连续波声呐中的调频信号设计方法及性能分析

庞博，吴一飞，刘本奇



连续波声呐中的调频信号设计方法及性能分析

庞博1，吴一飞2，刘本奇2

(1. 海军驻上海地区水声导航系统军事代表室，上海 201108；2. 上海船舶电子设备研究所，上海 201108)

相对传统的短时脉冲波主动声呐而言，连续波主动声呐是一种新型体制的声呐设备，允许在扫描周期内发射高占空比的信号，并且在发射信号的同时进行侦听，由此可以对水下目标实现连续照射，消除距离盲区。由于发射和接收机制的不同，连续波主动声呐对发射信号的波形和处理方法也各有差异，一是要考虑到“直达波”抑制问题，二是要在时间带宽积和对目标的照射时间间隔两者之间进行折中。针对上述两个问题，设计了一种在连续波主动声呐中发射的新型脉冲串信号，该类信号由多个相互正交的广义正弦调频信号串组成，以此在频域上消除回波与拷贝信号的相关性；后置处理中对接收回波提供了三种不同的方案，在时间带宽积和照射时间间隔两者之间择优选择最佳检测效果。计算机仿真结果表明：该类信号波形以及相应的处理方法可以有效地抑制直达波干扰并给出目标的速度-距离信息。

连续波主动声呐；调频信号；直达波抑制

0 引言

大部分的声呐应用比如反潜、鱼雷防御、港口保护中使用的都是传统的脉冲式主动声呐(Pulsed Active Sonar，PAS)，在发射短时脉冲后进行长时间侦听。在PAS模式下，时间带宽积和探测盲区是一对矛盾，目标被声波照射的时间很短，声呐系统至少需要等待一个周期才能更新探测信息，对突发干扰易产生虚警。为了克服上述问题，近十年来，国内外将目光逐渐转移到连续波主动声呐(Continuous Active Sonar，CAS)在CAS模式下，可将水下目标视为向外辐射连续信号的被动目标。与传统的PAS相比，CAS具有以下几个方面的潜在优势：(1) CAS发射机和接收机同时工作，不存在距离盲区；(2) CAS的占空比高，其处理增益远大于PAS，将大幅度提高作用距离；(3) CAS对目标进行连续声波照射，将有效降低虚警概率，抗干扰性强；(4) CAS信息更新是连续的，可有效降低目标信息间隙，从而改善跟踪性能。

同时由于CAS发射和接收工作的同时性，决定了CAS系统一般都是双/多基地的，即发射和接收之间的直达波干扰无法避免。为了有效抑制直达波干扰，改善检测性能，本文提出一种由多个相互正交的广义正弦信号脉冲串组合波形，对接收到的回波进行滑动匹配处理，综合考虑时间处理增益和对目标的照射时间间隔，最后得出相应的结论。

1 广义正弦调频信号的设计原理

广义正弦调频(Generalized Sinusoidal Frequency Modulated，GSFM)信号是一类在正弦调频(Sinusoidal Frequency Modulated，SFM)信号的基础上对调频因子实现非线性变换而在频域获得相互正交性的新型信号。相互正交的多个广义正弦调频信号组合而成的脉冲串在作匹配处理时可消除由相似的频率成分带来的周期性干扰条纹，提高检测效能。

1.1 正弦调频(SFM)信号

SFM信号是一类在CW(Continuous Wave)信号基础上对频率进行调制的调频信号，它的瞬时频率随时间呈现正弦曲线变化规律，时域上的表达式为[1]：

SFM信号的相位和瞬时频率的表达式为[1]：

(2)

(4)

图1、图2分别给出了SFM信号的时频关系和模糊度伪彩图。仿真参数为：，，，调制系数。

由图2可以看出：SFM信号的模糊度图在速度轴上呈现周期性的分布规律，这是由信号本身的梳状谱线结构决定的。当接收回波和发射信号复本之间进行相关处理时，相似的频域分量无疑会产生新的峰值干扰[2-3]。文献[1]中给出了速度轴上的峰值干扰计算公式：

1.2 广义正弦调频(GSFM)信号

想要消除峰值干扰，首先需要消除掉信号梳状的规律性，GSFM信号在SFM信号的基础上对调频分量进行了重新构造，其时域上的表达式为：

GSFM信号的相位和瞬时频率的表达式为

(7)

(9)

由图4中可以看出，GSFM信号在原点处有明显的峰值输出，周围的峰值干扰相较SFM信号而言得到良好的改善。

(a) GSFM信号模糊度伪彩图

(b) 局部放大效果

图4 GSFM信号模糊度伪彩图

Fig.4 The ambiguity analysis of GSFM signal with pulse length1=0.25 s,c=2.5 kHz,=2 and=160 s-2

2 GSFM信号组合脉冲串波形设计

2.1 一簇GSFM信号模糊度分析

(a)      (b)

