浅水环境鱼雷声自导波形设计与分析

雷江涛，　董　萌，　张国锋

（海军装备部， 陕西 西安， 710077）

浅水环境鱼雷声自导波形设计与分析

雷江涛，董萌，张国锋

（海军装备部， 陕西 西安， 710077）

波形设计作为鱼雷主动声自导设计的三大要素之一， 直接决定了鱼雷主动声自导系统的抗混响能力及精确参数估计能力。文中以模糊度函数为分析工具， 通过数值仿真详细对比分析了LFM、伪随机二相编码信号及Costas信号等3种典型宽带波形的抗混响能力、距离及速度分辨能力。仿真结果表明， 相同带宽和时宽参数下， 伪随机二相编码信号具有最优的抗混响性能、距离及速度联合分辨性能， 适用于浅水环境下低速目标的检测和目标识别。文中的研究可为鱼雷主动声自导波形设计提供参考。

鱼雷声自导； 浅水环境； 波形设计； 模糊度函数； 抗混响

0　引言

随着现代舰艇静音性能的逐步发展， 被动声探测技术将逐步被削弱， 取而代之的将是低频主动声呐。主动声自导鱼雷在浅水使用时与深水有很大不同， 浅水环境中界面混响（特别是海面混响）强度大、扩展严重， 并且环境噪声更为恶劣，严重制约了鱼雷主动声自导浅水性能。我国近海水域深度大多在200 m以内， 因此提高浅水性能是鱼雷主动声自导急需解决的关键技术之一。

主动声自导的主要优势之一在于可以通过波形设计技术改善系统的抗噪声、抗混响、目标识别与反对抗能力［1］。发射信号波形体制不仅决定了接收系统的信号处理方法， 而且直接影响系统的距离、速度分辨率、参数估计精度、混响抑制能力等性能。目前， 主动声呐常用的波形为单频连续波（continuous wave， CW）、线性调频（linear frequency modulation， LFM）及双曲调频（hyper-bolic frequency modulated， HFM）等［2～4］， 单频CW信号抗混响能力最差， 只适用于高多普勒目标，LFM及HFM等调频类信号波形具有较优的抗混响性能， 可用于低速目标检测， 但是具有速度估计精度差的缺点。国外Doisy Y［5］以及国内岳雷［6］等人对线性调频脉冲串（pulse trains of linear frequency-modulated， PTLFM）信号的抗混响性能进行了研究， 但是该信号特性决定了其不利于目标识别。

文中通过鱼雷主动声自导功能需求与发射信号波形特性分析， 比较了LFM、Costas跳频编码信号以及伪随机调相信号3种波形的抗混响及分辨性能， 并进行了试验研究， 验证了采用波形设计手段可解决鱼雷浅水自导探测能力不高的问题，为鱼雷主动声自导波形选择提供了依据。

1　浅水环境鱼雷自导波形设计

1.1技术基础

浅水环境是指声波在其中传播时， 易受海底、海面等边界影响的传播环境。针对鱼雷自导而言， 一种是实际水深不超过200 m的浅海区域，一种是鱼雷工作深度较浅的表面声道（如主动声自导反舰等）。在此种环境下， 混响干扰严重（特别是海底与海面混响）， 易产生虚警， 特别不利于低速目标的检测； 同时， 环境噪声和鱼雷自导自噪声更为恶劣， 严重制约自导作用距离的提高。

由信号检测理论［1］可知: 此种环境下易采用大时间带宽积（BT）信号， 白化混响， 提高信号处理增益。描述水声信道的2个重要参数为多途扩展和多普勒扩展， 或者说为信道的相干带宽和相干时间［7］。信号时宽T的选择， 应与信道的相干时间相当， 信号带宽B的选择， 应与信道的相干带宽相当。在远程， 自导的主要任务是信号检测， 信号应具有足够的能量； 在中近程， 自导的主要任务是精确参数估计及目标识别， 应采用具有高时延和频率分辨能力的宽带编码波形。

1.2波形分析及参数选择

模糊度函数是信号分析和波形设计的有效工具。模糊度函数仅由发射波形决定， 它反映了不同波形在采用最优信号处理条件下系统所具有的时延（距离）分辨、多普勒频率（速度） 分辨以及混响抑制能力。一般情况下， 信号模糊度图主瓣越尖锐， 旁瓣越低， 则能量在频域和时域上越集中，信号的分辨力也越强。

