干扰条件下的水声直扩信号非合作检测方法∗

林 楠 韩树平 柳文明 徐景峰

（海军潜艇学院 青岛 266042）

干扰条件下的水声直扩信号非合作检测方法∗

林 楠 韩树平 柳文明 徐景峰

（海军潜艇学院 青岛 266042）

为了将倒谱法应用于周期性脉冲干扰和船舶辐射噪声条件下的水声直扩信号的非合作检测，通过处理海上实测数据，分析了周期性脉冲信号和船舶辐射噪声的倒谱特征；采用频谱分析和倒谱联合检测法有效抑制了倒谱检测中周期性脉冲干扰的影响；采用倒谱—小波分解联合检测法提高了船舶辐射噪声背景下直扩信号检测的性能，并通过仿真进行了验证。该研究对复杂水声环境下直扩信号的非合作检测方法的研究有一定借鉴意义。

水声直扩信号；倒谱检测；周期性脉冲干扰；船舶辐射噪声

ClassNum ber TB567

1 引言

目前，水声直扩信号的非合作检测法主要有：自相关检测法［1］，循环谱检测法［2］和倒谱检测法［3］等，其中倒谱检测法因为计算速度快、可实时检测，已得到广泛应用［4］。具有周期特性的直扩信号经过倒谱处理后会在伪码整数倍周期处出现峰值，以此实现直扩信号的倒谱检测。海洋环境［5］中的周期性脉冲信号和船舶辐射噪声本身的周期特性对水声直扩信号倒谱检测结果的影响不容忽略。为解决这一问题，本文通过处理海上实测数据，首先分析了周期性脉冲干扰和船舶辐射噪声对水声直扩信号倒谱检测产生的具体影响，然后针对具体的影响分别采用了频谱与倒谱联合检测法实现了周期性脉冲干扰的抑制和采用倒谱—小波分解联合检测法提高了船舶辐射噪声影响下直扩信号检测性能，并通过仿真进行了验证。

2 直扩信号倒谱检测

倒谱［3］定义为

假设直扩信号为

式中：d(t)是信息码，p(t)是伪随机码，ωc=2πfc是载波角频率，φ0是初始相位。

直扩信号的功率谱为式中：C=A2/4⋅P+1/P2，P是伪随机码每周期码元数，Tc是伪随机码的码元宽度，PTc是伪随机码的时间周期，sd(f)是信息码的功率谱。

直扩信号的对数功率谱为

对上式进行逆傅里叶变换，求模平方后得到倒谱，其仍存在三个分量：功率谱幅度脉冲，扩频码宽度脉冲和在扩频码整数倍周期处出现的周期性脉冲，据此可以通过倒谱域出现的周期性峰值来检测直扩信号。

图1为高斯白噪声背景下直扩信号倒谱检测仿真图，仿真参数：DSSS信号的BPSK调制载频为1kHz，采样率取5kHz，时长 3.81s，取6个周期的伪码序列和6位信息码，信道为加性高斯白噪声信道，信噪比为-4dB。由图1出现的周期性峰值可判决出直扩信号存在。

图1 高斯白噪声背景下DSSS信号的倒谱

3 周期性脉冲干扰影响下的检测方法

本节利用海上实际接收的周期性脉冲信号分析其对水声直扩信号倒谱检测的影响。实测信号的采样频率为5kHz，频率1420Hz，每个脉冲宽度0.1s，脉冲间隔1s，总时长3.81s。其中：图2中（a），（b）分别为周期性脉冲信号的时域图和倒谱图，图3中（a），（b）分别为周期性脉冲干扰条件下直扩信号的频谱图和倒谱图。

周期性脉冲信号经过倒谱处理后会出现峰值，如图2（b）所示。所以，对含有周期性脉冲干扰的直扩信号进行倒谱检测时，在倒谱域直扩信号的周期峰与脉冲信号的干扰峰混合，脉冲重复次数越多，干扰峰越多，无法判决直扩信号的存在，如图3（b）所示。

图3（a）所示为周期性脉冲干扰条件下直扩信号的频谱图，直扩信号为宽带信号，带宽为400Hz，中心频率为1000Hz；脉冲信号为窄带信号，频率为1420Hz。从频谱图中可以看出周期性脉冲信号幅度远高于直扩信号的最高幅度，当信噪比较低时，在频域无法直接观察出直扩信号，但是仍然可以看出周期性脉冲线谱的存在。

图2 周期性脉冲信号

图3 周期性脉冲干扰条件下的直扩信号

以此可以设定检测流程如下：首先对接收信号进行频谱分析，在频域确定出脉冲频率位置；然后根据脉冲频率设置合适频带范围的滤波器，接收信号通过滤波器后将脉冲频率滤除；再将经过滤波的信号进行倒谱处理；最后，进行周期峰检测，如图4所示。

图5为经过以上检测流程后的检测结果，选择低通滤波器，截止频率为1400Hz。信号通过滤波器，再进行倒谱分析，倒谱域中脉冲信号的干扰峰值消失，只剩下直扩信号的周期峰（图5（b）），达到了抑制周期性脉冲干扰的目的。图3（b）和图5（b）分别是周期性脉冲抑制前、后的检测结果。

