水下无载波超宽带信号波形设计与回波特性

侯欣雨，　陈　航，2

（1. 西北工业大学 航海学院， 陕西 西安， 710072； 2. 水下信息处理与控制国家重点实验室， 陕西 西安， 710072）

水下无载波超宽带信号波形设计与回波特性

侯欣雨1，陈航1，2

（1. 西北工业大学 航海学院， 陕西 西安， 710072； 2. 水下信息处理与控制国家重点实验室， 陕西 西安， 710072）

复杂水声环境下， 发射信号波形设计是提高鱼雷自导性能的关键环节之一。文中基于超宽带信号分辨率高、穿透能力强和低占空比等优点， 根据不同位baker码调制的Ricker水声信号波形， 分析了该信号的带宽、频谱和频带内的能量均匀性， 优选出一种4位baker码调制的Ricker信号作为水下无载波超宽带信号。基于这种超宽带信号进行了潜艇目标多亮点的回波特性仿真分析， 得出了不同入射角度、不同脉冲间隔信号波形对目标多亮点回波的影响。仿真结果验证了这种脉冲信号在水下目标探测中的可行性和优良性， 为后续超宽带信号在水下目标探测领域的研究提供参考。

超宽带信号； 回波特性； Ricker信号； 目标多亮点

0　引言

随着现代水下目标及装备技术的发展， 传统的水声信号处理技术遇到了新的挑战， 这就需要进一步研究提高微弱信号检测、目标参量精确估计、目标识别与反对抗等能力的技术途径。超宽带信号比窄带信号含有更丰富的信号信息， 将信号处理频段向超宽带信号的中低频段扩展， 可有效降低传播损失和潜艇敷瓦的消声效果， 提高鱼雷对现代水下目标的自导探测性能。由于自导系统的距离分辨力与信号带宽成正比， 采用超宽带信号并结合高分辨方位估计技术， 可得到精度更高的目标回波方位距离信息， 利于尺度目标的识别。此外， 超宽带系统易采用复杂的波形与脉冲设计， 提高自导系统的抗干扰和反对抗能力。通过对混响的白化， 又可抑制混响， 提高自导系统在浅海环境下的探测能力， 并增强对低速、静止目标的打击效果。由此看来， 超宽带信号处理必然成为水下复杂环境中信号处理研究的热点。

无载波超宽带技术广泛地应用在雷达、医疗以及地震等领域的研究。极窄脉冲超宽带信号的平均发射功率很低， 甚至降到背景噪声的程度，从而使超宽带信号在很宽的带宽上可与其他通信系统共存， 并且设备复杂程度低、成本低、保密性好， 能够有效对付像潜艇这样有隐身技术的水下目标［1］。

超宽带信号在雷达领域已研究多年， 赵陈亮对于常见超宽带信号作了详细的介绍， 并针对性地研究了超宽带信号的发射和接收技术［2］。也有很多学者用 baker码来调制发射信号， 但是 4位baker码调制的Ricker信号却未见相关文献。

目前， 针对水下超宽带信号已展开一系列的研究， 崔小明等人研究了水下等离子体超宽带信号的产生， 为后续水下超宽带研究提供依据［3］；徐瑜等人针对潜艇的多亮点目标， 提出一种基于信号模型的潜艇目标回声的过渡特性分析方法［4］，把潜艇等效为5个多亮点目标， 以研究潜艇的目标回声强度等内容； 陈晟等人构造了 1个只有 3个亮点的潜艇多亮点目标， 并研究了不同入射角度的多亮点目标的回波变化［5］。但是， 这些文献中并没有同时考虑回波强度、入射角度、脉冲间隔等对水下目标回波的影响。

文中结合上述2种定义多亮点的方式， 借鉴极窄脉冲 Ricker超宽带信号在雷达领域的研究，通过一种baker码调制获得Ricker脉冲串形成的水声信号波形， 并对信号的功率谱、目标回波与多亮点等特性展开分析。将这种超宽带信号引入鱼雷自导系统， 从而为水下复杂环境的目标探测提供新的研究思路。

