被动定向浮标信号处理技术

乔斌 王森

（第七一五研究所，杭州，310023）

声呐浮标作为一种主要的航空反潜装备，在固定翼反潜巡逻机和反潜直升机上广泛使用，因其使用机动灵活，平台噪声影响低，可实施反潜、编队水下防御、水声情报搜集等任务，在水下作战体系中具有重要地位。声呐浮标种类主要有被动探测声呐浮标、主动探测声呐浮标、主动增程探测声呐浮标和环境测量浮标等。被动浮标因其使用的灵活性和隐蔽性，在搜潜任务中被广泛使用。本文将根据被动浮标的特点，详细介绍被动浮标信号处理方法，并着重说明其特有的技术。

1 被动浮标信号

被动浮标包括被动全向浮标、被动定向浮标和垂直线列阵浮标。被动全向浮标声信号接收传感器仅为1路全向水听器，因此上传的信号只有1路全向信号。被动定向浮标采用频分复用与矢量水听器技术，所发送的信号中包含了导频信号、罗盘信号、全向信号和两个空间位置正交的偶极子信号。这些信号合成1路复合信号上传。信号处理前需将复合信号分离为通道信号，分离的过程被称为解复用，将在第2章节介绍。被动定向浮标信号形式如图1所示。

图1 被动定向浮标复合信号示意图

垂直线列阵浮标采用大孔径的垂直线列被动接收阵与矢量水听器，使用数字传输技术，将垂直波束与矢量水听器三个通道的信号同时上传。通过选择合适的接收波束角度，可有效降低大型船只航行带来的低频噪声影响，提高对水下潜艇辐射噪声的接收增益，增加检测信噪比，提升深远海条件下的声呐浮标被动探测性能。

根据浮标类型，经过降采样或解复用处理后，被动全向浮标与被动定向浮标、垂直线列阵浮标的全向通道进入LOFAR（Low Frequency Analysis and Record）和DEMON（Demodulated Noise）处理流程，被动定向浮标和垂直线列阵浮标的全向、定向通道进入 DIFAR（Directional Low Frequency Analysis and Record）处理流程。被动浮标信号处理框图如图2所示。

图2 被动定向浮标信号处理框图

2 解复用

解复用是将被动定向浮标的复合信号分离的过程。通过低通滤波、降采样得到全向信号；通过数字锁相环解调得到东西、南北通道信号。假设浮标罗盘方位为φ，目标方向沿顺时针与矢量水听器Y轴的夹角标记为θ，则φ+θ就是目标相对于地磁北极的方位。X、Y轴偶极子接收的信号分别为东西通道和南北通道信号。

设东西通道信号为Y=Ac osθ，南北通道信号为X=As inθ,被动定向浮标复合信号可表示为

接收到被动定向浮标复合信号后，使用带通滤波器分离出调制的偶极子信号和导相信号，经正交解调和低通滤波，取出东西和南北通道；使用另一个带通滤波器取出导频信号作为导频锁相环的输入。导频锁相环跟踪导频信号的频率倍频后输出与导相信号同频的解调信号，对东西通道进行解调，解调信号和导相信号的相位误差信号输入到数字导频锁相环，锁相环进行调整，最后捕获导相信号的相位。锁定判断模块可判断出导频导相信号是否锁定，输出锁定指示信息。解复用器算法框图如图3所示。

图3 解复用器算法框图

在复合信号中，重点要解调的信号是两路偶极子信号。提取全向信号比较容易，因为它没有被调制，用一个低通滤波器就可以直接取出。两路偶极子信号被正交调制在导相信号的载波上，在频谱上对称分布在导相信号左右。导相信号相位与罗盘角度成比例的，需要捕获导相信号来解调两路偶极子，获得的信号是东西通道信号和南北通道信号。在这个解调过程中，罗盘信息已经融合到偶极子信号中，可以获得目标在地磁坐标中的绝对方位。

假设导频锁相环锁定导相信号sin(ωt-φ)，送出正交的两个信号：余弦通道解调信号cos(ωt-φ)和正弦通道解调信号- s in(ωt-φ)，南北通道解调过程如下

