蛙人探测声呐两种常用信号的分析与应用

郭小俊

(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化事业部，上海 200135)

0 引 言

随着世界安全局势日益复杂，水域冲突正朝着多元化的方向发展，逐渐由水上渗透至水下。蛙人、蛙人运载器和水下机器人等小型化水下武器装备的崛起对相关设备和人员的安全造成了巨大威胁。目前，各国为对此类小目标进行检测,发展出多种蛙人探测声呐(Diver Detection Sonar，DDS),用于对港口等水域进行安全防御。DDS用于水下安保重要的战术指标包括作用距离、目标分辨能力和定位精度等，设计难点在于目标对象的低速度、低回波强度(TS=-25～-15 dB)和混响噪声的干扰。

DDS发射信号类型和参数的选择对战术指标的实现至关重要，直接决定着目标的距离分辨力、速度分辨力、抗干扰能力和抗混响能力，同时与回波的处理息息相关。当前，DDS使用最多的2种信号是矩形脉冲(Continuous Wareform,CW)信号和线性调频脉冲(Linear Frequency Modulated,LFM)信号。本文利用模糊函数对这2种信号的分辨力和抗干扰能力进行分析，并简要阐释其在系统中的应用和实现，在此基础上展望DDS的信号形式的发展趋势。

1 国内外DDS的信号形式

表1为国外主流蛙人探测声呐的主要技术参数，在文献[1]的基础上进行了实时调查和更新。从表1中可看出，DDS的声波频段为60～100 kHz，带宽为3～20 kHz，多采用窄带CW和宽带LFM双信号体制。

表1 国外主流蛙人探测声呐的主要技术参数

2 2种信号的分辨力和抗混响能力

2.1 模糊函数

声呐分辨力是指在多目标环境下对相邻2个目标的最小可分辨能力，一般按照目标的方位、距离、速度和加速度等参数来分辨，其中距离分辨力和速度分辨力仅取决于信号的形式及其参数。在采用匹配滤波的条件下，模糊函数是与目标距离和速度有关的信号回波通过匹配滤波器之后的输出[2]，可用来衡量信号对具有不同距离和不同速度的2个目标的分辨能力。当目标相对静止时，回波信号仅体现出时间延迟和衰减;当目标相对运动时，回波信号还会产生多普勒频移和时间上的压缩或展宽。

1) 窄带信号仅考虑频移，其模糊函数表示为

(1)

式(1):s(t)为信号包络；τ和ξ分别为目标的时间延迟和多普勒频移；|χ(τ,0)|和|χ(0,ξ)|分别为距离模糊函数和速度模糊函数，各自的主瓣宽度分别对应距离分辨力和速度分辨力；|χ(τ,ξ)|随着τ和ξ的增加而下降的越迅速，2个目标就越容易分辨，模糊度就越小。

2) 宽带信号的模糊函数[3]定义为

(2)

式(2)中:η=(c+v)/(c-v)为尺度因子,c为水中声速，v为目标相对径向运动速度。这里宽带和窄带仅是相对的概念，并没有一个严格的定义。一般认为窄带满足:相对带宽B/f0≤0.1,B为信号频带宽度，f0为信号的中心频率;时宽带宽积TB≤c/2v,T为信号脉宽。

2.2 CW信号及其模糊函数

CW信号可视为加矩形窗的单频载波信号，当窗宽为T时，其复包络可表示为

(3)

将式(3)代入式(1)，得到CW信号的模糊函数表达式为

(4)

从式(4)中可看出,距离模糊函数表现为三角形，速度模糊函数表现为sinc函数形状。

2.3 LFM信号及其模糊函数

矩形脉冲LFM信号的复包络信号可表示为

(5)

将式(5)代入式(1)即可得到LFM信号的窄带模糊函数表达式为

(6)

式(6)中:μ=B/T为频率变化率。当TB≫1时，信号能量主要集中在[-B/2，+B/2]，TB越大，其振幅谱越接近于矩形，可近似表示为

(7)

对于窄带LFM信号，时延分辨常数Aτ=1/B，多普勒分辨常数Aξ=1/T。在宽带模型下，LFM信号的Aτ=1/ηB，当v≪c时，η=1，Aτ=1/B，与窄带情况一致[4]。文献[4]和文献[5]都对宽带LFM信号的速度分辨力进行了分析，其速度分辨力不仅与脉宽T有关，而且与带宽和载频有关，在相对带宽<0.25时，LFM信号基于窄带模型和宽带模型的速度分辨力之间的误差可忽略[6]。