1　Ricker超宽带信号

Ricker超宽带信号在时域表现为持续时间极短的脉冲， 频域上表现为带宽非常宽的信号。其时域表达式为

相应的频域表达式为

其中: t为时间； f为频率；Mf 为峰值频率。Ricker脉冲信号的时域波形图如图 1所示， 功率谱密度函数如图2所示。

图1　Ricker脉冲时域信号Fig. 1　Ricker pulse signal in time domain

图 2　功率谱密度函数Fig. 2　Function of power spectral density

Ricker信号是零相位， 且波形对称， 旁瓣低且少， 即能量集中在极窄的时间范围内， 故分辨率高。根据水声应用的特点， 其信号时宽一般为几十到几百微秒， 带宽一般为几十或者上百千赫兹。

2　Baker码调制Ricker脉冲信号

由于单脉冲Ricker信号的发射时间极短、单位发射时间内占空比低， 通常情况下， 信号的发射需由一系列的脉冲来完成， 把Ricker信号当成基信号组成脉冲串作为水下发射信号， 用于水下目标的检测和识别。

编码脉冲信号由N个时间间隔为Tn， 幅度为an的子脉冲信号组成， 其表达式为

其中， an的选择从理论上来讲是任意的， 根据经验， 考虑信号的相关性和检测方法， 使用最多的是baker码。目前已找到的baker码有10组， 通过分析研究， 只有3位、4位、7位和13位baker码的频谱能够达到要求。给定脉冲时宽为50 μs，不同位baker码脉冲串信号带宽变化见表1。

表1　不同baker码的脉冲串参数分析Table 1　Parameter analysis of pulse train with different baker codes

从编码脉冲信号的构成看， 似乎单位发射时间内， 脉冲串越多， 信号的能量越高， 对距离尺度相关的测量越精确。但研究结果显示并非如此，通过对不同位baker编码组合Ricker超宽带信号的仿真表明， 表1列举的4种波形具有相对较宽的信号带宽， 结果如图3和图4所示。

图3　不同位baker码脉冲串波形图Fig. 3　Waveforms of pulse train with different bit baker codes

图4　不同位baker码脉冲频谱图Fig. 4　Pulse spectrum of different bit baker codes

从图 4的频谱看， 不同位 baker编码组合Ricker超宽带信号在频带内的能量均匀性又有一定的差异。从相对带宽来看， 4位baker码调制的Ricker超宽带信号带宽最大， 相对带宽较宽、同时频带内的能量均匀性较其他编码更好， 因此，选择4位baker码调制的Ricker信号作为后面研究的对象。

3　目标回波模型

如果把潜艇认为是传统意义上的点目标， 传播过程波形保持不变， 则信道的系统函数为

式中: A是到达信号的幅度； τ是信号的时延。

实际的水下情况较为复杂， 一般情况下， 把目标各散射中心认为理论上适用的点目标， 目标的冲激响应函数就是由各散射点的冲激函数加权叠加而成［6］。理想状态下， 假设目标的姿态角在观测时间内不发生变化， 在反射的过程中， 信号会发生幅度衰减， 则目标的响应函数

对于理想的目标响应函数， 各散射点对应的加权幅度和相位固定， 也就是说为常数。

根据信号回波方面的理论知识， 理想状态下，得出目标在信号波形的反射下， 多亮点目标的理想回波模型

由多普勒效应可知， 多普勒时移和多普勒频移在本质上是相同的， 技术上不易从超宽带信号多普勒频移中提取有效信息， 所以从时域角度考虑多普勒时移［7-8］。则回波信号

式中，fts为时间尺度因子， 且

式中: c为海洋声传播的速度； v为目标的相对运动速度。取目标远离声呐时速度为正。

回波的脉冲宽度

由于声传播速度远大于目标速度， 发射信号时宽又是微秒级，2vT/（c-v）很小，在理论研究中可忽略不计，认为 Teco≈T，即认为回波波形的变化可忽略。但是在时域来看，发射信号的时间间隔Td比信号时宽大很多，回波信号 seco的重复周期不能忽略。回波信号的时间间隔

图5　不同目标速度回波信号变化曲线Fig. 5　Curves of echo signal for different target velocity

分析图 5可知， 当目标靠近声呐时， 接收到的回波信号的间隔逐渐缩小； 相反， 当目标远离声呐时， 接收到的回波信号之间的间隔逐渐增大，符合理论的设想。

4　多亮点目标模型

把潜艇看作多亮点目标模型［4-5，9-12］， 由于其表面结构和方位的分布不同， 艇声目标强度最大的5个部位为潜艇的5个亮点目标， 分别为艇艏、前艇体、舰桥、后艇体和艇艉， 假设潜艇的长度为80 m， 亮点模型如图6所示。图中， 把潜艇5个亮点目标等效为5个半径不同的刚性球体。其中， 代表舰桥的刚性球体最大， 取直径为8 m， 接下来依次是艇艉、艇艏、前（后）艇体。分别取7 m，6 m， 5 m和5 m。

