分析，選出適用該任務目的的最優波形，該方法同樣適用于擴展其他波形進行分析。

參考文獻

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[4] 關承宇，周澤民，曾新吾.連續主動聲吶信號的海底混響研究[C]//中國聲學學會2017年全國聲學學術會議論文集.中國聲學學會，2017：1-2.

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[8] 李銳.多基地聲納系統探測信號波形設計及信號處理方法研究[D].哈爾濱工程大學，2017.