(c)        (d)

(a)s()的自模糊度图

(b)s()、s()的互模糊度图

(c)s()、s()的互模糊度图

(d)s()的自模糊度图

图6 簇内GSFM信号模糊度伪彩图

Fig.6 The broadband auto and cross ambiguity analyses of the GSFM signals

2.2 一簇GSFM信号的三种带内组合方法

抑制旁瓣干扰的一个重要因素是信号的时间带宽积(Time Bandwidth Product，TBP)，在相同的处理时间内尽量选择大的宽带有助于将混响能量平均到更大的频率范围，从而提高检测效能。但在连续波主动声呐中，除了混响干扰之外，还要考虑直达波的抑制问题。

综合考虑信号的时间带宽积和处理回波中的直达波抑制问题，本文在系统频带内给出了三种不同的组合方法。

第一种方法是全频带分配脉冲串(Full Band Pulse Train，FBPT)，即脉冲串的设计带宽为系统带宽，示意图如图7所示。

由于直达波的能量一般强于目标回波能量，采用这种处理方法容易使目标回波被直达波淹没。

第二种方法是独立频带分配脉冲(Separate Band Pulse Tain，SBPT)，即脉冲串各自分配不同的系统带宽，示意图如图8所示。

对系统带宽进行等分，则单个脉冲信号占据的带宽为sys/。即每个单独的脉冲占据完全相互独立没有交叠的频带，它们的中心频率由一组调频码控制。

在该方法下，由于脉冲之间频带的分割，进一步降低了它们的互相关性，有利于直达波的抑制，但是同时也由于单个脉冲的带宽变窄，导致TBP减小。

第三种方法是重叠频带分配脉冲(Overlapping Band Pulse Train，OBPT)，是对前面两种方法的折中。OBPT采用跳频脉冲串，每个单独的脉冲之间的频带有交叠，带宽为，1<

其中，Δ为相邻脉冲之间的最小频率间隔。

图9 OBPT频分示意图

Fig.9 The frequency distribution for OBPT

3 计算机仿真设计和分析

3.1 仿真实验设计

发射声源级=185 dB，发射换能器和接收水听器置于水下=10 m处，间隔=10 m，中间放置使声波能量衰减60 dB的障碍隔板；采用两个半径=2 m的刚性球作为探测目标，分别放置在距离声呐平台的法线方向上，和750 m，前者以的速度靠近声呐平台，后者以的速度远离声呐平台。实验平台示意图如图10所示。

假设声波按柱面波规律传播，不考虑混响和其他干扰，则在接收机处直达声声压、目标1回波声压、目标2回波声压三者之间的关系为：

(14)

3.2 分析1

仿真可得回波波形如图11所示。

(a) 回波信号

(b) 直达声叠加目标回波

图11 回波信号时域波形

Fig.11 The waveform of echo signal (two target echoes plus direct wave)

对回波的处理方式采用图12的流程[5-6]。单次匹配处理的时间长度为，每次滑动时间长度也为。

以回波到达时间作为开始，则第个节点脉冲匹配的时间中心为(-1)×0.25 s。

图13(a)分别给出了第“1”、“3.4”、“5”节点处匹配处理的结果；图13(b)给出了第“3”、“4”节点匹配处理的结果。

可见在图13(a)中，目标1的回波经匹配处理后亮点最亮，目标2其次。直达声由于达到接收的幅度仅为目标1回波的1/7，所以0 s处的亮点能量最弱。在图13(b)中，第“3”个节点处匹配的时间中心为0.5 s，由于目标1在0.6的时刻到达接收机，拷贝信号(开始出现在时刻0.5 s处)相对回波信号存在0.1 s的提前，所以峰值出现在0.4 s处；同样第“4”个节点处匹配的时间中心为0.75 s，相对于0.6 s处存在0.15 s的延迟，所以图中峰值出现在0.9 s处。并且注意到，由于第“3”个节点处的拷贝信号和目标1的回波的匹配处理的有效时间为0.15 s；第“4”个节点处的拷贝信号和目标1的回波的匹配处理的有效时间为0.1 s。所以图中前者能量亮度强于后者。

(a) 信号匹配完全同步

3.3 分析2

上述仿真的背景是直达声的能量弱于目标回波。但是由于在现实情况下，往往因为目标的尺寸过小(回波强度弱)、距离声呐平台较远等原因而使得接收机处的目标回波强度弱于直达声而无法被检测出来。

首先对直达声的能量干扰级分析：12个脉冲串的产生与上述一致，按照OBPT、FBPT原则分别组合作为一个周期波形，由此形成对比组。其中OBPT脉冲的瞬时带宽Hz，第一个脉冲中心频率=1 615 Hz，往下脉冲中心频率按Δ=70 Hz的步进连续上升跳动。回波处理与图12一致。

