水下无载波窄脉冲相关特征检测＊

倪云鹿，陈 航

（西北工业大学航海学院，西安 710072）

水下无载波窄脉冲相关特征检测＊

倪云鹿，陈 航

（西北工业大学航海学院，西安 710072）

广泛应用于超宽带雷达的无载波窄脉冲信号具有较高的距离和角度分辨率、超近程探测能力、便于目标识别、抑制混响起伏等独特优势。现将其应用于水下声纳系统，水下窄脉冲信号具有宽低频特性，从相关方法出发，讨论无载频窄脉冲对体目标信号的检测。根据窄脉冲信号脉宽内相关特征不变特性，体目标信号经过相关器和特征判决器，可明显减小虚峰出现的概率。数值模拟和实验均验证并证明单次检测即可检测到目标信号，精确检测峰值出现时间。

高分辨声纳，特征检测，无载波窄脉冲

引 言

水下信息检测与对抗要求，在技术条件和造价条件允许范围内，尽可能准确地检测到目标或者攻击体的形状、类型，以便精确地定位、估计。由于宽带信号比窄带信号含有更为丰富的目标信息，从而更有利于对目标检测、参量估计和目标识别，宽带信号处理已成为水下信号处理研究领域的重要方向和热点问题。本文研究的无载波窄脉冲信号广泛应用在超宽带雷达上，具有很多特殊的优势：信号发射时间短，瞬时达到很大的带宽，反射出更多目标信息［1］；距离和方位等分辨率高［2］；具有穿透效应，可以检测到掩埋物体或遮蔽物后的目标［3］。鉴于这些优势，将此信号引入到声纳系统中，期望提高目标信号的检测精准度，实现窄脉冲高分辨声纳系统。无载波窄脉冲信号作为水下声发射信号，具有以下特征：有高斯包络的瞬时信号；没有直流分量，可直接发射；宽低频特性；有效抑制混响起伏［4］。

由于海洋环境中水声信号传播的复杂性，无载波窄脉冲信号的检测与处理较之在空气中的传播将具有更大的难度和不确定性，其在水声领域的研究仍不成熟。由于其宽低频特性，适合水声信道传输的窄脉冲频率分离检测困难，从相关检测出发，根据无载波窄脉冲信号相关主峰宽度和零极值点分布不变性，实现了高斯噪声中无载波窄脉冲信号的检测。

1 基于相关特征的判决检测原理

无载波窄脉冲信号在超宽带雷达上的检测应用围绕在基于多径相关特性的raker接收机［6］。无载波无包络的瞬态信号检测研究最初围绕鱼雷入水产生的被动冲击脉冲［7-8］谱相关特性展开的。本文从回波相关特征出发检测体目标信号的存在。

本文针对窄脉冲高斯包络信号设计了相关检测系统，期望单次快速检测到目标信号。除了相关器和门限判决器，根据窄脉冲信号的固有相关特征，加入特征判决器。整个检测流程如图1所示。将圆柱形体目标回波作为输入系统的信号x（t）。

图1 相关特征检测原理图

人工加入不同功率的白噪声通过相关器后进入特征判决器，其特征器判决遵循的规则为：

①主峰值宽度几乎不变；

②半脉冲宽度范围的零极值点分布不变；

③脉冲宽度范围内零极值点分布不变。

依据特征判决器的三条规则，可通过一个样本x（t）快速检测信号存在。

2 模拟回波与实验回波的特征检测

窄脉冲信号时域持续时间极短，与无波形爆炸冲击信号不同，应用于声呐系统时需要波形和脉冲持续时间可控。采用广义高斯脉冲（Generalized Gaussian Pulse，GGP）作为发射的声纳无载频窄脉冲信号［6］。

图2 窄脉冲信号的时域波形

图2给出的发射信号半功率瞬时带宽达到26.88 kHz，中心频率位于17.6 kHz，相对带宽大于1。

定义单位脉冲宽度范围内窄脉冲的能量与噪声的能量比的分贝数为能量信噪比，目标峰值与噪声峰值比的分贝数为极值信噪比。

2.1 模拟目标信号检测结果与分析

经水下信道传播，考虑频率衰减特性，无载波窄脉冲信号的包络形状仍高斯型包络。目标回波略有展宽［7］，可以模拟得到圆柱型点目标的回波信号，波形略有展宽，负峰值增大。

假设体目标回波包含3个不同反射幅度的亮点回波信号，未加入白噪声的模拟目标回波可以从图3的点线观测。分别将峰值信噪比为1.64 dB和-3.4 dB的回波信号输入检测系统，其特征检测结果如图3和图4所示。

近距离检测体目标时，目标反射点看做亮点。多亮点窄脉冲回波不会混叠在回波信号的主峰值区域，即不产生距离延伸；亮点反射回波的尖峰值不会因为反射点的增多而导致回波信号主峰值的展宽，使检测精度下降。

峰值信噪比较高时，加入特征判决器能够很好的检测体目标的多亮点信息，不仅主要亮点峰值突出，附近的反射亮点的小幅度峰值可见，较低的门限值就可以检测到体目标。当峰值信噪比减小时，信号的虚峰增多，峰值增大；增大门限值可能丢失检测时主峰值附近的小幅度反射波，但是最大幅值反射亮点信噪比大幅度增加，突出检测高反射亮点信息。

