基于波束形成的水下自导目标检测优化算法

郑海生

(中国人民解放军91640部队, 广东 湛江 524064)

引言

随着信号处理技术和水下制导探测技术的发展，研究精准制导的水中兵器，能实现对敌目标的精确打击，鱼雷作为能自主航行、自主攻击和精确制导的水下制导武器，成为海军作战的主要武器系统之一，其作战性能优化和改进升级受到各国海军装备系统研究部门的重视[1]。水中兵器的自导系统是整个制导装置的核心，当前新型水中兵器的自导系统采用主动和被动自导的两种工作方式，通过发射声脉冲信号和接收辐射声信号，实现目标检测和识别。在目标检测过程中，采用参数估计方法和多普勒估计方法，实现对目标的方位、速度和距离等参数的准确估计，提高对目标的攻击和打击能力，研究水下制导武器的目标检测算法，在提高水中兵器特别是鱼雷的对敌目标搜索和攻击能力方面具有重要意义[2]。

为了提高水中兵器自导系统对目标的主动检测能力，本文提出一种基于自动增益控制和接收波束形成的水下目标检测算法。首先构建目标检测的信号模型，采用自导接收机接收声脉冲本振信号，根据自导接收的声信号采用差频信号处理方法生成方波信号，经滤波后输出至自导接收机中构成自导接收波束[3]。然后进行信号波束形成处理，采用数控衰减器进行信号动态压缩处理，提高接收机输出信号的平稳性，采用自动增益控制方法增大数控衰减码，加大接收通道的实际放大增益。采用波束形成方法提高接收波束的信噪比，采用频谱移相求和方法得到接收波束输出信号的频谱，实现自导系统对水下目标的检测和参数估计优化，最后进行仿真实验分析，展示了本文方法在提高水下制导武器的自导系统目标检测能力方面的优越性能。

1 自导系统的声信号接收处理

1.1 本振信号模型

为了实现对自导系统的主动目标信号检测，采用主动自导工作方式，发射CW声脉冲信号，采用多个接收波束进行信号频谱分析，结合高速信号处理器DSP进行目标检测和参数估计，数字信号处理器DSP22输出接收波束至收发隔离装置[4]，采用FM回波匹配滤波方法进行信号抗干扰设计，构建本振信号模型：

(1)

其中，p为分数阶傅里叶变换的阶数，自导接收机通过差频信号处理方法进行输出变频处理，当α=pπ/2，本振信号时频处理的变换核为：

Kp(t,u)=

(2)

其中，n为整数，即n∈Z。

自导接收机接收到声脉冲信号后，在程序控制作用下，产生特定频率的方波信号，本振信号的方波输出Xp(u)可以表示为：

Xp(u)=

(3)

式(3)表示对输入的声脉冲信号的分数阶Fourier变换，可以理解为自导系统的输入声脉冲信号在时频平面内时间坐标轴内的空间波束，输出波束绕任意角度a=pπ/2(π/2的非整数倍，即p为分数)后进行多普勒频谱处理，提高水平面和垂直面的波束指向性[5]。根据目标方位信息以及目标的其它分布信息，得到自导系统检测目标的输出包络特征为：

(4)

其中，a(t)称为复信号z(t)的瞬时幅度，φ(t)称为瞬时相位。根据自导接收的声信号，采用差频信号处理方法生成方波信号，经滤波后，在如下检测门限下进行目标检测判决：

xmin, j=max{xmin, j,xg, j-ρ(xmax, j-xmin, j)}

(5)

xmax, j=min{xmax, j,xg, j+ρ(xmax, j-xmin, j)}

(6)

根据上述构建的本振信号模型，将信号输入到自导接收机的36通道差频放大器中，实现信号的变频处理[6]。

1.2 自动增益控制

水下制导武器的自导系统包含数控衰减器和自动控制器，自导接收机采用数控衰减器进行信号动态压缩处理，当目标回波信号x(k)=s(k)+w(k)是宽平稳的声脉冲信号时，采用4阶累积量估计方法进行时频分析和动态压缩处理，接收机输出的宽平稳4阶累积量为：

(7)

3〈x(n)x(n+τ)〉〈x2(n+τ)〉

(8)

如果检测到的信号的幅度值超过期望范围，对数控衰减码g(n)取均值，其数学表达如下：

(9)

