灵巧噪声干扰在水声对抗中的应用研究

徐复 郑丽莉

（上海船舶电子设备研究所，上海，201108）

在线性系统条件下，匹配滤波技术是主动声呐的最优检测器[1]，是现代声呐常用的技术手段。为了进一步提高水声对抗性能，现代声呐还广泛使用脉冲压缩技术提高对抗性能，将分布在时域和频域的信号能量压缩到一起，对于白噪声干扰而言，该方法在输出端具有最大处理增益。

通常对声呐的有源干扰方法大致可分为压制式干扰和欺骗式干扰，1999年国际著名电子战专家斯莱赫提出了灵巧噪声干扰的概念，2011年国内有学者对灵巧噪声的概念做了进一步的解读和分析[2-3]，指出“灵巧噪声干扰的本质含义是使干扰由多个分量组成，并且使干扰中的每一个分量的频谱都与雷达发射信号的频谱相同，从而使干扰中的每一个分量的功率利用效率都达到最大”。基于此概念，在水声对抗中可以通过优化干扰噪声形式的设计，提升干扰效率。

1 问题机理

1.1 脉冲压缩技术的基本原理

脉冲压缩技术是现代声呐中最常用的技术之一，用于潜在目标的检测，其本质是脉内相干技术在信号波形中的应用，不是单纯的频域滤波,而是通过滤除回波中的非相干部分获得抗干扰能力。

线形调频脉冲压缩目前仍是实现脉冲压缩的最主要方法之一，其数学表达式为

经匹配滤波器后，输出为

输出峰值为T，同单频信号一样反映了输入信号的能量，当t- T 2 = 1 B 时， s ( t）的包络到达第一个零点，而当t- T 2 = 1 2B 时，峰值高度降低为2Tπ。若定义此时包络宽度为脉冲宽度，则脉宽为1 B，而原脉宽为 T，故脉冲宽度被压缩了BT 倍[4]。

1.2 干扰对抗的基本原理

压制式干扰常用于噪声干扰器，这是一种以频率覆盖水声设备的接收通频带、以功率掩盖目标回波的压制性干扰器材。欺骗式干扰常用于声诱饵，一种通过产生和鱼雷攻击目标（如潜艇等）特征相似的声信号诱使鱼雷向自己攻击而错失真正目标，达到以较小的代价避免更大损失的效果[5]。

压制式干扰是通过发射噪声降低声呐接收端的输入信噪比来影响其探测性能的，传统的压制式干扰使用的是连续随机噪声，与声呐信号是不相关的。优点是连续性好，能量分布随机性强；缺点是经过脉冲压缩技术处理后，干扰效能会明显降低。欺骗式干扰使用的是经过处理的拷贝信号，与声呐使用的脉冲是相干的，基于诱骗式干扰的思路，其在声呐的一个探测周期内形成的目标是有限的。

灵巧噪声干扰技术可同时产生遮盖干扰和欺骗干扰的效果，它的信号形式可根据干扰对象灵活变化，并与声呐发射信号相匹配，使干扰可以获得较大的相参积累增益，提高可利用的干扰能量。通常认为，假目标的数量达到一定的数量级时，可同时具备干扰和欺骗双重效果[6-8]。

2 灵巧噪声干扰性能分析

2.1 灵巧噪声设计方法

传统的欺骗干扰产生的假目标数量少，难以形成压制效果，灵巧噪声干扰可令匹配滤波器的输出产生多个干扰峰，影响声呐对目标的检测和识别，文献[2]中给出了简化后输出的数学模型：

式中，δ()表示冲击函数，n表示脉冲编号，m表示在一个脉冲周期内干扰峰编号。

灵巧噪声的常见设计方法有脉冲前沿复制法、脉冲延迟叠加法以及脉冲移频法[9-10]。前沿复制法是将检测到的脉冲前沿复制后连续转发，在声呐接收机的处理输出中形成多个伪峰，因转发的本身是探测脉冲的片段，因此也会获得声呐的信号处理增益。该方法的好处是干扰反应快速，实现简单，但若声呐具备对回波信号的频率特征进行识别的算法，则可对干扰进行有效的排除。

脉冲延迟叠加法是对接收到的探测脉冲信号按照重叠方式相加，再经调制后形成干扰噪声，其具体算法为

脉冲延迟叠加法产生的干扰噪声不会因声呐对回波信号的频率特征进行识别而被排除。但因为调频脉冲是有规信号，存在两个信号互相叠加后产生相位抵消的现象，使最终产生的伪峰与设计的幅度不一致。且发射机在输出时可接受的最大幅值是受限的，对随机延时的叠加在实现时存在一个随机伪峰强度的设计问题。该问题可通过对延时的精确设计得到改善，但同时会影响伪峰间的延迟随机性。

脉冲移频法是对接收到的探测脉冲信号进行移频处理，形成时域上的多个伪峰。移频后，回波相当于叠加了一个多普勒频偏Δf，与拷贝信号仍然是相关的，但对声呐处理会相应地产生一个延时：

