空时域宽窄带混响分布特性研究∗

张春雷 黄金星 王本猛 聂 晶 卫红凯

（1.海军工程大学 武汉 430033）（2.31010部队 北京 100081）（3.92001部队 青岛 266000）

空时域宽窄带混响分布特性研究∗

张春雷1黄金星2王本猛3聂 晶1卫红凯1

（1.海军工程大学 武汉 430033）（2.31010部队 北京 100081）（3.92001部队 青岛 266000）

研究了不同阵型配置下空时自适应处理中窄带混响和宽带混响在空时平面上的分布特征。结果表明：窄带体制下，带宽小，混响和目标有可分辨特征，宽带体制下，带宽影响不可忽视，混响和目标在空时平面部分重叠，难以分辨。通过实测和仿真宽带混响数据验证了分析结果的正确性。

混响；空时分布；宽带信号

ClassNum ber TB554

1 引言

为了对抗安静型隐身潜艇，现代主动声纳技术普遍向低频、宽带、大功率方向发展［1］，这在提高声纳探测距离的同时，也使得主动声纳的特有干扰—混响背景增强。混响与目标的形成机理相似，其与目标的时、频域特征往往耦合在一起，难以分辨，难以分离，使得传统的时、频域混响抑制方法效果不佳。

空时自适应处理（space-timeadaptive processing，STAP）［2～12］是近年来出现的一种新的窄带混响抑制方法，该方法利用，运动情况下混响和目标在空时平面的分布特征差异（窄带体制下，根据平台运动方向与基阵轴向夹角不同，混响在空时平面表现为直线、圆或椭圆，目标表现为一个点）来抑制混响。宽带体制下，宽带混响和窄带混响的空时分布特性有无差异？宽带混响和目标在空时平面是否有可分辨特征？本文对此进行了研究。研究结果表明：不同于窄带体制，宽带体制下，带宽的影响不可忽视，使得宽带混响和目标在空时分布平面部分重叠，难以分辨，传统的空时自适应处理方法效果不佳。

2 混响和目标空时可分辨特征研究

窄带可以看成是宽带的特例，对窄带混响空时特性的研究有助于理解宽带混响的空时分布特性，首先研究窄带混响和目标空时分布特征。

2.1 窄带混响和目标空时可分辨特征

图1为阵列及散射元空间位置图，以阵列（图中粗线所示）相位中心为原点，阵列轴向为X轴，其所在水平面为XOY平面，建立直角坐标系。阵列以速度V运动，阵列轴线与基阵运动方向的夹角为δ（由声纳在载体平台上的安放位置确定）。散射元P到基阵相位中心距离为R（称为斜距），距离水平面高度为H，对应的方位角和俯仰角分别为φ和θ，与阵列轴向的夹角（空间锥角）为α，与运动方向的夹角为β，则该散射元回波的多普勒频率为

其中，fdmax=2vf0/c为最大多普勒频率，f0为发射信号频率，c为水中声速。利用图中各角度间的几何关系，经整理后有：

式（2）给出了混响多普勒频率与α、δ、φ之间的关系。

图1 阵列及散射元空间位置图

根据不同使用场合和目的，典型的声纳基阵配置角度δ主要包括：正侧视声纳（δ=0°），舷侧阵、拖曳线阵等是这类中的典型代表；前视阵（δ=90°），这类典型的声纳基阵有球鼻艏、鱼雷制导声纳等，下面分别进行分析。

正侧视阵时，式（2）可化简为如下形式：

参量设定为：发射信号频率 f0=750 Hz，平台运动速度为10节，目标径向速度为20节，空间方位40°，则正侧视阵声纳配置下混响和目标空时分布如图2所示。

前视阵时，式（2）可化简为如下形式：

参量设定与正侧视阵一致，则前视阵声纳配置下混响和目标空时分布如图3所示。

由图2、3可见，混响的空时分布与声纳阵型配置有关，正侧视阵配置下，混响空时曲线为直线，目标为空时平面上一点，前视阵配置下，混响空时曲线为椭圆，目标为空时平面上一点，混响和目标在空时平面有可分辨特征，利用STAP可抑制混响。

图2 正侧视声纳配置下窄带混响和目标空时分布

图3 前视声纳配置下窄带混响和目标空时分布

2.2 宽带混响和目标可分辨特征

图4所示为中心频率 f0，频带范围 f1～f2的宽带信号频谱。为了便于研究宽带体制下混响的空时分布，在信号带宽内取 M 个谱线f1m(m=1，2，…，M)。则宽带混响的谱如下式所示：

其中，fdm为 f1m的多普勒频率。

分析式（5）可知，对于窄带混响，M=1（取f0=f11），以中心频率 f0为基准对混响频谱进行搬移，混响谱表现为混响的多普勒频移。对于宽带混响，M＞1，此时对混响进行频谱搬移，无法找到某一参考频率，能够同时将各子带中心频率搬移到零频。即各能同时为零。因此，宽带混响谱不仅包含多普勒频移也包括信号带宽内的频点。

图4 宽带信号频谱示意图

讨论正侧视阵声纳配置下，宽带混响和目标在空时二维平面分布，此时 fdm为

设发射信号带宽为200Hz，其余参数与图2相同，以信号初始频率 f1=650 Hz为第一个采样频点，间隔5 Hz对信号频谱取样，此时宽带混响和目标空时分布如图5所示。

