水聲定位信號脈沖挑選方法＊

于 平 吳 波 謝 勝

（91388部隊水聲對抗技術國防科技重點實驗室 湛江 524022）

1 引言

水聲定位系統的工作原理是通過測量目標聲源主動或被動應答發出的聲信號，傳播到各個接收陣元的時延（對同步系統）或時延差（對異步系統），采用球面交匯（對同步系統）或雙曲面交匯（對異步系統）來確定目標在發射信號時刻的水平位置［1～2］。

由于多途信道的影響，使得浮標或水聲收發機接收到的信號序列除直達聲外還會接收到反射聲，同時還會有環境噪聲和通道串漏脈沖，成為脈沖干擾。若把干擾脈沖誤作直達聲進行定位解算，將會造成定位錯誤或誤差。

因此，定位精度的保證依賴于有效的從帶有脈沖干擾的脈沖序列中挑選出測距信號的直達聲。基于此，本文從分析脈沖序列結構及各脈沖特征出發，對脈沖挑選方法展開研究。

2 脈沖結構分析

為了合理的設計脈沖挑選軟件，首先來分析一下各種典型的脈沖結構。

聲信號源雙脈沖信號經海洋多途信道傳播到達測量陣元時，形成含多途及干擾聲的多個脈沖序列，圖1是根據信道仿真結果結合實際工作狀態給出的各種脈沖序列結構示意圖。

圖1 脈沖序列結構示意圖

在大多數情況下（圖1（1）～（6）），幅度最大的三個脈沖中均包含直達聲信息，但在后三種條件下將可能丟失信息。在所有可能的條件下，選五個幅度最大的脈沖都不會丟失信息（陰影區除外）。為保留陰影區的直達聲信息，可強制保留每個脈沖群中的第一個脈沖（若某脈沖與前一脈沖的時延差大于200ms即可以認為屬于另一脈沖群），另保留的四個幅度最大的脈沖則除圖1（7）可能丟失一個測深脈沖外無信息損失。由于深度信息冗余量較大，而圖1（7）所示結構（測距和測深脈沖各有兩個以上反射聲大于直達聲）僅在特定的海況下特定的距離范圍內才會發生，丟失某個陣元的一個測深脈沖并不影響定位和目標深度測量。“保留首脈沖”的重要意義在于最大限度的減小測距直達聲的漏報。

3 脈沖特征分析

各陣元接收脈沖序列，除真脈沖外，還存在由多途信道產生的反射脈沖、信道串漏脈沖、環境噪聲。下面通過南海實測數據分析它們的特征特性。

3.1 反射脈沖

由于信道的影響聲波的能量將逐漸下降，對于反射脈沖，其到達時間較真脈沖晚，因而能量較直達聲能量小，其他特征與直達聲脈沖相似。如表1各幀脈沖數據，接收時延較直達聲脈沖逐漸增大，幅度逐漸減小。

表1 直達脈沖和反射脈沖特征對比表

3.2 信道串漏脈沖

信道串漏主要產生于臨近頻率通道，因此，布陣時應盡可能將相鄰頻率陣元分布于盡量遠的位置。對于信道串漏脈沖，如表2所示，串漏信道與原信道脈沖的幅度差異較大，時延幾乎相同，同時，瞬時頻率方差比真脈沖大。

表2 信道串漏脈沖特征對比表

3.3 噪聲脈沖

對于各種環境噪聲產生的虛警脈沖，可利用幅度、頻率、脈寬、方差等參數的大小加以判別：尖脈沖干擾的瞬時頻率方差應比真脈沖大；以目標的最高航速估算，接收到的脈沖信號多普勒應在一定范圍內；發射信號經過信道后會出現邊沿并有一定的展寬，因此直達聲的脈寬不會過于小。

表3 噪聲脈沖與真脈沖特征對比表

如表3第21幀8通道兩個脈沖數據可通過幅度、方差、頻差判別噪聲脈沖和真脈沖；第24幀5通道數據可通過方差、脈寬判斷；第24幀8通道數據可通過幅度、方差判斷；第25幀5通道數據可通過方差判斷。

