主动超声引信回声干扰与对策

严 侃

（海军装备部，陕西 西安 710054）

1 概 述

主动超声引信可通过本身发出超声波脉冲信号，借助目标舰船的声反射，接收到脉冲回声信号，以探测到目标舰船。其工作原理类似回声探测的主动声纳。主动超声引信较被动式声引信具有以下特点：1）其探测不依赖于目标自身的物理场，与目标本身的航速、噪声无关，可以探测各种噪声大小、不同航速的舰船目标。2）可以自主地确定发射脉冲信号的功率，以保证必要的接收信号的信噪比，便于实现较远的探测距离。3）借助发射与接收的双重波束指向性和回声测距办法，较好地控制动作区域性。4）便于通过频域、空域和时域信号处理，消除环境噪声干扰，利用较为简便的算法，实现对目标的测距、定位和航速、航向估算。

主动超声引信在水下长期工作过程中，除了会遇到环境噪声干扰之外，还会遇到其本身特有的混响、界面反射、尾流反射和鱼群反射等回声干扰问题。这些回声干扰信号，已影响到主动超声引信对正常目标反射信号的检测和判断，因此判别和消除回声干扰信号是主动超声引信的一项艰巨而复杂的课题。

2 主动超声引信的回声干扰种类

2.1 体积混响

体积混响是由海水内部的不均匀性对声波的散射所引起的，主要是由在水中近似均匀分布的气泡、微粒和小的浮游生物的反向散射造成。体积混响是随着信号发射紧接着出现的，并随着声波传播距离的增大，即发射后时间的推延，其混响强度逐渐减弱。根据理论计算和试验结果，体积混响强度与发射信号的长度和波束的等效束宽立体角成正比。体积混响级通常小于同距离上的目标舰船反射回声级，但是在近距离的体积混响级可能大大超过远处目标的回声级。由于散射的性质、尺度和局部分布的不均匀性以及各个散射体散射声波的相互干涉结果，致使体积混响总是呈现明显的起伏，发射信号脉宽越小，这种起伏就越大。

2.2 海面混响和海面反射

海面混响是指分布在海面附近的散射体所产生的混响。通过理论计算可知海面混响强度也与发射信号的长度及波束的等效束宽的平面角成正比，也随距离增大，即发射后时间的推延而变小，且变小的速度比体积混响要大。当辐射声源不是处于海面附近时，海面混响并不是信号一发射就存在，而是当声波信号传播到海面后才出现。海面的混响级一般要比同距离的体积混响级大20 dB以上，特别是当海面上存在大风时。

当声波的入射角接近90°时，海面的混响级是相当大的，通常会超过目标舰船发射的回声级。如果海面是完全平静的，就不再是反向散射，而是形成镜面反射，其反射回声信号具有明显的前沿和后沿，且其脉冲宽度基本上与舰船反射回声的脉宽系统。

2.3 尾流反射

在舰船航行时，由于其螺旋桨的空化作用，在舰船后方形成一个十分明显的泡沫区域，称为尾流。尾流的厚度一般为舰船吃水的两倍，对于小型舰艇则可能达到其吃水的4倍。尾流的宽度主要取决于舰船的航速，航速越高尾流宽度扩展越大。尾流的长度可延续数公里，持续存在时间可达数10 min。

舰船尾流中的气泡相当密集，因此具有很强的声反向散射能力，尾流的回声很像一个延伸较大的目标反射信号，可以看作是集中目标反射。但是尾流回声毕竟是由于气泡的反向散射所形成，气泡的分布不均匀性及各个气泡散射声波的相互干扰结果，使得尾流回声具有混响的显著特征。

2.4 鱼群反射

海洋中有大量的海洋生物，它们对超声波信号均具有一定的反向散射和反射能力。分散的、个体很小的海洋生物的声散射，已包含在体积混响之内。而长度从几米到几十米的大型鱼类个体及密集型鱼群，其反射回来的回声信号相当强，具有明显的脉冲包络形状，很像是由集中目标反射的回声信号。当然对于密集鱼群的声反射，显然也会具有混响的某些特性。