图5 正侧视声纳配置下宽带混响和目标空时分布

同理可得到，前视阵声纳配置下 fdm如式（7）所示，此时宽带混响和目标空时分布如图6所示。

图6 前侧视声纳配置下宽带混响和目标空时分布

由图5、6可见，不同阵型配置下，混响的空时分布不同。正侧视阵情况下，宽带混响中不同谱线具有不同的斜率，斜率大小为带宽内各频点对应的最大多普勒倒数，且随频点增大而减小。各不同斜率斜线的叠加使宽带混响在空时平面分布由窄带情况下的斜线变为梯形斜带，使宽带混响和目标在空时平面部分重叠。前侧视阵情况下，宽带混响中不同谱线对应不同的半椭圆，在空时平面表现为一系列长半轴逐渐增大，短半轴长度固定，椭圆中心逐渐增大的不规则正瓦片状，使宽带混响和目标在空时平面部分重叠。重叠程度与信号中心频率、带宽、平台运动速度、目标方位、目标径向速度等因素有关，实际中，应该根据具体情况分析。本节参数设置下，约94%的信号频段与混响谱重叠。

因此，宽带体制下，混响和目标在空时平面无可分辨特征，传统STAP效果不佳。

3 仿真实验验证

下面以正侧视阵配置下仿真和实测宽带混响和目标的空时分布来验证本文前述的理论分析。

仿真混响相关参数设置为：声纳基阵采用80元均匀线列阵，阵元间距1m，海深70m，声纳阵入水深度10m，泥沙底质，三级海况。发射信号中心频率 f0=750Hz，带宽 B=200Hz，脉宽T=432ms。平台运动速度10节，目标径向运动速度25节，目标方位60°。

图4所示为仿真宽带混响和目标的空时分布。

图7 正侧视阵时仿真宽带混响和目标空时分布

从图7可以看出，宽带情况下，混响在空时平面为带状分布，且展开范围大。目标在其方位角上（cosα=0.5）的分布由窄带时的点状分布变成直线状分布。受带宽的影响，空时平面上混响和目标部分重合，目标谱的90%以上淹没在混响谱中。

实测海试数据来源于三亚某海区。图8所示为实测宽带混响和目标的空时平面分布图。从图中可以看出，实测宽带混响在空时平面分布范围大，与目标重合程度高，与仿真宽带混响一致。

图8 正侧视阵时实测宽带混响和目标空时分布

4 结语

本文通过推导分析了和比较了宽/窄带混响和目标在空时平面可分辨特征，结果表明：不同于窄带体制下，空时平面上混响和目标有可分辨特征，宽带体制下，受带宽影响，宽带混响和目标在空时平面部分重叠。重叠程度与信号中心频率、带宽、平台运动速度、目标方位、目标径向速度等因素有关，使传统的STAP处理效果不佳。最后，通过实测和仿真宽带混响数据验证了分析的正确性。

［1］李启虎.进入21世纪的声纳技术［J］.应用声学，2002，21（1）：13-18.

［2］王永良，彭应宁.空时自适应信号处理［M］.北京：清华大学出版社，2000.40-120.

［3］赵申东.主动声纳空时自适应处理方法研究［D］.武汉：海军工程大学，2008.

［4］詹昊可.主动声纳混响空时抑制方法研究［D］.武汉：海军工程大学，2008.

［5］Klemm R．Adaptive airborne MTI：An auxiliary channel approach［J］.IEE Proc.，Part F：Communications，Radar and Signal Processing，1987，134（3）：269-276.

［6］Klemm R． Real-time adaptive airborne MTI，Part I：space-time processing［C］//Proc.of 1996 CIE Int.Conf，on Radar，Piscataway，NJ，USA：IEEE Press，1996：755-760.

［7］Klemm R． Real-time adaptive airborne MTI，part II：space-frequency processing［C］//Proc.of 1996 CIE Int.Conf.on Radar，Piscataway，NJ，USA：IEEE Press，1996：430-433.

［8］Wang H，Cai L J．On adaptive spatial-temporal processing for airborne surveillance radar systems ［J］.IEEE Trans.Aerospace Electronic System，1994，30（3）：660-669.

［9］Klemm R．Principle of space-time adaptive processing［M］.London： Institution of Electrical Engineers，2002.30-80.

［10］Anderson D B．Amicrowave technique to reduce platform motion and scanning noise in airbornemoving target radar［J］.IRE WESCON Conv Record，1958，2（1）：202-211.

［11］Trandoulas G N．Unidimensionally scanned phased arrays［J］.IEEE Trans.Antennas and Propagation，1973，28（1）：1383-1390.

［12］Brennan L，Reed I S． Theory of adaptive radar［J］.IEEE Trans.Aerospace Electronic System，1973，9（2）：237-252.

Study of Distribution Characteristicsof Narrowband and Wideband Reverberation in Space-time Domain

ZHANG Chunlei1HUANG Jinxing2WANG Benmeng3NIE Jing1WEIHongkai1
（1.Navy Engineering University，Wuhan 430033）
（2.No.31010 Troopsof PLA，Beijing 100081）
（3.No.92001 Troopsof PLA，Qingdao 266000）

The paper studies the space-time distribution characteristics ofnarrowband and wideband reverberation with different configuration of sonar array in space-time adaptive processing.The results show that the narrowband reverberation and target echo have distinguished characteristics in space-time plane，but thewideband reverberation and targetecho overlap in space-time plane due to the influence ofbandwidth.The validity ofanalytic result is verified by the simulated and trial reverberation data.

reverberation，space-time distribution，wideband signal

TB554

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.028

2017年3月7日，

2017年4月26日

张春雷，男，硕士研究生，助理研究员，研究方向：信息战等。黄金星，男，工程师，研究方向：数据分析。王本猛，男，工程师，研究方向：实验数据处理。聂晶，女，工程师，研究方向：计算机信息与数据分析。卫红凯，男，讲师，研究方向：水声信号处理。