如果 c os(ω t）作为调制信号，则产生的频移会形成正负两部分，经声呐匹配滤波处理后会形成两个伪峰。本方法产生伪峰的灵活性相较其他方法更高，但对移出声呐处理频段外的信号部分功率无法成为有效干扰。

2.2 对比白噪声干扰性能分析

灵巧噪声与白噪声不同，可获得与拷贝信号相同的增益，对于白噪声干扰，匹配滤波器可获得的处理增益为10×lg(BT)，使用灵巧噪声干扰对匹配滤波器的影响分析如下。

对于前沿复制法产生的灵巧噪声，复制的只有信号的部分片段。对于线性调频信号，设复制的片段为原始信号的 1/N，灵巧噪声可获得的相关增益为 10×lg(BT/N2)，即信号分割后，会同时损失时域和频域的增益。

对于脉冲延迟叠加法产生的干扰噪声，在信号脉宽T内若存在多个伪峰，则伪峰的增益理论上不大于10×lg(BT/N)，实际上则是干扰信号之间的相干性互相抵消，造成更多的损失。

对于脉冲移频法产生的灵巧噪声，若移频产生的干扰分量为N，则每个分量产生的总能量为1/N，考虑到移出信号带宽的部分，相关处理后还会有部分能量损失，但声呐通常会针对多普勒现象进行处理，因此本方法在固定的片段内可产生多个伪峰且效率相对较高。

2.3 连续灵巧噪声干扰在水声对抗中的应用

基于以上三种常用方法的分析，结合干扰伪峰设计的灵活性、持续性以及干扰效能损失等方面问题，我们设计一种对探测声呐进行干扰的噪声，步骤如下：

● 在时域将干扰信号分割为多个片段，每个片段的长度等于信号的脉宽。

● 为每个干扰噪声片段中填充拷贝信号的样本，获得中间过程的噪声样本，见式（6）。式中T为信号样本脉宽，k为正整数。

● 对每段样本做移频处理，每次与实信号相乘可获得两个频率分量，对每个片段的信号样本做移频的次数和频率值均随机产生，见式（7）。式中，N为移频次数，iω为移频的角频率。

● 对产生的干扰噪声样本进行滤波，然后做归一化处理，控制输出信号的功率均在工作频带内。

3 数据处理结果

3.1 与白噪声对比

设计声呐脉冲信号为线性调频信号，中心频率为1 kHz，脉宽为0.8 s，带宽为800 Hz；设计灵巧噪声在每个片段内通过移频处理获得8个伪峰，共2个片段；对比在相同信噪比条件下的匹配处理输出如图1、2所示。

图1 灵巧噪声经匹配滤波处理后的输出

图2 白噪声经匹配滤波处理后的输出

图中结果已经对总功率做归一化处理，经对比可明显看出灵巧噪声进入匹配滤波器的伪峰比白噪声高10 dB左右，若减少伪峰数量，匹配滤波后的伪峰功率还会进一步增加。调整声呐信号的带宽为400 Hz，重新产生灵巧噪声并做匹配滤波处理，结果如图3所示。

图3 灵巧噪声匹配滤波后输出（带宽400 Hz，脉宽0.8 s）

图3与图1图相比，两次匹配滤波的输出结果是一样的；图4与图1相比，伪峰的量级没有改变，但在时域上的密度增加了一倍。结果说明相比拷贝信号获得的增益，灵巧噪声对任意带宽的信号可获得的增益是相同的，但不同脉宽的信号可以影响灵巧噪声产生伪峰的密度。

图4 灵巧噪声匹配滤波后输出（带宽800 Hz，脉宽0.4 s）

3.2 与前沿复制法产生的噪声对比

前沿复制法产生的噪声同样在接收机端获得信号处理增益，如2.2节中所述，但其致命弱点是包含的信息不完整，其频率分布集中在某个小区域，若在接收机端对接收信号的频谱进行分析，真实回波是容易从伪峰中分辨出来的，如图5所示。

图5 频谱对比

3.3 与延迟叠加法产生的噪声对比

延迟叠加法的主要问题是产生的延时和伪峰强度的随机性设计。其他两个方法，在确定了最大输出幅值后可简单实现，延时叠加法在对信号处理后，信号幅度必然会产生变化，因此多了一个计算环节，对算法的要求高于其他两个方法。

3.4 与脉冲移频法产生的噪声对比

本文方法是基于脉冲移频法的改进，在最后一步经过滤波后归一化，提升了带内的有效功率。采用相同的参数对拷贝信号进行移频，图6采用的是脉冲移频法，图7采用的是改进的方法，可以看出，改进后的伪峰能量更强，具体提升效果与设计的移频频率有关。

图6 脉冲移频法产生的伪峰

图7 改进的方法产生的伪峰

4 结论

本文以水声对抗为背景，针对声呐探测目标时使用的线性调频信号，提出了一种基于灵巧噪声理论进行干扰的方法。灵巧噪声在声呐信号处理过程中可得到与声呐探测脉冲相同的增益，通过匹配滤波器的能量明显优于白噪声的干扰效果。经仿真验证，针对使用匹配滤波技术的声呐处理方法，可有效提升干扰效能。