一種獵雷聲吶信號(hào)被動(dòng)定向技術(shù)研究

趙冬艷

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

水雷是海戰(zhàn)中經(jīng)濟(jì)有效且隱蔽性很強(qiáng)的水中兵器，它不僅在抗登陸、封鎖作戰(zhàn)、切斷敵人海上交通、扼守海上要沖時(shí)可直接打擊敵艦船，而且可以在心理和精神上給敵人以強(qiáng)大威懾。獵雷聲吶是反水雷的關(guān)鍵裝備，它發(fā)射有規(guī)律的高頻脈沖聲波，用于探測(cè)與識(shí)別水雷，基本上探雷頻段在80～200 kHz頻率范圍，80 kHz、100 kHz頻率使用較多；識(shí)別頻段在200～500 kHz頻率范圍。確認(rèn)水雷后，在獵雷聲吶引導(dǎo)下使用滅雷具清除水雷[1-5]。目前，水雷反獵主要采用欺騙手段被動(dòng)反獵，如在雷體表面涂覆吸聲材料降低聲反射率。但是，一旦水雷被獵雷聲吶探測(cè)并識(shí)別，只有束手待斃。因此，迫切需要提高水雷的反獵功能。

自導(dǎo)反獵水雷采用被動(dòng)聲自導(dǎo)方式，通過(guò)追蹤獵雷聲吶的聲探測(cè)波束進(jìn)行被動(dòng)聲自導(dǎo)，消滅獵雷聲吶或其載體。獵雷聲吶信號(hào)源級(jí)較高，達(dá)到190 dB左右，在獵雷聲吶工作頻段內(nèi)噪聲譜級(jí)低于30 dB。因此，接收的獵雷聲吶信號(hào)具有很高的信噪比，可達(dá)到50 dB以上。

獵雷聲吶在工作時(shí)，其發(fā)射脈沖信號(hào)覆蓋了很大的帶寬，從幾千赫茲到幾百千赫茲[6]。這樣寬的頻率范圍內(nèi)，沒(méi)有辦法像常規(guī)定向定位技術(shù)那樣采用半波長(zhǎng)間隔布設(shè)水聽(tīng)器陣列，當(dāng)陣元間距大于半波長(zhǎng)時(shí)，兩基元接收信號(hào)的時(shí)延差往往遠(yuǎn)大于信號(hào)周期，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位模糊，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的測(cè)向模糊。

本文利用獵雷聲吶信號(hào)的特征，采用自適應(yīng)notch濾波器估計(jì)信號(hào)的包絡(luò)、頻率、相位差。先檢測(cè)脈沖前沿，將兩路信號(hào)波形按前沿時(shí)刻對(duì)齊，再進(jìn)行相位差估計(jì)的方法，即時(shí)延差與頻率粗測(cè)與相位差精測(cè)相結(jié)合的方法。此方法既可擺脫陣間距必須小于半波長(zhǎng)的限制，又無(wú)需目標(biāo)合作，而且可適用于發(fā)射信號(hào)為變周期、調(diào)頻或跳頻信號(hào)的情形。

1 方位估計(jì)原理[7]

以平面四元陣為例，采用時(shí)延估計(jì)法來(lái)估計(jì)目標(biāo)方位。設(shè)平面四元陣4個(gè)陣元的坐標(biāo)分別為S1( d /2,0,0)、 S2(0,d / 2,0)、S 3 (-d / 2,0,0)、S 4 (0,- d /2,0)。

圖1 平面四元陣定向示意圖Fig.1 Schematic diagram of four-element planar array

聲源的方位角與俯仰角分別為φ和θ，則其方向矢量為 u =[sin θ cosφ,sin θ sin φ ,cosθ ]T，陣元3到陣元1、陣元4到陣元2的矢量分別為

考慮遠(yuǎn)場(chǎng)平面波的情況，聲源到陣元間的聲程差為聲源的方向矢量在陣元間矢量上的投影，它們又分別等于時(shí)延差與聲速c之積。

2 自適應(yīng)Notch濾波器原理[8]

自適應(yīng) notch濾波器可估計(jì)信號(hào)的包絡(luò)和頻率，2個(gè)自適應(yīng)notch濾波器可組成相位估計(jì)器，工作原理如圖2。

圖2 自適應(yīng)notch濾波器原理圖Fig.2 Block diagram of adaptive notch filter

自適應(yīng)notch濾波器采用了2個(gè)正交（正弦和余弦）參考信號(hào)，自適應(yīng)運(yùn)算采用LMS算法，通過(guò)自適應(yīng)算法計(jì)算出相應(yīng)的權(quán)值 Wc、Ws，所用迭代算法如下：

對(duì)于以被動(dòng)方式工作的系統(tǒng)，可以通過(guò) FFT等方法預(yù)先估計(jì)信號(hào)的頻率，作為參考信號(hào)頻率，然后通過(guò)自適應(yīng)方法以期獲得更精確的頻率估計(jì)。或者在帶寬范圍內(nèi)預(yù)置一中心頻率，并且中心頻率隨濾波的進(jìn)行而自適應(yīng)調(diào)整，即參考信號(hào)中心頻率隨自適應(yīng)權(quán)值的輸出作實(shí)時(shí)調(diào)整。