若检测目标环境的海洋混响w(n)为高斯噪声，则：

(10)

若海洋混响w(n)为非高斯色噪声，采用自动增益控制方法，得到的4阶混合累积量切片为：

(11)

此时：

(12)

其中，γ代表对目标检测环境的海洋环境噪声w(n)取峰度。

2 信号波束形成及目标检测算法优化

在采用自导接收机接收声脉冲本振信号和自动增益控制处理的基础上，进行水下自导系统的目标检测优化算法设计，本文提出一种基于自动增益控制和接收波束形成的水下目标检测算法，设自导系统接收信号y(t)为待检测的目标声脉冲回波s(t)和海洋环境噪声n(t)的叠加之和，即：

y(t)=s(t)+n(t)

(13)

采用波束形成方法提高接收波束的信噪比[8]，此时检测目标信号的时频变换为：

Yp(u)=Fa[y(t)]>=Fa[s(t)+n(t)]>=

Fa[s(t)]>+Fa[n(t)]>

(14)

构建一个4阶累积量后置算子提高波束形成的空间指向性：

(15)

采用频谱移相求和方法得到接收波束输出信号的频谱[9]，在特定的指向性空间中，接收波束输出的瞬态频谱可写作如下数学形式：

(16)

计算36通道信号的频谱特征为：

(17)

采用分布式目标方位估计[10]，得到多普勒基波信号形式为：

y1(t)=A1(t)exp{j2π[F(t-ta)ln(t-ta)-

F(t-ta)-FlnDt+fe1t]}

(18)

计算混响和噪声频谱，得到谐波信号表示为：

y2(t)=A2(t)exp{j2π[F(t-ta)ln(t-ta)-

F(t-ta)-FlnDt+fe2t]}

(19)

其中，fe1为波束域截止频率，fe2为谐波截止频率。将分布式目标方位估计的一阶近似法引入到波束域，得到多普勒宽带信号模型为：

u[s(t-τ0)]

(20)

采用频谱移相求和方法得到接收波束输出信号的频谱，进行目标检测和参数估计，得到自导接收波束信号u(t)的目标参数估计值为：

ψ(s,τ)=|χws(s,τ)|2

(21)

通过上述处理，采用分布式波束形成方法，实现对自导系统的目标检测和参数估计，提高接收波束的指向性。

3 仿真实验与结果分析

为了测试本文算法在实现自导系统对敌目标检测中的性能，进行仿真实验，实验采用Matlab 7仿真软件设计，实验中的声脉冲基阵采用16个阵元的均匀线列阵，波束中心方向为(-18°,+14°)，干扰信噪比为10 dB，目标扩展角度设为5°, 8°，根据上述仿真参量设定，进行目标回波信号采集，得到采集信号波形如图1所示。

图1 目标信号波形

以图1采样的目标信号为研究对象，采用本文设计的波束形成算法进行目标检测和方位估计，得到波束方向图检测结果如图2所示。

图2 波束方向图检测结果

分析图2得知，采用本文方法进行自导系统的主动目标检测，输出波束图的指向性较好，具有很好的旁瓣抑制能力，波束中心方向角的准确估计能力较强，说明目标检测的准确性和对目标的方位估计准确性较高。采用不同方法测试目标检测准确性，采用1 000次蒙特卡洛实验，得到检测性能ROC图如图3所示。分析图3得知，本文方法进行目标检测的准确性高于传统方法。

图3 检测性能曲线

4 结束语

本文研究水下制导武器的自导系统目标检测问题，提出一种基于自动增益控制和接收波束形成的水下目标检测算法。采用自导接收机接收声脉冲本振信号，根据自导接收的声信号采用差频信号处理方法生成方波信号，经滤波后输出至自导接收机中构成自导接收波束。自导接收机采用数控衰减器进行信号动态压缩处理，提高接收机输出信号的平稳性，采用自动增益控制方法增大数控衰减码，加大接收通道的实际放大增益。采用波束形成方法提高接收波束的信噪比，采用频谱移相求和方法得到接收波束输出信号的频谱，实现自导系统对水下目标的检测和参数估计。研究得知，采用本文方法进行水下目标检测的准确性较好，抗海洋混响干扰能力较强，目标波束的指向性和旁瓣抑制能力较好。