有時噪聲脈沖特征與真脈沖特征相似，判斷參數較少，此時可以根據時延的連續性調整。如第26幀5通道數據，不能僅憑方差一項判別噪聲脈沖的，可根據第24幀5通道幀真脈沖4.17s，判斷本幀真脈沖應為4.19s。

4 脈沖挑選方法

根據以上對脈沖結構和特征的分析，建立一系列判據，根據這些判據為每一個有效脈沖評定品質因數，然后依據品質因數選出最優脈沖參與解算。

設每個陣元記錄了最多m個脈沖的信息傳給計算機，設Qai為直達脈沖品質因數，記f0為信號載頻，tki為第k幀收到的第i個脈沖信號的時延值，tk－1表示上個周期選出的最優脈沖，Ti表示脈沖的脈寬，則評定品質因數的判據如下：

判據①：制保留每個脈沖群中的首脈沖，若某脈沖與前一脈沖的時延差大于200ms，即可認為屬于另一脈沖群。

對于同一周期，當

時，令Qai＝Qai＋5。

判據②：由于信道的影響，聲波的能量將逐漸衰減，一般情況下，直達聲先于反射聲到達，因而能量較大。

判據③：信道串漏脈沖和尖脈沖干擾的瞬時頻率方差較大，增加方差小的脈沖的品種因數。

當Vki＞Vmax時，令Qai＝0。

判據④：以最高航速估算，接收到的脈沖信號多卜勒Δf在一定范圍內。當｜Δf｜＞3%f0時，令Qai＝Qai－4。

判據⑤：直達聲的脈寬不會過于小。

當Tki＜Tmin時，令Qai＝Qai－4。

判據⑥：比較當前脈沖與其它通道所有脈沖的時延，若其差值接近于0，則幅度小的脈沖的品質因數置0。如果幅度接近，則脈寬小的脈沖的品質因數置0。

當目標位于兩陣元中點時，理想情況下，其時延也應該相等，應用判據⑥必然會產生誤判。在實際應用中，可以忽略這種誤判，原因是目標位于這種特殊位置點的概率很小，而且即使發生這種情況，可利用冗余陣元參加定位解算。

判據⑦：由于目標是運動的，如果是直達脈沖，則在相鄰周期一定的時延差內必定存在與之對應的脈沖，也就是時延的連續性。為此，我們將本幀的每個脈沖與上一幀的選出的脈沖相比，判斷其差值是否在一周期目標所能航行的最大距離范圍內。

當｜tki－tk－1｜＜HCmax＊T時，令Qai＝Qai＋3。

5 實驗室測試結果分析

在實驗室將聲模擬器的發射換能器與浮標的接收水聽器置于同一水桶中，聲模擬器在外同步觸發下發射幾個相鄰頻率的信號，定位浮標同步接收并檢測信號時延，由于相鄰頻率信號之間幅度相當，導致串漏嚴重，測量結果如圖2。圖2（a）為原始聲學脈沖，圖2（b）為挑選后的脈沖，脈沖挑選方法能夠有效的剔除串漏脈沖。

6 海試結果分析

本文脈沖挑選方法應用于某水聲定位系統，2010年某海域進行了定位跟蹤試驗。脈沖測量及挑選結果如圖3，圖3（a）為原始聲學脈沖，圖3（b）為挑選后的脈沖，通過對比可見脈沖挑選方法能夠有效的抗多途及噪聲干擾，并能夠有效地剔除串漏脈沖。

圖2 實驗室測試脈沖挑選結果

圖3 脈沖挑選海試結果

7 結語

本文從分析脈沖序列結構及各脈沖特征出發，研究脈沖挑選方法，并在實驗室測試和海上試驗中得到有效驗證。本文脈沖挑選方法可應用于不同的水聲測量定位系統，其品質因子的評定幅度應根據不同海域實際情況進行調整。

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