OBPT、FBPT直达波干扰在第1个节点的能量输出如图14所示。

(a)OBPT

(b)FBPT

图14 直达波在第1个节点处的匹配输出

Fig.14 The match processing for the direct wave at the first point, the upper for OBPT output and the lower for FBPT output

分别以第一个节点干扰能量的最大值为归一化分母，不失一般性地给出OBPT、FBPT两种方法在“5”、“6”两处节点的干扰能量如图15所示。

对比可见，通过OBPT原则设计的GSFM波形在各节点处的直达声干扰弱于FBPT波形。对于OBPT波形，在第“5”、“6”个节点失配处直达波干扰能量下降约25 dB；对于FBPT，在各失配的节点处直达波干扰能量下降从10 dB～15 dB不等。

3.4 分析3

物理模型重新设计如下：

发射声源级=175 dB，障碍隔板衰减能量为50 dB，假设发射换能器和接收水听器间隔=1 m；则接收机处的直达声的能级为125 dB。采用远近相间的三个目标：

(a) 直达波在第5个节点处干扰能量

(b) 直达波在第6个节点处干扰能量

图15 直达波在其第5、6节点处的匹配输出

Fig.15 The match processing for the direct wave at the fifth (a) and the sixth (b) points

信号波形选择如图16所示。

(a) 回波信号

(b)直达声叠加目标回波信号

图16 回波信号时域波形

Fig.16 The waveform of echo signal (three target echoes plus direct wave)

直达声能量远大于三个目标的回波，在时域上不能判断出目标回波信号的具体到达时间。采用图12处理方法，相关处理时间，每次处理图象结果为1帧。图17(a)～图17(f)依次给出了两类信号在第“1”、“3”、“9”、“10”、“11”、“17”共计6帧的处理结果。

若以直达波匹配是最强干扰为归一化能量(0 dB)，对于OBPT类信号，当目标回波信号能级在约-30 dB以上，经图12的流程处理后可辨别出目标信息；对于FBPT类信号，当目标回波信号能级在约-15 dB以上，经图12的流程处理后可辨别出目标信息。而由实验条件可知，目标1、2、3回波信号在接收处能级分别低于直达波最强干扰-20 dB、-16 dB、-12 dB。所以在图17(c)～17(f)中，OBPT类信号均可探测到目标1、2、3；FBPT类信号仅在17(f)中可探测到目标3。另外由于目标2完全匹配的节点是10.6，所以在图17(c)、17(d)中均是不完全匹配状态，所以相对于拷贝信号存在提前或者延迟。

(a) 第“1”个节点处的匹配结果

(b) 第“3”个节点处的匹配结果

(c) 第“9”个节点处的匹配结果

(d) 第“10”个节点处的匹配结果

(e) 第“11”个节点处的匹配结果

4 结论

对连续波主动声呐中GSFM信号的设计和三种系统带宽的分配方法仿真表明，采用OBPT的设计方案可以有效地抑制直达波干扰。由此可作为连续波主动声呐的一种应用方案。当然，文中的仿真是建立在理想信道的条件下，并且在声呐平台和目标发生相对运行时并没有对副本信号进行频域上的修正，所以文中的匹配处理增益皆为理想状况，仅供参考。另外，对回波的匹配处理除了可以采用单脉冲滑动之外，还可采用自由截取脉冲串的长度作为副本信号，但是在保证对目标相同的照射率的条件下无疑会增加机器的并行处理量。

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The design and performance of the frequency modulated signal for continuous active sonar

PANG Bo1, WU Yi-fei2, LIU Ben-qi2

(1.Military Agent’s Room of Acoustic NavigationSystem in Shanghai Area,Shanghai201108,China;2. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

In contrast to the conventional pulsed active sonar, continuous active sonar is another type of sonar device that allows transmitting high duty cycle signals during the scan cycle and listening while transmitting signals, which can achieve continuous irradiation of underwater targets to eliminate the blind zone. Due to the transmission and reception mechanisms different from the pulsed active sonar, the transmission signal waveform and processing methods are also different,where the problems of the "direct wave" suppression and the compromise between TBP (time-bandwidth product) and time interval for target irradiation need taking into account. Aiming at the two problems, this paper designs a new type of pulse train signal.The signal is composed of several sinusoidal frequency modulation signal strings which are orthogonal to each other. In the post processing, three different schemes are provided for the received echo in order to achieve the optimal detection effect. The results of computer simulation show that the signal waveform and the corresponding processing method can effectively suppress the direct wave interference and give the target velocity-distance information.

continuous active sonar; frequency modulated signal; direct wave suppression

TB556

A

1000-3630(2017)-04-0327-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.04.006

2016-12-11;

2017-03-12

庞博(1977－), 男, 陕西渭南人, 硕士, 研究方向为电子与通讯工程。

刘本奇, E-mail: 13482587203@139.com