一种提升航空声信标脉冲信号检测能力的方法

刘天华 王浩 刘黎力

（1.海军驻宜昌地区军事代表室，宜昌，443000；2.中船重工海声科技有限公司，宜昌，443000）

飞行记录器都配备有水下定位声信标系统，可连续发出一定频率的周期脉冲信号，便于打捞人员在海洋中进行搜寻[1]。由于海洋环境复杂多变，多途效应明显，航空声信标脉冲信号频率高、衰减大，考虑到声信标的电池寿命因素和对失事飞机进行搜索的紧迫性，研究航空声信标脉冲信号的识别、并不断提高对其检测效率和扩大对其检测范围是一项必不可少的工作[2]。本文分析了针对航空声信标脉冲信号的阵列处理技术和脉冲累积技术，将其应用于航空声信标脉冲信号的有效检测，研究了上述方法对于航空声信标脉冲信号的处理增益。试验结果表明，该方法可以提高航空声信标脉冲信号的检测增益，并且能稳定进行检测。

1 航空声信标脉冲信号的时频分析

短时傅里叶变换是分析非平稳信号的有力工具，能够刻画瞬时频率随时间的变化规律[3]。针对航空声信标脉冲信号的短脉宽特点，短时傅里叶变换方法具有算法简单、实时性强的优点，可以有效对航空声信标脉冲信号进行时频分析。短时傅里叶变换的思想就是把局部平稳化，即把长的非平稳随机过程看成是一系列短时随机平稳信号的叠加。短时性可通过在时间上加窗口函数实现，即截取一部分源数据，使用时间窗口函数g( t-u)与一个平方可积的源信号f( t)相乘，实现在u附近的加窗口和平移，然后进行傅里叶变换：

为了后续提取特征，还需要考虑时频谱的频率分辨力和时间分辨力。对于短时傅里叶变换，频域分辨力越大，则傅里叶变换的点数越多，但时间分辨力就会变小；若要增大时间分辨力，则要牺牲频率分辨力[4]。由于航空声信标脉冲信号为单频信号，且多普勒较小，因此在频谱上能量较为集中，对频率分辨力较为宽容。由于其脉宽仅为10 μs，因此时间分辨力至少要优于10 μs，需要根据时间分辨力来进行各项参数的选择。

2 多周期航空声信标脉冲信号的累积方法

2.1 功率谱累积

航空声信标脉冲信号在远距离情况下，传播损失大，单个脉冲能量有限，不利于对其进行检测。在检测前，对多个脉冲进行累积，可提升信噪比[5]。由于航空声信标脉冲信号的参数确定性，可以确保多周期的信号能量能够按照某种方式进行有效累积，而噪声随时间变化是不确定、完全随机的，相较于其它信号累积的方法，噪声能量的累积是低效率的。因此，通过对航空声信标脉冲信号的多周期相干累积，可以提高对航空声信标脉冲信号的检测概率和探测距离。

假设第m个接收到的航空声信标脉冲信号包含目标信号与噪声：

式中，s( t)为航空声信标脉冲信号，nm(t)为第m个航空声信标脉冲信号包含的非相关高斯白噪声，则N个声信标信号进行累积可得

对多个周期的声信标信号进行相干累积，其目的是对各信号同相相加。若对N个航空声信标脉冲信号进行相干累积，则累积后的信号功率是单信号功率的N2倍，而噪声是平均功率相加，累积后噪声功率增加了N倍。因此累积后信号噪声功率比增加了N倍，此为多周期航空声信标脉冲信号相干累积后所带来的处理增益。

对航空声信标脉冲信号进行检测时，不仅应关注中心频率，还应考虑其偏差频带内的所有频点，因此应使用谱分析理论来代替窄带滤波以达到对各频点单独检测的目的。根据航空声信标脉冲信号的周期先验知识，通过搜索既定周期范围的方式调整累加器的相位响应，以实现航空声信标脉冲信号的同相位相加。图 1给出了经过上述方法处理后，对应目标方位波束、目标频率、目标周期按不同相位补偿后的相干累积效果。可以看到，经过相干累积后，处理增益远远大于累积前。

图1 脉冲时刻提取

通过阵处理获取空间增益，通过波束域功率谱的相干累积获取时间增益，使信号能量在空间（方向）、时间（周期与出现时刻）、频域（频率）最大匹配点聚焦，形成亮点供检测判决。这是多周期脉冲累积检测的基本思想。