一種有效的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法是利用自適應(yīng)權(quán)值進(jìn)行估計(jì)[9]：

3 方位估計(jì)

時(shí)延差方位估計(jì)原理框圖如圖3所示。

圖3 時(shí)延差估計(jì)原理框圖Fig.3 Functional block diagram of time delay estimation

本文采用先檢測(cè)脈沖前沿，即獲取時(shí)延差粗測(cè)值。將兩路信號(hào)波形按前沿時(shí)刻對(duì)齊，再進(jìn)行相位差估計(jì)，即獲取時(shí)延差精測(cè)值。信號(hào)處理過(guò)程如下。

1）對(duì)4路水聽(tīng)器接收的聲吶信號(hào)，進(jìn)行帶通濾波；

2）對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，得到信號(hào)的包絡(luò)，對(duì)信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行過(guò)門限檢測(cè)；

3）如果信號(hào)包絡(luò)前沿超過(guò)門限，分別記錄下四路信號(hào)前沿時(shí)刻n1，n2，n3，n4。則 1路陣元與3路陣元的時(shí)延粗測(cè)值 n31=n3-n1。同理，2路陣元與4路陣元的時(shí)延粗測(cè)值 n42=n4-n2。

4）檢測(cè)到前沿后啟動(dòng)鑒寬器，對(duì)前 1/5脈寬內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，估計(jì)信號(hào)頻率f。

5）從1/5脈寬開(kāi)始到4/5脈寬時(shí)，保存數(shù)據(jù)用于計(jì)算相位差。把三路保存下來(lái)用于計(jì)算相位差的數(shù)據(jù)根據(jù)前沿時(shí)刻對(duì)齊，然后采用自適應(yīng)notch濾波器估計(jì)三路信號(hào)間相位差?31和?42，用相位差除以2πf得到時(shí)延修正值。

6）用時(shí)延粗測(cè)值加上時(shí)延修正值就得到時(shí)延精測(cè)值。根據(jù)各路之間的時(shí)延精測(cè)值，可以計(jì)算出脈沖信號(hào)的方向。

4 仿真數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上文提出的時(shí)延差估計(jì)方法，對(duì)頻率、相位差、時(shí)延差估計(jì)進(jìn)行仿真。仿真條件為：CW脈沖信號(hào)中心頻率為10 kHz，信號(hào)脈寬為3 ms，采樣頻率為100 kHz，模擬產(chǎn)生4路模擬信號(hào)；通道3相對(duì)通道1的時(shí)延為0.3 ms，通道4相對(duì)通道2的時(shí)延為0.1 ms；信噪比為10 dB。采用上述方法仿真，仿真圖如圖4所示。

圖4 包絡(luò)、頻率估計(jì)輸出Fig.4 Envelope and frequency estimation

仿真估計(jì)出通道3相對(duì)通道1的時(shí)延為0.27 ms，通道4相對(duì)通道2的時(shí)延為0.09 ms。通過(guò)仿真可知，對(duì)于CW信號(hào)，測(cè)得的頻率估計(jì)為中心頻率。在采樣頻率不變的情況下，隨著信號(hào)頻率的增加，測(cè)頻的誤差也隨之增大。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)某次海上試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)采用平面四元陣，目標(biāo)是一條科研試驗(yàn)船。海深大約200 m，水下測(cè)量平臺(tái)深度約150 m，試驗(yàn)時(shí)海況約3級(jí)，海底為泥沙底質(zhì)。基陣布放在水下平臺(tái)上，目標(biāo)直線航行，由遠(yuǎn)及近從平臺(tái)上方附近通過(guò)。水下平臺(tái)內(nèi)裝有數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，采集記錄基陣輸出信號(hào)，平臺(tái)回收后在計(jì)算機(jī)上處理數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用分段分析，與GPS對(duì)應(yīng)。中值濾波去跳變很大的野點(diǎn)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示。可以看出方位角的散步較小，大致符合理論分析結(jié)果。

圖5 方位角估計(jì)Fig.5 Azimuth estimation

圖6 濾波后的方位角估計(jì)Fig.6 Filtered azimuth estimation

圖7 方位角估計(jì)Fig.7 Azimuth estimation

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)某次湖上試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)水域深度約35 m，獵雷具深度約水下2～3 m。試驗(yàn)雷配置4元聲基陣，深度約水下 25 m。試驗(yàn)船操控獵雷具前置航行，航速2～4 kn。中值濾波后的方位估計(jì)如圖8所示。方位估計(jì)連續(xù)，與GPS航跡基本相符，可用于指示目標(biāo)初始方位。

圖8 濾波后的方位角估計(jì)Fig.8 Filtered azimuth estimation

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)追蹤獵雷聲吶的聲探測(cè)波束進(jìn)行被動(dòng)聲自導(dǎo)，通過(guò)被動(dòng)聲吶接收的非合作目標(biāo)發(fā)射的窄帶脈沖信號(hào)，本章提出了時(shí)延差粗測(cè)、自適應(yīng)頻率估計(jì)、自適應(yīng)相位估計(jì)等一系列時(shí)延差估計(jì)策略，此方法不僅對(duì)CW脈沖信號(hào)可測(cè)向，還可適用于調(diào)頻、跳頻信號(hào)，同時(shí)此方法也可用于主動(dòng)聲吶系統(tǒng)的測(cè)向定位。