信号的宽带模糊度函数定义如下［2］

式中: τ是目标回波时延； s称为时间尺度因子或多普勒压缩因子， 且， c为水中声速， v为径向速度， 相向运动时为负；u（t）是信号的复包络。

1.2.1线性调频（LFM）信号

LFM信号是主动声呐中广泛使用的波形之一， 其数学表达式为

图1为LFM信号的宽带模糊度函数数值仿真结果。可以看出， 其图形为倾斜刀刃形， 具有尖锐的时延（距离）分辨特性且旁瓣很低； 具有优越的抗混响能力， 但是速度模糊度函数比较平坦；具有较高的多普勒容限， 且存在距离和速度间的耦合模糊， 当目标距离和速度均未知时， 容易测不准， 估计误差很大。由此可见， LFM信号适合于浅水环境下鱼雷自导的远程检测， 但不适合于中近程的目标识别， 或者说不能单独用于中近程的目标识别。

1.2.2伪随机二相编码信号

伪随机二相编码信号是一种相位按伪随机编码变化的二进制调相信号， 其数学表达式为

式中: cn为伪随机序列，； N为伪随机序列长度； Ts为伪随机序列码片宽度；f0为中心频率。

常用的伪随机序列有m序列、M序列以及Gold序列等［8］， 图2给出了基于m序列的伪随机二相编码信号的宽带模糊度函数数值仿真结果。可以看出， 其模糊度函数接近理想的图钉形， 具有尖锐的时延（距离）、速度分辨特性且不存在距离与速度的耦合， 测量精度高， 具有优越的抗混响能力， 适用于浅水环境下低速（甚至静止）目标的检测与识别。缺点是对速度敏感， 当可能的多普勒速度超过该容限时， 需配置新的多普勒滤波器，增加了接收设备的复杂性。

图1　线性调频信号模糊度函数图（f0=20 kHz， B =2 kHz， T =128 ms）Fig. 1　The ambiguity function diagram of linear frequency modulation（LFM） signal（f0=20 kHz， B=2 kHz， T=128 ms）

图2　m序列伪随机调相信号模糊度函数图Fig. 2　The ambiguity function diagram of m sequence pseu do random binary phase coding signal

1.2.3Costas信号

Costas信号是一种载频按Costas编码变化的时频跳变信号， 其数学表达式为

式中: N为子脉冲个数； Tr为子脉冲重复周期； Ts为子脉冲宽度； fn为第n个子脉冲的载波频率； n指第n个子脉冲。

产生Costas编码的方法有Welch-Costas法［9］，表1列出了该方法生成的N=10时4组Costas序列。

表1　N=10时的Costas序列Table 1　Costas sequence when N=10

图3～图5给出了Costas信号宽带模糊度函数数值仿真结果。在B和T一定的情况下， Costas信号特性与N的取值关系较大， 当N取10时， 信号模糊度函数具有明显的多峰现象， 时延（距离）副瓣高（约-4 dB）， 且存在微弱的距离和速度耦合； 当N取22时， 信号模糊度函数的多峰现象明显减弱，时延（距离）副瓣降低（约-19 dB）， 但依然存在微弱的距离和速度耦合； 当N取16时， 信号模糊度函数的多峰现象最弱， 时延（距离）副瓣低（约-24 dB）， 且不存在距离和速度耦合， 具有尖锐的时延（距离）、速度分辨特性， 抗混响性能及分辨性能接近于相同时间带宽参数下的伪随机二相编码信号， 适用于浅水环境下低速（甚至静止）目标的检测与识别。

图3　子脉冲个数N=10时Costas信号模糊度函数图Fig. 3　The ambiguity function diagram of Costas signal when number of sub-pulses N=10

图4　N=16时Costas信号模糊度函数图Fig. 4　The ambiguity function diagram of Costas signal when N=16

图5　N=22时Costas信号模糊度函数图Fig. 5　The ambiguity function diagram of Costas signal when N=22

2　试验验证

理论与仿真分析可知: 与LFM信号及Costas信号相比， 在相同B、T参数下， 伪随机二相编码信号具有最优的抗混响及距离-速度联合分辨性能， 最适合用于低速目标的检测与目标识别。为了验证伪随机二相编码信号的优越性， 在鱼雷中程采用伪随机二相编码信号， 在外场进行了信号分辨能力静态试验研究。