当鱼群的密集程度很高且厚度较大时，由于各个鱼之间的复散射、相互干涉以及鱼体对声能的吸收等效应，使得回声关系更为复杂，也使得回声起伏更大。

3 抗回声干扰的方法和对策

根据上述的几种回声干扰的性质和特点，可以采取针对性措施，来消除或剔除主动超声的回声干扰。

3.1 空间域处理法抑制回声干扰

通过对体积混响、界面混响、尾流反射和鱼群反射的声级计算，可以看出这些回声干扰均与主动超声引信的发射与接收的等效束宽角有关，若等效束宽角越大，则干扰声级越高。因此，如果采用强指向性的窄波束进行发射和接收，其等效束宽角较小，就可以减小回声干扰的等级，从而提高信号/干扰比。当然波束的宽度也不能无限小，实际采用的波束宽度和波束指向，要根据具体的探测要求来确定。

3.2 时变增益控制法抑制近距离的回声干扰

主动超声引信的目标反射回声级和各种回声干扰的干扰级，都与目标和干扰体所处的相对于主动声探测器的距离有关，即距离越大，声级越小。尽管通常同距离的干扰级小于或远小于目标反射的回声级，但是近距离回声干扰的声级却可能大于或甚大于远距离的目标反射回声级，从而造成误判断而动作。为此，可采用自适应时变调节动作阈值或时变调节接收电路增益，以达到无论近距离或远距离的干扰声级均不会误判断的目的[1]。

3.3 多个发射周期回声起伏连续判断

对于强的回声干扰，例如尾流反射和海面混响回声，其信号/干扰比可能很小，其强干扰回声可能会超过保证目标舰船回声信号可靠动作所设定的动作阈，从而造成误动作。但是由于目标舰船的发射为实体反射，其反射回声信号起伏较小，而尾流反射和界面混响都是由分散的散射体反向散射所形成，存在着局部分布的不均匀性和相互干涉，其干扰回声是有较大的起伏特征。因此当阈值确定得较为合适时，舰船目标回声信号可以稳定地连续多周期地超过该阈值，而干扰回声只能在个别周期内间断地超过该阈值，因此可以采取多个发射周期内回声起伏连续判断的办法，将目标反射回声与干扰回声区分出来。

3.4 空间带或时域区间自适应控制

海面界面反射的回声较大，通常会超过目标舰船反射的回声级。目前有两种方法可以提取出目标回声：1）通过回声测距学习，自适应地确定界面所处的空间带，也是确定海面反射回声到达的时间区间，并依此控制主动超声引信在此时间区间内，对接收到的信号不做处理判别，而对该时间区间外的信号进行处理判别。2）通过对海面反射回声的幅值及波形学习，自适应地抵消海面反射回声，并进行重叠于其上的信号的识别与检测。

3.5 舰船目标的反射回声与干扰回声的特征判别

舰船目标反射回声和干扰回声，除了在声级、包络形状、包络宽度及包络起伏等方面有区别外，在回声的微波形结构上也是不相同的。干扰回声是多点反射与散射、复散射及相互干涉的结果，虽然发射信号为单频，但其回波信号也不再是相位一致的单频信号，而在不同时刻出现一些瞬时相位和瞬时频率，表现在填充信号的微波形上就是子波形状、长短和连接相位的随机变化，并且会根据反射或散射体的不同而变化[2]。但舰船目标壳体的反射回波与反射信号却是高度一致的，其回波的微结构与干扰回声有所区别，因此可以利用过零点分析和极性相关技术，提取各种的特征量，就能进行分类识别。

4 结 论

在确定了主动超声引信的工作频率、发射功率和接收动作阈值等相应参数时，同时应考虑到抗噪声干扰问题，根据各种回声干扰的特征，采用相应对策以区分出目标回声和干扰回声。对于信噪比较低的情况，可以根据信号脉冲包络与噪声包络随机起伏的不同，利用幅值与脉宽双重判决技术进行区分，实现低信噪比回声信号检测。还可以根据回声信号与噪声的频谱结构的不同，利用过零点分析特征识别技术、极性相关特征识别技术、自适应短周期相关检测技术和自适应抵消技术，来区分目标回声信号和干扰回声信号，实现低信噪比状态下的信号检测和判别。目前已有一型主动超声引信采用了以上的抗回声干扰对策和算法，经过海上试验和使用，取得了很好的效果。

[1]RJ尤立克.水声原理[M].哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990.

[2] 汪德昭.水声学[M].北京：科学出版社，1981.