宽带体制下混响和目标空时分布特征研究

刘清宇，卫红凯



宽带体制下混响和目标空时分布特征研究

刘清宇1，卫红凯2

(1. 海军装备研究院，北京 100161；2. 海军工程大学，湖北武汉 430033)

传统的空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)利用窄带混响和目标在空时平面的可分辨特征抑制窄带混响。对宽带混响和目标在空时平面分布特征进行研究，并通过理论推导，得出带宽对混响和目标空时分辨特征的影响公式。结果表明：宽带混响和目标在空时平面分布特征部分重叠，导致传统STAP效果不佳。在此基础上，借鉴STAP思想，并利用线性调频(Linear Frequency Modulation, LFM)信号在分数阶Fourier变换域上的聚焦性，分析了在空-分数阶Fourier域三维空间上抑制宽带LFM混响的可行性。

宽带混响；空时自适应处理；分数阶Fourier变换；线性调频信号

0 引言

为了对抗安静型潜艇，现代主动声呐技术普遍向低频、宽带、大功率方向发展[1]，这在提高探测距离的同时，也使得主动声呐的特有干扰——混响背景增强。混响与目标的形成机理相似，其与目标的时、频域特征往往耦合在一起，难以分离，使得传统的时、频域混响抑制方法效果不佳。

为了有效抑制混响，就需要利用混响和目标的可分辨特征，以构造滤波器，滤除混响。空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)[2]就是利用运动情况下混响和目标在空时平面的分布特征差异(根据平台运动方向与基阵轴向夹角不同，混响在空时平面表现为直线、圆或椭圆，目标表现为一个点)来抑制混响。STAP首先应用于机载雷达杂波抑制，雷达杂波与声呐混响有一定的相似性，文献[3,4]借鉴STAP思想，将其应用于窄带声呐混响抑制，取得了优于传统常规处理的结果。本文分析了宽带体制下，混响和目标的空时分布，并通过理论推导，得出了带宽对混响和目标空时分辨特征的影响公式。结果表明：宽带体制下，受带宽影响，混响和目标在空时平面部分重叠，重叠程度与带宽成正比，从本质上揭示了传统STAP性能下降的原因。在此基础上，针对雷达、声呐中广泛应用的宽带线性调频(Linear Frequency Modulation, LFM)信号[5,6]，利用其在分数阶Fourier域上的聚焦性[7-9]，结合空域，指出在空-分数阶Fourier域三维空间上，混响和目标有可分辨特征，为空-分数阶Fourier域三维空间上抑制宽带LFM混响提供了理论基础。

1 宽带混响和目标空时分布特征

窄带体制下，信号的多普勒频率主要表现为中心频率处的多普勒频率，理论上混响的空时二维分布为斜线(正侧视声呐)、半圆(前视阵声呐)或半椭圆(斜视阵声呐)；而目标位于空时平面上的某一点[4]，混响和目标在空时二维平面可分辨。传统窄带STAP方法即是利用此特征抑制窄带混响。

图1 宽带信号频谱示意图

图2 正侧视声呐配置下宽带混响和目标的空时分布

2 带宽对混响和目标可分辨特征影响

由上节分析可知，受带宽影响，宽带混响和目标在空时平面分布部分重叠，难以分辨。下面通过理论推导具体分析带宽对混响和目标空时分辨特征的影响。

图3 宽带混响和目标空时平面分布示意图

根据式(3)，则可知：

窄带体制下，时宽带宽积近似为1，式(4)可化简为

图4 目标径向速度与中心频率关系曲线

图5 目标径向速度与脉宽关系曲线

图6 目标径向速度与带宽关系曲线

图7 目标径向速度与起始频率关系曲线

3 空-分数阶Fourier域三维空间上抑制宽带LFM混响可行性分析

由前述分析可知，带宽的影响使混响和目标在空时平面不仅重叠，而且由于目标径向速度的限制，往往重叠程度较高。为有效抑制宽带混响，需寻求新的宽带混响和目标可分辨空间。以雷达、声呐中常见的宽带LFM信号为例，分析在空-分数阶Fourier域三维空间上抑制宽带LFM混响的可行性。

分数阶Fourier变换[7-9](Fractional Fourier transform, FRFT)定义如下：

分析式(7)可知，分数阶Fourier变换采用线性调频基，因此，对LFM信号进行分数阶Fourier变换，即相当于LFM信号与线性调频基匹配的过程。当两者不匹配时，输出值很小，当两者达到匹配时，出现峰值，称为LFM信号在分数阶Fourier域具有聚焦性。利用LFM信号在分数阶Fourier域(以(,)表示，为分数阶次、为分数阶Fourier域值)的聚焦性即可实现LFM信号的检测和参数估计。

但对于主动声呐中的混响背景而言，混响由大量散射元散射的LFM信号组成，在分数阶Fourier域上也表现出聚焦性(如图8所示)。难以利用分数阶Fourier域上LFM信号的聚焦性实现混响背景下LFM目标回波的检测。

图8 LFM混响在分数阶Fourier域分布

4 结论

窄带混响和目标在空时平面有可分辨的特征，传统STAP方法利用此特征抑制窄带混响。宽带混响和目标在空时平面部分重叠，难以分辨，传统STAP方法效果不佳。针对雷达、声呐中常用的宽带LFM信号，利用LFM信号在分数阶Fourier域的聚焦性，引入空域，则在空-分数阶Fourier域三维空间上，宽带LFM混响和目标有可分辨特征，据此可抑制宽带LFM混响。

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Study of space-time distribution characteristics of wideband reverberation and target echo

LIU Qing-yu1, WEI Hong-kai2

(1. Naval Academy of Armament,Beijing 100161, China;2.Navy Engineering University, Wuhan 430033,Hubei,China)

The traditional space-time adaptive processing (STAP) suppresses narrowband reverberation by utilizing the distinguishable characteristics of narrowband reverberation and target echo in space-time plane. In the paper the distribution characteristics of wideband reverberation and target echo in space-time plane are studied. Based on this, the theoretical formula is derived to analyze the influence of bandwidth on reverberation and target echo’s distinguishable characteristics. It shows that the performance of traditional STAP is degraded seriously due to the overlap of wideband reverberation and target echo in space-time plane. And then, the possibility of cancelling wideband linear frequency modulation (LFM) reverberation in space-fractional Fourier domain is analyzed by integrating the space domain and the concentration characteristic of LFM signal in fractional Fourier domain.

wideband reverberation; space-time adaptive processing(STAP); fractional Fourier transform; Linear Frequency Modulation (LFM) signal

TB566

A

1000-3630(2014)-06-0489-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.002

2014-09-11;

2014-11-17

刘清宇(1968－), 男, 河南商丘人, 研究员, 研究方向为水声数据分析。

卫红凯, E-mail: whk200605@163.com