一種混響背景下的水中目標探測方法＊

吳 瑋，王海燕，程 剛，周 倩，張穎峰

（西北工業(yè)大學，西安 710072）

0 引言

對于水下彈箭的探測制導，由于海洋工作環(huán)境非常復雜，混響作為主動工作方式下特有的背景干擾，一直是水聲信號處理的難題，它大大限制了水下近程目標探測系統(tǒng)的作用距離和參數(shù)估計性能。因此，如何利用背景干擾的特點，尋找簡單有效的目標探測方法一直以來都是研究的熱點［1－2］。目前，國內(nèi)外研究多關注于混響的抑制方法，如特征濾波、白化濾波、奇異值分解等［3］，這些算法大多運算復雜或?qū)ο闰炐畔⒁罂量蹋瑢崟r處理性不高，難以很好地應用于工程實踐。

對于這一問題，文中針對小型近程目標探測系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)簡單、實時性好、易于工程實現(xiàn)的特點，結(jié)合回波識別與方位估計技術，設計了一種混響背景下水中目標探測制導方法。此方法可使水中目標探測裝置準確的探測到目標并估計出目標方位信息，在探測制導過程中，由得到的目標方位信息調(diào)整航行姿態(tài)，從而更精確有效的打擊水中目標。

1 水中目標探測系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)原理概述

水中目標探測系統(tǒng)在沒有發(fā)射探測信號前首先采集海洋背景作為其檢測門限，系統(tǒng)的接收裝置經(jīng)接收換能器接收到干擾和目標回波信號，并進行濾波和A／D采樣將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因發(fā)射后立即接收將會受到很強的干擾影響，所以系統(tǒng)延遲一定時間再進行回波信號的接收。對于接收到的回波信號，根據(jù)其信混比采用恒虛警浮動門限法進行判決。當判決有回波信號時，選擇適當?shù)姆椒ㄟM行參數(shù)估計。其原理框圖如圖1所示。

圖1 水中目標探測系統(tǒng)原理框圖

1.2 系統(tǒng)背景干擾分析及參數(shù)估算

水中目標干擾背景主要包括海洋噪聲、混響色噪聲以及探測裝置的本機噪聲等。由于文中所研究的目標探測系統(tǒng)采用主動探測方法。主動探測的背景干擾包括了海洋噪聲和混響色噪聲。一般來講，這兩種干擾總是同時存在。所以，在系統(tǒng)設計時首先要分析干擾背景并進行參數(shù)估算，這樣才能更有效的利用先驗信息進行探測。下面結(jié)合具體的探測系統(tǒng)進行系統(tǒng)參數(shù)估算，并給出回聲級、混響掩蔽級和噪聲掩蔽級變化曲線。

由主動聲納方程可知，信號回聲級為：

體積混響等效平面波混響級為：

海底混響等效平面波混響級為：

式中：SL為輻射聲源級；TS為目標強度，TL為傳播損失；c為聲速，τ為脈沖寬度，ψ為等效合成束寬，Sv為體積散射強度，Sb為體積散射強度，r為傳播距離。

圖2為深海平均自然噪聲譜可知在不同海況下的噪聲譜級。

圖2 深海平均自然噪聲譜

若系統(tǒng)輻射聲源級SL＝185dB，當6級海況時NL＝55dB。目標反射強度TS＝15dB，體積散射強度Sv＝－85dB，海底散射強度Sb＝－23dB，體積混響等效合成束寬ψ＝7.51rad，海底混響等效合成束寬φ＝1.93rad，脈沖寬度τ＝10ms，由上述相關參數(shù)可計算出回聲級、混響級、噪聲級與傳播距離的關系如圖3所示。

從圖3可以看出，對于近程主動聲納探測制導系統(tǒng)，主要背景干擾為與發(fā)射信號同頻同帶的強混響色噪聲。

1.3 混響背景模型的建立

圖3 回聲級、混響級及噪聲級與距離的關系

為了準確檢測信號，首先要對混響背景進行建模。混響是存在于海洋中大量不均勻性物質(zhì)對聲波散射所形成的，作為大量這種散射波疊加總和的混響是一個非平穩(wěn)隨機過程。

在文獻［1］關于混響成因的討論中已經(jīng)指出，混響的瞬時值服從高斯分布、包絡服從瑞利分布。由此，可以用高斯白噪聲通過窄帶濾波器再乘以相應的混響包絡曲線產(chǎn)生窄帶噪聲來建立混響模型［4］。

圖4 混響仿真信號

圖4所示為仿真的混響信號。由圖4可看出混響會隨時間衰減，所以在文中研究的小型探測制導系統(tǒng)中，由于受到硬件條件以及實時處理的限制，采用延遲一定時間再進行回波信號接收這種簡單的抗混響方法，可對混響進行初步抑制，且易于硬件實現(xiàn)。

圖5 混響背景下目標回波仿真信號

圖5所示為當發(fā)射信號頻率為10kHz、脈寬為10ms的CW脈沖時，背景干擾利用前述方法所建立的混響背景模型，經(jīng)仿真得到的混響背景下的目標回波信號。

2 目標探測與回波識別

由于復雜的混響抑制方法不能很好地應用于結(jié)構(gòu)簡單且實時性處理要求高的探測制導系統(tǒng)，所以在對混響初步抑制的基礎上，主要利用回波識別和方位估計相結(jié)合的目標探測方法來排除這些干擾對目標探測性能的影響，準確探測并打擊目標。

