簡析高頻水聲信號的空間相關性

周慶飛，沈亞東

91439部隊，遼寧 大連 116041

于聲納裝備和魚雷自導的系統當中，一般采用多個的換能器基元組合而成水聲換能設備。經過處理各個基元所獲取的信號，就能夠獲得相關的目標和背景的特點，繼而進行對目標的檢測，識別目標。為了獲得優良的目標檢測與識別的性能可對于各個基元所輸出的信號采用空間與實踐處理的方法。當中，目標和背景信號的空間整理特點極大地影響著陣列處理的效果。高頻水聲信號的收集和探析主要運用聲學陣列方法，收集高頻水聲信號數據的處理和探析對高頻水聲信號的陣列形式有著密切的聯系。于當前的高頻水聲設備當中，多是窄帶信號的形式，因此對于高頻水聲信號的收集數據過程中應當采用差頻預方法進行處理，可使得數據信息不受損失，又可使得采樣的頻率降低，以減輕數據的處理負擔。

1 高頻水聲信號數據收集、分析系統

高頻水聲信號數據的收集、分析系統主要適用于海上的實航所實驗信號的記錄與收集、計算機的后置分析處理的功能。高頻水聲信號數據的收集、分析系統的構成。高頻水聲數據的收集、分析系統主要是由聲學基陣和水下的傳輸驅動器、船上的接收電路以及多通道的差頻轉換器、收集數據的處理器、收集數據分析處理器等構成。聲學基陣的功能主要為接收海上高頻水聲的目標與背景信號，并將收集到的信號轉化成聲電信號；船上的接收電路功能主要是接收長電纜所傳輸電信號，并且完成和長電纜的電性能配合與記錄多通道的信號；多通道的差頻轉換器功能主要是完成轉換高頻的電信號頻帶，并且使得其由高頻降到低頻；數據收集處理、分析器的功能主要是實現目標的回波與背景數據進行存盤和處理、數據圖形的顯示、分析。該系統適用的環境為：海區的深度為40m～50m之間；基本的入水深度為7.5m；水文的條件為等溫層、3級以下的海況；目標的距離為400m～1500m。

2 高頻水聲信號的空間相關性分析

根據上述的高頻水聲信號數據、分析的系統，可對水下目標的回波河海洋混響、水下噪聲空間的相關性進行有針對性的試驗探析。

2.1 對目標回波空間的相關性進行試驗

該試驗當中運用圖1中的水平直線基陣以收集相關目標的回波信號，并用此進行分析各個陣元元所輸出的信號橫向空間的相關性。試驗當中于淺海當中的目標距離是1200m～1400m，當在600m～800m的時候，其目標回波空間的相關性經過多次的試驗檢測所統計出的平均數據。該試驗當中以3種不同的發射信號，以LFM、CW為發射信號，其中兩條信號的發射信號為LFM，其脈寬可為100ms和50ms，其調頻的寬度可為1000Hz和800Hz，其目標距離分別是800m和1400m；第三條發射信號為CW，其脈寬是100ms，其目標距離是1300m，試驗當中3種信號的中心頻率都是30kHz。經試驗可知：實際目標的回波信號空間相關性的系數值約是 0.9，空間系數值于試驗當中的陣元布陣范圍當中不以空間的距離發生變化，表明了于試驗基陣的空間尺寸與目標距離中，回波信號空間的相關系數較為穩定，發射信號的形式不對其產生影響。

圖1 接收聲學基陣布陣形式圖

2.2 對混響空間的相關性進行試驗

該試驗依然運用圖一水平直線基陣進行接收混響的信號，并且對陣元間所輸出的混響空間的相關性進行分析。以LFM為發射信號，其脈沖的寬度是100ms，其中心的頻率是30kHz，其調頻的寬度是1kHz。有該試驗可知：海洋混響空間的相關性系數隨著目標的距離的增加而相對減小；倘若空間的距離是半波長的時候，混響空間的相關性系數為0.6；倘若空間的距離比1.5個波長還遠的時候，混響空間的相關性系數為0.3。當接收的陣元距離與半波長一樣時，混響空間的相關性系數為0.6，目標回波的空間相關性系數卻是0.9，因此可知常規的波束形成器具有一定的抗響性能。

2.3 對高頻水聲噪聲空間的相關性進行試驗

在試驗當中，可運用于接收的聲學基陣后設置噪聲的發射轉換器，并且發射噪音。接收基本依然采用圖1水平直線基陣。其接收的陣元頻帶的寬度是5kHz，其中心的頻率是30kHz。由試驗可知：當噪音和半波距離一致時，噪音的空間相關性系數為0.3；當噪音空間的距離比半波長度還遠時，噪音的空間相關性系數為0.4。由此可知，常規波束所形成的基陣無法達到噪聲的假設理論值。

3 結論

本文依據高頻水聲信號的數據收集、分析系統，并且采用試驗的方式對目標回波、混響以及噪聲的空間相關性進行了研究。目前，對于高頻水聲信號的空間相關性理論比較多，但是針對其進行試驗研究相對較少。因此，從試驗的角度對其進行研究，獲得高頻水聲信號當中的目標回波、混響以及噪聲的空間相關性的實驗統計數據，對實際的高頻水聲學探測的裝備設計和對其性能的配件、仿真有著一定的應用價值。

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