2.2 分裂波束互功率谱累积

理论上相干累积可以达到线性系统的最大增益，这是由于在累积过程中，对收发系统以及脉冲间隔都有着严格的相位对齐要求。因此基于多周期航空声信标脉冲信号功率谱累积方法，对周期稳定的信号能获得较高的相干累积增益。根据2.1节可知，10个脉冲相干累积后理论上可以获得 10lg10即10 dB的增益，但其对周期随机误差的宽容性差，周期随机误差导致多脉冲累积时的相位误差，由此获得的多脉冲相干累积增益完全取决于在该时段内多个声信标信号功率谱相位误差的分布情况。

通过仿真计算，将脉冲周期加入一个满足正态分布的随机误差，当随机误差在300 μs时，通过初相位遍历搜索，10个脉冲累积后仍能依靠误差的正态分布特性获得约3～8 dB的处理增益，但初相位遍历的累积也同样作用于非信号数据。在低信噪比输入时，易形成高于目标的功率谱累积峰值，导致大值搜索对象错误，初相位瞄准失败，最终给出错误的目标参数信息，造成大概率漏报或虚警。因此，该方法在低信噪比输入条件下的稳健性不足。

基于多周期分裂波束互功率谱累积的处理方法是将搜索基阵分裂为两个子阵，分别在观测范围内预成波束，然后对同引导方位的两个波束做互功率谱处理，所形成的波束互功率谱仅携带由两个波束声程差时延τ产生的相位信息：

对于短时间内方位相对稳定的目标，声程差也相对稳定，故可进行互功率谱的相干累积，获得处理增益。按照以下目标信号参数进行仿真分析：周期标称值1073.5 ms，各脉冲周期间存在最大300 μs的随机误差，频率37.5 kHz，脉宽9 ms，输入信噪比14 dB，进行脉冲累积处理。仿真处理结果如图2～4所示。

图2 周期输出

图3 频率输出

图4 声信标信号时刻输出

经仿真分析，基于多周期分裂波束互功率谱累积的处理方法能够获得较稳定的能量峰值，便于确认目标的频率、周期与信号出现时刻等信息，其特征历程在14 dB的输入信噪比条件下，仍能较好的支持人工辅助判别。此方法三个维度的特征历程图特征显著，能有效支撑人工辅助判别信号有无。

3 湖上试验验证

针对上述脉冲累积方法，进行湖上试验验证。水下声接收系统采用 24个水听器组成的线列阵，布放在水下30 m的深度。分别在距离线列阵中心140 m处，布放发射频率为37.5 kHz、周期为标准1 s的声源以及发射频率为37.7 kHz、周期随机偏差在1 ms左右的航空声信标。计算该处理方法对于上述发射信号所能获得的累积处理增益，并分析评估航空声信标周期随机误差对累积处理增益的影响。按照上述处理方法，对声源和航空声信标发射的信号进行特征提取与分析，结果如图 5～8所示。分别计算各种方法提取特征的信噪比，从而分析评估处理增益的效果。

图5 对标准1 s周期37.5 kHz信号特征提取结果

图6 提取的标准1 s周期37.5 kHz信号的功率谱特征

图7 对非标准周期的航空声信标脉冲信号特征提取结果

图8 提取的非标准周期的航空声信标脉冲信号的功率谱特征

根据图5～8结果可以看出，多周期航空声信标脉冲信号功率谱相干累积方法对信号功率的累积高度依赖于航空声信标脉冲信号的周期精度，针对标准周期信号，累积输出的信号功率损失较小，获得了接近于理论分析的8 dB增益，其对背景的抑制效果优于多周期分裂波束互功率谱累积；而针对具有随机周期误差的航空声信标脉冲信号，多周期功率谱相干累积处理虽然抑制了背景，但该方法基于等周期窗提取多个航空声信标脉冲信号的全阵波束功率谱进行相干累积，会因周期的随机性使得提取的航空声信标脉冲信号具有不同的初相位，由此造成信号相干累积损失，此次试验中损失约为5 dB。多周期航空声信标脉冲信号分裂波束互功率谱累积的方法仍然获得了时间累积增益，可以稳定在 5 dB。所以多周期航空声信标脉冲信号分裂波束互功率谱累积的特征提取方法更为稳健，能够宽容的适应不同的航空声信标个体以及不同的使用工况，稳定获取时间增益。

4 结论

本文提出了一种利用接收基阵分裂波束互功率谱累积的方法实现对航空声信标脉冲信号的检测，通过仿真与湖上试验证实，此方法对航空声信标脉冲信号的随机周期误差宽容性较高，能够获取比较稳定的检测增益，这对于航空声信标的搜索具有较高的应用价值。