图3 输入检测系统的信号为模拟目标信号，峰值信噪比为1.64 dB

图4 输入检测系统的信号为模拟目标信号，峰值信噪比为-3.4 dB

2.2 实验目标信号检测结果与分析

实验中，使用任意波形发射器发射脉冲宽度0.1ms幅度10 V的广义高斯信号，单个水声换能器辐射信号，正对发射换能器的位置放置圆柱型目标，水听器位于圆柱型目标的侧面。数据采集仪采集到的信号如下页图5所示。发射信号未经功率放大器放大，消声水池中仍存在一定的背景噪声，背景噪声将体目标回波中的小幅度亮点的反射淹没。

实验中将目标回波信号输入检测系统，经过模拟回波副本相关器，通过脉冲宽度、半脉冲宽度内的零极值分布和脉宽大小的特征判决器，得到输出波形如下页图6所示。从特征检测器的输出信号可以看出，在高信噪比情况下即使检测门限值非常小，仍可以检测到目标信号的多个亮点信息，并精确确定信号的位置和方位。

信号对距离延伸非常敏感，目标回波相关后包含一个主要的反射峰值信息和附近的多个小反射亮点信息。信号主峰值的变化主要由目标信号材料、尺寸引起，并不会引起距离延伸。这是窄脉冲无载频信号入射到体目标上回波的特有特征。

图5 消声水池中接收的直达波和回波

图6 加入特征判决器前后的检验结果

低信噪比下，如图7，经过特征判决器前后输出波形的对比，可以精确地看到目标信号的峰值信息。目标主峰附近仍有小反射信号，表明目标可能为体目标，但是丢失了部分小幅度亮点信息。门限检测输出信号相乘使目标信号信噪比越高，检测效率越高；小幅度亮点峰值相乘变小，丢失。但是最大幅值亮点反射信息突出，可用于精确定位或定向。

图8描述了峰值信噪比与检测概率的关系（+）和能量信噪比与检测概率的关系（.），前者更能准确表达信噪比与检测概率间的关系。当极值信噪比接近0时，即目标回波的峰值与噪声峰值可比拟时，信号的检测概率也非常高。

图7 特征判决前后的检验结果

图8 信噪比与检测概率的关系

通过不同峰值信噪比下加入判决检测器前后的检测概率的对比，表1所示，可以看出特征判决器的使用将大大降低虚峰的检测概率，错检概率略有较小。

表1 实验中不同峰值信噪比下判决前后检测概率的对比

3 小结

本文引进了一种适合水声发射传播和接收的无载频、窄脉冲、相对带宽大于1的高斯包络脉冲信号。对模拟目标回波和水池中接收到的圆柱型目标信号的回波，根据脉宽相关特征不变性及其对体目标的距离延伸敏感性，提出使用特征判决器检测体目标信号。检测得到的主反射峰值突出，附近包含小反射亮点峰值信息，可以作为体目标检测的判断特征之一。

通过特征判决，大大降低了虚峰概率，但是总的检测概率有待进一步提高。为了使检测快速简便，人为加入不同功率的噪声，进行相关特征判决，单次测量就可以得到目标信号信息，快速检测回波信号。特征判决是依据零极值点和脉宽特征，只要窄脉冲信号未被噪声信号湮没并导致峰值信息丢失，即可在低信噪比条件下检测到信号。由于本文使用的是回波-回波相关，此种方法也适用于远场情况。

［1］梁步阁.UWB雷达目标探测理论与实验研究［D］.长沙：国防科技大学，2007.

［2］孙宏伟，余洪涛，张永顺.超宽带ISAR超分辨成像的一种方法［J］.现代雷达，2007，29（2）：32-34.

［3］王明阳.非合作超宽带冲激无线电信号检测技术研究［D］.长沙：国防科技大学，2006.

［4］陈 航，陈永森，杨 虎，等.一种利用均方导数分析混响起伏的方法［J］.中国科学 G辑，2009，39（11）：1584-1588.

［5］ Choi JD，Stark W E.Performance Analysis of Rake Receivers for Ultra-Wideband Communicationswith PPM and OOK in Multipath Channels［J］.IEEE ICC Conf.2002：1969-1973.

［6］刘文海.水下被动目标瞬态特征检测检测技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［7］Claire CJL.ShortDelay Detection ofa Transient in Additive Gaussian Noise via Higher Order Statistic Test［C］//IEEE DigitalSignalWorkshop Proceedings，1996.

［8］ HUSSNN M G M.Principles of High-Resolution Radar Based ofNonsinusoidalWave——Part I：SignalRepresention and Pulse Compression［J］.IEEE Trans.Electromagn.Compat.，1989：31（4）：359-367.

［9］ HUSSNN M G M.Principles of High-Resolution Radar Based of NonsinusoidalWave：Part III.Radar-Target Reflectivity Model［J］.IEEE Trans.Electromagn.Compat.，1990：32（2）：144-152.

Correlation Characteristic Detection of Underwater Carrier-free Pulse

NIYun-lu，CHENHang
（School ofMarine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）

Short pulse widely used for UWB radar has capability of high range and angle resolution,short-range detection,target recognition,depression of reverberation.For the matter,it is brought into sonar system.With the characteristic ofwidely low frequency component,carrier-free pulse is employed for detecting body target.Based on invariance characteristic of correlation peak width,zerocrossings and peaks distribution,body target echo goes through correlation cell and judge cell,Through them,fake peaks apparently decrease and echo peak time is obvious and precious for single detection.

high resolution sonar，characteristic detection，carrier-free pulse

TN911.7

A

1002-0640（2013）08-0127-03

2012-05-23

2012-07-21

武器装备预研基金资助项目（9140A05030409H K0337）

倪云鹿（1983- ），女，辽宁凤城人，博士研究生，讲师。研究方向：声信息与信号处理。