2.4 2种信号的分辨力

基于2种信号的模糊函数表达式，通过MATLAB仿真出2种信号的模糊函数图(见图1和图2)，仿真条件为：载频f0=80 kHz;CW信号脉宽为0.2 ms;LFM信号脉宽为10 ms;带宽为4 kHz。

a) 模糊函数图

b) 距离模糊函数

c) 速度模糊函数

a) 模糊函数图

b) 距离模糊函数

c) 速度模糊函数

从图1中可看出，CW 信号模糊函数图与时间轴重和，距离分辨力与脉宽成反比，速度分辨力与脉宽成正比，良好的速度分辨力和距离分辨力不可兼得。从图2中可看出,LFM信号模糊函数图不与坐标轴重叠，单独改变脉宽和带宽均可获得良好的距离分辨力和速度分辨力，但当距离和速度均不可知时，存在时延-频移之间的耦合，测量误差较大。2种信号在当前参数下的理论分辨特性见表2。

表2 2种信号的理论分辨特性

2.5 2种信号的抗混响能力

混响是海水介质中和界面上大量不均匀散射体的声散射在接收点的叠加。与其他类型的噪声不同，混响是由发射信号引起的，其频谱与发射信号几乎相同，单独增加发射信号能量，混响也随之增大，目标检测能力并未提高。在混响背景下，匹配滤波器的检测指数[7-8]为

(7)

式(7)中:Et为发射信号的能量;Er为接收信号的能量;ϖhh(τ,ξ)为混响信道散射函数;χ(τ,ξ)为信号模糊函数。从式(7)中可看出，信号模糊函数与混响散射函数重叠面积的减小使目标检测性能得以提高。

散射体通常是相对静止的，混响干扰在模糊度图中表现为一个围绕ξ=0的干扰带。图3给出2种信号的模糊度函数与混响散射函数的重叠情况[9]。从图3中可看出:长脉冲CW信号具有很强的多普勒敏感，在目标回波多普勒较高的情况下可从频域上避开混响，但在低多普勒情况下信号几乎被混响限制区淹没，适合高速目标检测;LFM信号因为能量均匀分布在整个带宽上，可有效降低混响谱级，具有较强的混响抑制能力，多普勒容限大，适合低速目标;短脉冲CW信号的多普勒容限大，受混响干扰的影响小，适合对低速近距离目标进行检测。

a) 目标静止

图3混响与信号模糊度图分布情况

3 2种信号在实际系统中的应用

根据上述分析:LFM信号的大脉宽能提高速度分辨力和平均发射功率，增加声呐的作用距离;其大的带宽能提高时间分辨力和接收处理增益，利于提升目标检测的可靠性。然而，脉宽影响探测盲区，且与系统数据处理运算量成正比，尤其是在短量程下，较短的发射周期和平均发射功率会增加系统发射机和电源单元的负担，因此系统也采用短脉冲CW信号。CW信号有较高的测距精度，在同一量程下的脉冲重复频率高于LFM信号，能更好地实现目标的跟踪探测。

图4 信号实现流程

CW信号频点单一，发射和接收处理相对简单。LFM信号工作时，作为发射机负载的水声换能器阻抗在工作频带内起伏很大，阻抗失配问题严重。图4为信号实现流程,其中匹配电路的用途是使发射机负载的阻抗起伏变小，实现换能器与功率放大器宽频带内的阻抗匹配，达到功率放大器最大功率传输增益，实现宽带LFM信号的发射。目前，采用宽带信号体制的蛙人探测声呐已研制成功并投入使用，各项技术性能指标均能达到设计要求。

4 结 语

本文利用模糊函数对CW 信号和LFM信号的分辨力及抗干扰能力进行分析，并对其在DDS中的应用进行说明。大时宽带宽积的宽带信号能同时提高距离分辨力和速度分辨力，可有效提高发射能量和混响抑制能力。随着换能器新材料的采用和处理工艺的改进，宽带换能器得到很大发展。DDS的宽带信号也会朝着更大带宽、更大脉宽的方向发展，信号体制会更加多样化，采用更接近理想模糊函数图的信号体制(如双曲线调频等)。