一种低截获水声信号快速检测算法∗

李 帅 曹占启

（91388部队41分队 湛江 524022）

1 引言

在水声对抗演习中，由于现阶段纯被动的探测定位方式仍有技术上的难题及工程实施的风险，因而主要仍然是通过合作声信标来实现对潜的定位导调，该方式主要需要解决两方面的问题：一是测量距离的问题，测量距离的增大可以有效提高测量范围；二是潜艇的隐蔽性问题，即艇载合作声信标必须将暴露潜艇的可能性降为最低［1～2］。传统的合作声信标信号由于易暴露潜艇自身位置而严重影响演习效率及效果［2～3］，为了让导演部在水声对抗演习中能实时监测潜艇的位置，同时又不让“敌方”侦测到声源位置，低截获合作声信号应运而生。对低截获信号的研究表明，适用于演习条件下的低截获信号是一种大时间带宽信号，具有宽带宽、长时宽、低声源级等特点［4～6］，在实际应用中，这种信号由于运算量大而应用范围有限。本文针对低截获声信标信号检测运算量大的问题，设计了一种基于复相关解调降采样和FFT频域运算的快速检测算法，该算法在保持一定检测精度的前提下，有效降低了运算量，并可以在小规模运算芯片上执行，从而可有效降低硬件电路功耗，减小硬件体积，增大低截获信号在水下目标定位中的应用范围。

2 算法分析与设计

低截获信号一般为大时间带宽信号，在白噪声干扰下，匹配滤波器是其最大信噪比准则［7］下的最佳线性检测系统；其传输函数是其输入信号频谱的复共扼，数字信号处理中可用相关器实现信号的匹配滤波。

数字信号处理中，实相关和复相关是两种常用的相关器实现方法［8］。实相关基于实数域实现相关器，参考信号为实数信号。相关器输出信号的内部载波含高频分量，包络为低频分量，二者存在频谱上的差异。通过适当的非线性网络和低通滤波器可实现载频频谱与包络的分离，得到信号包络。实相关在工程应用中，可先使用平方检波或绝对值检波，再通过适当的低通滤波器，即可有效检出其包络。实相关处理时，信号带宽、频率维持不变，测时精度较高，处理的运算量保持不变。复相关处理基于复数域实现相关器，对采样信号进行正交解调（复解调），参考信号为复数信号。对复相关器的输出取平方和或平方和的平方根，即可得到其包络。复相关对采样信号进行正交解调，将其基频平移到零频附近；在对解调信号进行低通滤波后，可以通过降采样来降低相关处理的数据量，降采样的采样率仅依赖于所采样信号的有效带宽，因此，从运算量的角度来讲，复相关处理可以有效降低相关运算的运算量，但同时也会带来测试精度的降低，尤其是在低信噪比条件下。

综合考虑，本文采用复相关器实现匹配滤波，其实现过程如图10。

图1 复相关器实现匹配滤波流程

在以上过程中，为保证相关峰的连续性，采用分段计算、拼接的方式进行计算。

3 算法性能分析

低截获信号快速检测算法需要解决的一个重要问题是如何降低算法在实时运算过程中的运算量，增强算法的实用性。图2～4是算法计算时间的测算程序流程图，图5为1～15倍降采样时降采样倍数对计算时间的影响分析结果，仿真信号中心频率8kHz，带宽 1kHz，宽度300ms，整个分析信号长度1s。结果表明，在降采样倍数为5倍时，计算时间将减少至约1/4，计算量减少的效果非常明显。

图2 计算时间分析程序流程图

图3 粗检程序流程

图5 降采样倍数对计算时间的影响分析结果

图6 表明计算时间统计过程中的一些不确定因素，在不降采样的情况下，整个计算时间在169ms～177ms之间，受操作系统影响，出现了8ms范围的统计误差，平均计算时间173ms。

图6 不降采样时的计算时间分析

在复相关信号检测中，由于经过降采样，虽然运算量得以降低，但同时也带来测时精度的降低，本文要研究快速算法给信标信号时延检测精度带来的影响，确定是否真正对定位精度产生影响。若快速算法对测时精度影响较大，可通过软件进行插值修正，插值的方法包括余弦插值、线性插值、最小二乘插值等。

图7 降采样倍数与信号相关峰宽度关系图

图8 降采样倍数与时延估计均值关系图

图9 降采样倍数与时延估计方差关系图

图7 ～9为粗检、精检联合方式进行的信号检测相关峰宽度、时延均值、误差图，仿真信号中心频率8kHz，带宽1kHz，宽度300ms，分别在-10dB、-20dB、-30dB三种信噪比和1～30倍降采样条件下完成信号检测统计。图7～9表明，降采样倍数对相关峰的宽度、时延估计均值、估计方差在20倍降采样以内基本成线性变化，说明在不采用插值方法提高精度的情况下，降采样倍数对相关峰各项检测值的影响仅在于采样率降低的影响，20倍降采样以上属于过采样，在相关峰宽度、时延估计方面出现了较大变化和跳跃。

4 结语

本文针对低截获合作声信号检测运算量大、应用范围受限的问题，提出一种基于复相关解调降采样和FFT频域运算的快速检测算法，仿真结果表明，在保证一定信号时延检测精度的基础上，该方法明显降低了信号检测的实时运算量，在5倍降采样时，信号检测运算量可降低至1/4，从而使小规模运算器在低截获水声信号实时处理中的运用成为可能，对增大低截获信号在水下目标定位中的应用范围，提高水声对抗演习的演习效率及效果意义重大。