侧扫声呐CW信号和Chirp信号比较分析

库安邦

（1.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津，300456）

（2.天津水运工程勘察设计院，天津，300456）

不同的波形对应着不同的信号参数，包括振幅、相位、频谱等等，不同参数组合会产生不同的结果，直接影响到整个声呐系统的性能，因此有必要对声呐信号的波形形成特性进行重点研究，从而根据目的和任务，选择最有利于观测的波形。目前常规的侧扫声呐发射信号主要有 CW(continue wave)和Chirp信号都是窄带高频信号源[1]。在20世纪90年代前，侧扫声呐系统设计的声信号还主要以CW脉冲信号作为声源发射信号[2]，但其远程探测能力差。Chirp信号源于现代雷达的发展需求，后来在水声领域得到广泛应用[3-4]，能提高声呐系统的探测性能。为了更直观的了解两种声呐信号的优缺点，对这两种常用的侧扫声呐信号进行了仿真分析。

1 CW信号和Chirp信号匹配滤波

1.1 CW信号的匹配滤波

CW波是一种单频矩形等幅发射脉冲，作为主动声呐信号可以通过时间函数、频谱函数等对其进行描述和评价[5]。对声呐信号处理前需区分信号与干扰，用匹配滤波器可以获得最大信噪比[6]，尤其在白噪声背景下仍能检测到正确信号。CW脉冲信号的数学表达式为：

白噪声情况下，匹配滤波器脉冲响应函数为：

匹配滤波器输出的s0(t)是si(t)和h(t)的卷积结果，如下式：

如图1、2所示，添加白噪声后的CW脉冲变化明显，经过匹配滤波器输出后与不加白噪声的输出相比，其相干性基本上没有变化，说明匹配滤波器对白噪声的抑制还是具有较好的效果。观察匹配滤波器输出信号，峰值高度假设为T，反映了滤波器输入信号的能量。定义脉冲宽度为峰值下降一半处的宽度，那么匹配滤波器的输出宽度是T，与输入信号的脉冲宽度是相同的。对CW脉冲信号进行匹配滤波处理，对提高目标的距离分辨力效果不大，也不会提高系统的处理增益（BT=1），影响目标距离向的分辨力还主要取决于脉宽。

图1 CW脉冲信号添加白噪声对比图

图2 加噪后CW信号的匹配滤波输出对比图

1.2 Chirp信号的匹配滤波

线性调频(Chirp)是指频率随时间的变化而线性变化的信号，侧扫声呐系统多采用这种信号，它与CW信号的最大的不同就是可以调频。侧扫声呐Chirp信号是一种常用的脉冲压缩信号，它可以通过线性调频获得大的时宽带宽积，进而解决探测距离和分辨力的矛盾。

回波信号s(t)匹配滤波器的时域脉冲响应为：

式中，t0是使滤波器物理可以实现附加的时延，令t0等于零，结合式（2）得到匹配滤波器：

s(t)经过系统h(t)可得输出信号s0(t)：

合并式（6）得：

式（7）即为Chirp信号脉冲经匹配滤波之后的输出，它表示的是固定载频f0的信号。若t≤T，信号包络可近似为辛克（sinc）函数。

当πBt=±π时，为其第一零点坐标，其中B为带宽；当习惯上，将此时的脉冲宽度定义为压缩脉冲宽度。

压缩比D定义为Chirp信号的压缩前脉冲宽度T和压缩后的脉冲宽度τ之比。

压缩比其实就是时宽和带宽的乘积。声呐系统中距离向分辨力其实就是脉冲压缩后的分辨力，它受发射信号的带宽影响较大，通常带宽越大，分辨力越高。匹配滤波器适用于线性调频信号，能获得最大的输出信噪比。在原始信号中添加一定的白噪声并进行仿真分析（图3），改变发射脉冲带宽大小，测定其空间分辨力的大小变化。

图3 Chirp信号添加白噪声

脉冲压缩就是对回波信号进行匹配滤波处理，根据匹配滤波相关原理，线性调频信号经过匹配滤波处理之后，脉宽大大缩小，信噪比得到显著的提高，可以兼获更好的观测距离和距离分辨力。图 4是Chirp信号经匹配滤波后的波形图，图中横坐标进行了归一化处理。压缩后信号的第一个零点为±1处，在脉宽波峰的一半处，压缩后脉宽近似为1/B，此时相对幅值为-4 dB。

图4 Chirp信号匹配滤波

2 Chirp信号距离分辨力仿真分析

通过模拟仿真信号，在不同的位置添加目标信息，从而分析Chirp信号的距离分辨力，距离分辨力表达式为：

式中，B为带宽，C为声速。

分别在31 m、32 m、32.03 m、33 m、33.06 m、34 m六个地方添加目标信号，再分别调整带宽为20 kHz、40 kHz、60 kHz，测定其距离分辨力。根据式（11），假设B=20 kHz，理论距离分辨力约为3.75 cm（声速取1 500 m/s），图5～7为不同距离、不同带宽匹配滤波后的脉冲。

图5 B=20 kHz不同距离的Chirp信号匹配滤波

图6 B=40 kHz不同距离的Chirp信号匹配滤波

图7 B=60 kHz不同距离的Chirp信号匹配滤波

可以看出，带宽为20 kHz时，匹配滤波后的脉冲信号不能区分距离为3 cm的两个目标，但是可以区分间隔为6 cm的两个目标信号；而带宽为40 kHz和60 kHz时，能很清楚的区分间隔3 cm的两个目标信号，且60 kHz的带宽区分能力更强。匹配滤波很好的对线性信号进行脉冲压缩，获得更大的信噪比。

3 结论

本文通过实际仿真实验对比分析了CW信号和Chirp的信号优缺点，最终发现声呐系统应用Chirp信号优势更为明显，它能在保证一定探测距离的同时保证其对小目标的分辨力，经匹配滤波后的线性调频信号具有更优的抗噪声能力，对侧扫声呐大量程扫测更为适用。CW 信号经过多年的发展愈加成熟，其简单的信号机制也使其在浅水、混响较小的区域有一定的优势，在实际测量的时候可按需选择。