由前述分析可知，海洋混響是瞬時值服從高斯分布，包絡服從瑞利分布的非平穩(wěn)隨機過程。振幅分布的概率密度函數(shù)為：

式中，VT為檢測門限。可見，虛警概率將隨背景干擾的功率而變化。如果保持一定的虛警概率PF，檢測門限VT可表示為［4］：

由于檢測門限VT隨背景干擾功率σ2E而變化，所以可以根據(jù)背景干擾電平的變化自動調(diào)整檢測門限VT，使其始終保持在最佳檢測門限電平上，從而實現(xiàn)恒虛警檢測。

在文中所設計的探測方法中，采用了一種浮動門限自適應修正方法。當開始對信號進行檢測時，取一段加了噪聲干擾的信號并計算其均值，將其與浮動門限進行比較，根據(jù)浮動門限電平進行判決檢測。如果沒有超過門限，則認為信號不存在，并繼續(xù)對浮動門限進行修正，使其保持為恒虛警檢測的最佳門限。其流程如圖6所示。

圖6 單門限恒虛警檢測仿真流程圖

理論推導的浮動門限自適應修正方法為：

式中：P為調(diào)整門限浮動大小的參數(shù)，ˉC是每次所截取數(shù)據(jù)的均值。浮動門限變化如圖7所示。由圖7可見，所研究的浮動門限自適應修正方法能使檢測門限很好的跟隨目標回波信號的變化趨勢。

圖7 浮動門限示意圖

3 制導方位估計

在確認檢測到回波信號后，可根據(jù)得到的信息進一步進行方位估計，確定水下目標的具體方位角、俯仰角，然后對系統(tǒng)進行制導。方位估計方法很多，主要有4種估計方法：互譜估計法、基于自適應的時延估計法、基于最大似然的時延估計法、基于相關分析的時延估計法等［5］。文中結(jié)合所研究的探測系統(tǒng)，對工程易于實現(xiàn)且常用的自適應時延估計法作以分析和研究。

圖8 自適應Notch濾波器

圖8為自適應Notch濾波器原理圖。濾波器輸入為時間序列d（k）＝s（k）＋n（k），k＝ 0，1，2，…，L－1為時間序號。其中s（k）＝Acos（w0k＋φ）為單頻信號，A為信號幅度；φ為初相位，兩者均為常量。n（k）為寬帶噪聲，xc（k）和xs（k）為兩路正交參考輸入，wc（k）和ws（k）為權(quán)值輸出，ε（k）為殘差輸出，y（k）為信號輸出。

自適應采用LMS算法，由文獻［4］可知，當自適應過程收斂時：

得到相位值：

因為從輸入到權(quán)值輸出對應的系統(tǒng)是非線性的，并且目標的定向需要的是相位差信息，所以構(gòu)造了濾波器的另一路輸出信號，即由兩個自適應Notch濾波器聯(lián)合估計，構(gòu)成自適應Notch濾波器相位差時延估計器，當其達到穩(wěn)態(tài)時：

4 仿真分析及試驗結(jié)果

4.1 目標探測方法運算量分析

由式（6）、式（7）可知，在回波識別時，對實時采集到的一段長度為N的數(shù)據(jù)需做N＋2次加減、4次乘除。由式（8）～式（10）可知，在方位估計時，自適應法一次迭代所需的運算量為10次加減、17次乘除。而經(jīng)典的互譜法則需做兩次FFT，對于N點的FFT共需做4Nlog2N＋3次乘法，6Nlog2N次加法。用文中所述方法處理一段長度為N的數(shù)據(jù)，最少僅需21次乘除，N＋12次加減。圖9、圖10比較了文中所提檢測方法與經(jīng)典互譜法所需的運算量。從圖可見，隨著N的增大，文中所述方法運算量明顯小于經(jīng)典互譜法。由此可見，對于小型探測系統(tǒng)來說，相比于涉及到復雜計算的系統(tǒng)，文中設計的方法運算量很小，對實時采集的數(shù)據(jù)，在短時間內(nèi)即能完成目標回波檢測與方位估計運算，達到實時處理的目的。

圖9 兩種方法加法次數(shù)的比較

圖10 兩種方法乘法次數(shù)的比較

4.2 回波探測識別仿真檢測結(jié)果

利用已建立混響模型，在不同信混比下經(jīng)大量仿真，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 不同信混比下的檢測概率和虛警概率

4.3 制導方位估計仿真結(jié)果

不同信混比下，制導方位估計的正確檢測百分比結(jié)果如表2所示。

表2 不同信混比下估計誤差小于6°的正確檢測百分比結(jié)果

4.4 湖試試驗結(jié)果

近期已對所研究的水中目標探測系統(tǒng)進行了湖試，結(jié)果表明系統(tǒng)達到了設計要求，對水下目標檢測概率達96.83%，方位估計誤差小于6°時正確檢測百分比大于95%，能很好的檢測到水下目標。

5 結(jié)論

文中對水中目標探測方法進行了詳細的技術分析，針對探測系統(tǒng)背景干擾為強混響的特點，設計了有效的目標回波識別及制導方位估計方法。仿真分析和試驗結(jié)果表明，文中所研究的方法切實可行，運算量小易于硬件實時處理與實現(xiàn)。且能簡單有效的探測到水中目標并準確的估計其方位。可為探測制導裝置提供準確目標信息打擊目標。

［1］Robert J Urick.Principles of underwater sound［M］.MC.Craw－Hill.Inc，1983.

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