分离东西、南北通道及全向通道，可采用互谱估计求出φ+θ，即目标在地磁坐标中的绝对方位。

3 分频段谱分析

潜艇目标辐射线谱多集中在低频段，尤其是300 Hz以下频段，由于多数被动声呐受平台噪声的影响，无法有效检测到目标低频线谱，而被动浮标不受平台噪声的影响，可在较低频率工作。同时，提高信号谱分析的分辨率可有效提高线谱的检测能力，但分辨率提高也带来了显示带宽过窄而不能满足要求的问题。为了兼顾低频段检测能力与显示带宽，被动浮标信号处理的谱分析采用了分频段分析方法。

假设谱分析频段起始频率为fb，终止频率为fe，将分析带宽BW分为n个分析频段，其中BW=fe-fb，每个分析频段的起始频率为上一频段起始频率的 2倍，同时设置每个分析频段频率分辨率为上一频段分辨率的2倍，因此被动分析带宽内的所有频段带宽与起始频率都呈2倍频程分布，见表1。

表1 频段分布

每个分析频段都有固定的频率点数num，即

被动浮标分频段的谱分析方法解决了分析带宽与分辨率的矛盾，且在低频段有较好的频率分辨率，为被动浮标在低频段的探测能力奠定了基础。分频段谱分析的核心是基于频域选抽的Zoom方法，根据所需的频率分辨率和频率范围，通过一次或两次 Zoom，获得指定频段的频谱。分频段谱分析处理流程如图4所示，具体如下：

（1）FFT预处理，对输入的被动浮标信号作固定长度的FFT；

（2）根据每个分析频段范围选择相应的谱线，并进行圆周移位，使得各分析频段的中心频率移至零频；

（3）根据频率分辨率作一级 Zoom，并累积数据；

（4）对缓存数据作CFFT并求模；

（5）对于需要进一步细化分析的频段，在一级Zoom后进行二级Zoom，得到更高分辨率。

图4 分频段谱分析处理流程

4 心形波束形成

心形波束处理包括旋转波束形成、正交波束形成和合成全向处理。操作员可设定一种波束处理作为当前工作方式。旋转心形波束方式可形成指向某一方位的波束，获得理论上3 dB的空间增益，以提高检测目标的信噪比。波束方向由操作员设置。在旋转心形波束方式下，操作员也可设置波束方位，指向疑似目标或干扰的相反方位（-180°），使心形波束的零点对准目标或干扰。可利用波束零点附近的幅度变化梯度对疑似目标进行确认，或者利用波束零点附近的幅度增益对干扰进行抑制。

正交心形波束方式在东南西北方向上形成四个固定波束用来检测目标。对全向、东西和南北信号加权，可形成心形波束。改变加权系数可使心形波束指向任意方位。旋转心形波束形成单波束，可360°旋转，用于对目标定向和跟踪，波束所指向方位由操作员设定。旋转心形波束处理流程如图5所示。

图5 心形波束形成流程

旋转波束形成由下式确定：

式中，B(k)为心形波束输出频谱，Xo(k)为全向通道频谱，Xn(k)为南北向通道频谱，Xe(k)为东西向通道频谱。

正交心形波束可在东南西北方向上形成四个固定波束对目标进行检测和定向。正交波束形成可看作θ分别为 0°、90°、180°和 270°方向上的旋转波束。正交方向的波束计算公式如表2所示。

表2 正交方向形成心形波束公式

5 互谱方位估计

采用互谱法进行目标方位估计能较好的抑制各向同性噪声干扰，并能得到目标频率-方位信息。经过谱分析后的东西、南北通道频谱分别与全向通道频谱共轭相乘，得到互功率谱，经积分后求反正切便可得到对应频率的目标方位估计。互谱方位估计处理框图如图6所示。

图6 互谱方位估计流程

假设全向通道、南北通道和东西通道数据的长时积分谱分别为Xo(k)、Xe(k)和Xn(k)，全向通道与南北通道互功率谱为

全向通道与东西通道互功率谱为

、Ioe实部后得到，从而可得目标方位与频率关系为

根据Ion和Ioe实部的符号，可确定目标方位的象限，如图7所示。目标最终的方位估计值可表示如下（其中REAL表示取实部）：

图7 方位象限判决

6 总结

针对被动浮标特点，本文介绍了被动浮标信号处理的一些方法：使用解复用技术，可较好的分离被动定向浮标复合信号；采用分频段谱分析方法，解决了低频段检测能力与显示带宽的矛盾；通过心形波束形成和互谱法方位估计，能够有效提高被动浮标检测能力和对目标方位估计的准确性。目前文章所述被动浮标信号处理技术已在实际应用中取得了良好效果。