图6　目标多亮点模型Fig. 6　Model of multi-highlight target

各亮点的目标强度

则得到亮点回波的幅度

假设声波的入射角度为θ，发射波与潜艇艇艏的距离为r，各亮点到艇艏的距离为li，由于脉冲的发射周期很短，可认为在一个脉冲发射周期里声源与潜艇的相对位置不变，且认为俯仰角为0。则第i个亮点的时延

不考虑海洋环境和声信道传播损失的情况，假设潜艇和声呐之间相对静止， 在确定信噪比条件下， 多亮点静止目标回波信号就是各散射点回波的相干叠加［13］。以潜艇为例， 不同角度的baker码调制的Ricker超宽带信号多亮点目标回波信号如图7所示。从图中可以看出， 随着角度的改变，观测到的回波信号也有所不同。当信号从0逐渐增大到90°时， 得到的回波间隔越来越小。当入射角度为 90°时， 各亮点的重叠较严重， 基本分不清各亮点目标。随着角度从90°增加， 目标亮点的间隔又慢慢展宽， 可以观察到明显的信号。同时，在这一段观察角度内， 先观测到艇艉的亮点， 最后观测到艇艏的亮点。

图7　不同角度目标回波变化Fig. 7　Change of target echo at different angles

通过对上述4位baker码调制Ricker信号的分析， 可知多亮点目标的分辨情况较理想。下面进一步分析改变 Ricker信号脉冲间隔dT能不能达到同样的效果。以入射角度30°为例， 如图8所示。

图8　不同脉冲间隔目标回波变化Fig. 8　Variation of target echo with different pulse interval

从图 8中可以看出， 随着脉冲间隔增大， 观测到的多亮点目标回波越来越不清晰。因此， 选择发射baker码调制Ricker信号脉冲的长度必须小于亮点间最小距离时延。

5　结束语

为提高鱼雷自导在浅海时的综合性能、自导作用距离和距离探测分辨率， 针对水下无载波超宽带信号波形设计与回波特性进行了研究， 根据不同baker码调制的Ricker水声信号波形， 分析了信号的带宽、频谱和频带内的能量均匀性， 优选出一种4位baker码调制的Ricker信号作为水下无载波超宽带信号。并基于这种超宽带信号进行了潜艇目标多亮点的回波特性仿真分析， 仿真验证了这种脉冲信号在水下目标探测中的可行性和优良性。下一步工作的重点将侧重于该信号检测目标的实用性研究。

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（责任编辑: 杨力军）

Waveform Design and Echo Characteristic of Underwater Carrier-free Ultra-Wide Band Signal

HOU Xin-yu1，CHEN Hang1，2
（1. School of Marine Science and Technology， Northwestern Polytechnical University， Xi′an 710072； 2. National Key Lab of Underwater Information Processing and Control， Xi′an 710072）

The design of signal waveform is very important for improving torpedo homing performance under complex underwater acoustic environment. Ultra-wide band signal has many advantages in target detection， such as high resolution， strong penetrability， and low duty ratio. In this paper， According to the Ricker waveform of underwater acoustic signals modulated by different bit baker codes， the signal′s bandwidth， frequency spectrum and energy uniformity within a frequency band are analyzed， a Ricker signal modulated by a 4 bit baker code is optimized as an underwater carrier-free ultra-wide band signal. Based on this kind of ultra-wide band signal， the echo characteristic simulation analysis of submarine target is carried out， and the influences of incident angle and signal waveform with different pulse interval on the echo of multi-highlight target are obtained. Simulation results verify the feasibility of this kind of pulse signal in underwater target detection， and may provide reference for further research on application of ultra-wide band signal to underwater target detection.

ultra-wide band signal； echo characteristic； Ricker signal； multi-highlight target

TJ630.34； O427.1

A

1673-1948（2016）05-0340-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.005

2016-06-27；

2016-07-13.

中国船舶重工集团公司第705所科学研究资助项目（705JCH2015-4.1）.

侯欣雨（1990-）， 女， 在读硕士， 主要研究方向为信号与信息处理.