图4 周期性脉冲干扰下直扩信号检测流程图

图5 改进后的检测结果

4 船舶辐射噪声影响下的检测方法

本节利用海上实测的船舶辐射噪声进行研究，船舶速度17节，采样频率取5kHz，时长3.81s。

经研究发现，船舶辐射噪声［6］经过倒谱处理后不会出现峰值，其对于直扩信号倒谱检测法的影响主要在于信噪比。传统的倒谱检测法可以实现的最低信噪比为-20dB，为了提高检测阈，根据小波分解在具有脉冲峰值信号检测中的优势［7］，采用倒谱—小波分解联合检测法，改进的检测流程为图6所示。

图6 倒谱—小波分解检测流程图

如图7所示，船舶辐射噪声的倒谱没有峰值出现，说明了虽然船舶辐射噪声本身具有周期成分，但是在船舶辐射噪声影响下的直扩信号倒谱检测结果中不会出现其它峰值的干扰。

信噪比较高时，船舶辐射噪声影响下的直扩信号经过倒谱处理会出现周期峰，可以实现信号的检测，如图8（a）所示；当信噪比降至-21dB时，周期峰被完全淹没，无法检测出信号，如图8（b）所示。但是，信噪比为-23dB的接收信号经过倒谱—小波分解联合检测法后仍然可以出现明显的周期峰，实现信号检测，说明了倒谱—小波分解联合检测法相比于传统倒谱法的检测性能提高，如图9所示。

图7 船舶辐射噪声的倒谱图

图8 船舶辐射噪声背景下的直扩信号倒谱图

图9 倒谱—小波分解联合检测结果图（SNR=-23dB）

将最大谱线幅度与倒谱平均幅度的比值作为检测量，检测门限由虚警概率确定。在虚警概率为0.01的条件下，分别进行100次独立仿真，得到不同信噪比下的检测概率曲线，如图10所示。

图10 检测性能仿真图

由图10所示，在船舶辐射噪声背景下，传统倒谱检测法可以在信噪比最低为-20dB时检测出直扩信号的存在，而倒谱—小波分解联合检测法在信噪比为-23dB时仍然可以达到0.8的检测概率，所以，倒谱-小波分解联合检测法达到了提高检测性能的目的，可以实现约-3dB的信噪比增益。

5 结语

本文的研究结果表明：

1）周期性脉冲信号经过倒谱处理会出现峰值，这导致倒谱检测法无法实现在周期性脉冲干扰条件下水声直扩信号的非合作检测；船舶辐射噪声经过倒谱处理不会出现峰值，其主要影响信号检测的信噪比。

2）频谱分析与倒谱联合检测方法可以有效抑制周期性脉冲干扰，实现周期性脉冲干扰条件下水声直扩信号的非合作检测。

3）倒谱—小波分解联合检测方法可以提高船舶辐射噪声背景下直扩信号的检测性能，信噪比增益约为-3dB。

［1］王晓燕，方世良，朱志峰.一种基于自相关估计的水声直扩信号检侧方法［J］.东南大学学报：自然科学版，2010，40（2）：248-250.

［2］Gardner，W.A.and Spooner，C.M.Signal Interception：Performance Advantages of Cyclic-Feature Detectors［J］.IEEE Trans.onCommunications，January，1992，40（1）：149-159.

［3］张刚强，董阳泽，刘平香.基于功率谱平均的水声直扩信号倒谱检测方法［J］.哈尔滨工程大学学报，2010，31（7）：863-866.

［4］张建立.直扩信号的检测［J］.无线电工程，1994，24（2）：19-22.

［5］ Wolff L M.Szczepanski E.Acoustic underwater channel and networksimulator［J］.OCEANS.21-24May 2012：1-6.

［6］张宇，刘雨东.倒谱在舰船辐射噪声特征提取中的应用［J］.舰船科学技术.2009，31（2）：84-87.

［7］成昊，吕明，唐斌等.一种基于小波分解的直扩信号检测方法［J］.电视技术，2006，6：67-70.

［8］L M.，Szczepanski E.Acoustic underwater channel and network simulator［J］.OCEANS.21-24May 2012：1-6.

［9］张艳喜，张伯甭等.基于LMS算法的自适应滤波器在水声信号处理中的应用［J］.科学技术与工程，2007，7（12）：2830-2833.

［10］Liang Chang，Fuping Wang，Zanji，Wang.Detection of DSSSSignal inNon-cooperative Communications［J］.Co mmunication Technology.27-30Nov.2006：1-4.

［11］赵春晖，张朝柱，李刚.自适应信号处理［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006，179-185.

［12］王彪，孙晓雯.一种有效抑制窄带干扰的水声直扩信号检测方法研究［J］. 科学技术与工程，2013，13（7）：1784-1786.

Non Cooperative Detection Method of Underwater Acoustic DSSS SignalUnder Disturbed Condition

LIN Nan HAN Shuping LIUWenm ing XU Jingfeng
（Navy Submarine Academy，Qingdao 266042）

In order to apply cepstrum to detect underwater acoustic signals in periodic impulsive interference and ship noise，through actual signal at sea，the cepstrum characterristics of periodic pulse signals and ship radiated noise are analyzed.Spectrum analysis and cepstrum are used to effectively suppress the pulse interference.Cepstrum and waveletdecompositionmethods are used to improve detection performance under ship noise.

underwateracoustic DSSSsignal，cepstrum，periodic impulsive interference，ship noise

TB567

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.010

2017年3月8日，

2017年4月27日

林楠，男，硕士研究生，研究方向：水声直扩信号截获。韩树平，男，教授，研究方向：水声装备技术及应用。柳文明，男，博士，研究方向：水声通信技术。徐景峰，男，讲师，研究方向：水声装备技术及应用。