试验水域深度约100 m， 接收装置置于水下10 m； 发射信号为伪随机二相编码信号， 带宽4 kHz， 时宽127.75 ms； 模拟声源为5个亮点， 亮点间距10 m， 布于水下20 m， 距离1 000 m， 多普勒设定为-8 kn。

对10个周期的试验结果进行统计分析， 结果表明， 伪随机二相编码信号可以精确估计出模拟声源的距离及多普勒， 清晰地分辨出5个亮点，图6给出了某周期数据的处理结果。试验结果充分验证了伪随机二相编码信号的高分辨特性及其应用于目标识别时的有效性。

图6　伪随机二相编码信号尺度识别试验数据处理结果Fig. 6　Data processing result of dimension identification trial of pseudo random binary phase coding signal

3　结束语

针对鱼雷自导在浅水环境中的抗混响及精确参量估计需求， 阐述了发射信号波形设计对于鱼雷自导系统设计的重要性。然后利用信号模糊度函数工具， 对LFM信号、伪随机二相编码信号及Costas信号3种典型波形的抗混响能力、距离及速度分辨能力等进行了深入分析与比较， 并给出了Costas信号具体的参数选择方法。最后通过外场静态试验， 验证了采用波形设计手段改善鱼雷自导浅水性能的有效性， 文中的工作可为浅水环境鱼雷自导波形设计及参数选择提供依据。

［1］ 朱埜. 主动声呐检测信息原理［M］. 北京: 海洋出版社，1990.

［2］ 李志舜. 鱼雷自导信号与信息处理［M］. 西安: 西北工业大学出版社， 2004.

［3］ 李峻年， 孟士超， 佘亚军. 主动声呐发射波形设计研究［J］. 舰船科学技术， 2014， 36（4）: 113-118. Li Jun-nian， Meng Shi-chao， She Ya-jun. Review on Research Development of Active Sonar Waveform Design［J］. Ship Science and Technology， 2014， 36（4）: 113-118.

［4］ 陈韶华， 赵冬艳. 几种主动声呐信号抗混响性能分析［J］. 水雷战与舰船防护， 2011， 19（4）: 12-15. Chen Shao-hua， Zhao Dong-yan. Reverberation Suppression Performance of Several Active Sonar Signals［J］. Mine Warfare and Ship Self-defense， 2011， 19（4）: 12-15.

［5］ Doisy Y， Deruaz L. Reverberation Suppression Using Wideband Doppler Sensitive Pulses［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 2008， 33（4）: 419-433.

［6］ 岳雷. 线性调频脉冲串信号及其检测性能分析［J］. 鱼雷技术， 2015， 23（4）: 285-290. Yue Lei. Pulse Trains of Linear Frequency-modulated Signal and Its Detection Performance［J］. Torpedo Technology， 2015， 23（4）: 285-290.

［7］ 惠俊英. 水下声信道［M］. 北京: 国防工业出版社，2007.

［8］ 查光明， 熊贤祚. 扩频通信［M］. 西安: 西安电子科技大学出版社， 2002.

［9］ Arcasoy C， Koc B. On Cross-ambiguity Properties of Welch-Costas Arrays［J］. IEEE Trans Aerosp Electron Syst，1994， 30（4）: 1063-1071.

（责任编辑: 杨力军）

Waveform Design and Analysis of Torpedo Acoustic Homing in Shallow Water

LEI Jiang-tao，DONG Meng，ZHANG Guo-feng
（Naval Armament Department， Xi′an 710077， China）

As one of three major design factors of a torpedo active acoustic homing system， waveform design determines the anti-reverberation capability and accurate parameter estimation of the torpedo active acoustic homing system. In this study， ambiguity function is adapted to analyze the anti-reverberation capability， range and velocity resolution of three typical wideband waveforms， i.e. linear frequency modulation（LFM） waveform， pseudo random binary phase coding waveform， and Costas waveform. Simulation results demonstrate that the pseudo random binary phase coding waveform has the best anti-reverberation performance and joint resolution of velocity and range， and it is suitable to low speed target detection and identification in shallow water. This research may provide a reference for design of torpedo active acoustic homing waveform.

torpedo acoustic homing； shallow water environment； waveform design； ambiguity function； anti-reverberation

TJ630.34； TB566

A

1673-1948（2016）05-0346-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.006

2016-05-03；

2016-07-04.

雷江涛（1971-）， 男， 高级工程师， 长期从事鱼雷总体及质量管理工作.