多路水聲信號抗串漏檢測技術仿真

杜召平，張 強，劉百峰

(1.91388部隊，廣東湛江524022;2.92854部隊，廣東 湛江524022)

0 引言

水下多目標定位系統用來精確跟蹤定位加裝合作聲信標的多個水下目標的運動軌跡。每個合作聲信標的發射信號為正弦填充CW信號，每個同步周期有2個脈沖信號(測距、測深脈沖信號)，雙脈沖間隔在30～70 ms之間。系統在對多路水聲信號進行檢測和處理時，其水聲信道輸入為多個CW窄脈沖信號、高斯白噪聲和魚雷尋的噪聲。CW窄脈沖信號含有豐富的頻譜，在多頻率多通道信號處理系統中，強信號的邊帶頻譜將通過鄰近頻率通道，成為鄰近通道中的尖脈沖干擾，形成“通道串漏”，容易造成檢測時產生大量的虛警。為有效克服多路水聲信號通道串漏和高斯白噪聲、魚雷尋的噪聲對信號檢測的影響，本文系統采用FIR寬帶濾波器、Notch濾波器組和瞬時頻率方差序列等技術，對接收到的水聲信號進行檢測和處理。

1 系統多路水聲信號檢測處理仿真模型

1.1 系統水聲信號處理流程

系統水聽器接收多個CW窄脈沖信號、高斯白噪聲和魚雷尋的噪聲，經FIR寬帶濾波器一級前端濾波后，送Notch濾波器組實現信號的二次濾波，最后利用每個Notch濾波器的權值實時計算瞬時頻率方差序列，經聯合檢測判決后，輸出檢測判決結果。

1.2 系統多路水聲信號檢測處理模型

根據系統水聲通道組成，建立系統多路水聲信號檢測處理仿真模型綜合框圖，如圖1所示。

圖1 系統多路合作水聲信號處理仿真模型綜合框圖Fig.1 Integrated block diagram for the system simulated model to process multi-path cooperative underwater acoustic signals

其中，輸入信號為多個CW脈沖信號、高斯白噪聲和魚雷尋的噪聲。CW信號的填充頻率為n路規定的信號頻率之一，每個CW脈沖的脈寬固定，各路CW脈沖之間的間距和脈沖幅度可以設定，信號同步周期為1s，系統采樣頻率120 kHz。

寬帶濾波對接收信號進行預處理。由于接收信號中可能包含填充頻率為n個規定頻率中的1個或多個(也包括沒有信號)，寬帶濾波通帶必須涵蓋n個可能的頻率。仿真中取通帶為8～32 kHz。考慮到實際系統中為硬件濾波器，并且要保證線性相位，我們取階數為40階的FIR濾波器。

主處理模塊是系統對多路水聲信號檢測處理的核心，由n路并聯的Notch濾波器組和瞬時頻率方差解算模塊組成。主處理模塊如圖2所示。

圖2 主處理模塊框圖Fig.2 Block diagram for the main processing module

綜上所述，建立系統多路水聲信號抗串漏檢測處理仿真模型，模型由輸入信號、寬帶濾波、主處理模塊和檢測判決模塊組成。其中輸入信號和寬帶濾波部分為模型的輔助部分，采用理想的信號源和寬帶濾波器。主處理模塊和聯合判決模塊部分是水聲信號檢測處理的核心，采用Notch濾波器組、瞬時頻率方差序列實現對多路水聲信號的抗串漏檢測處理。

2 系統水聲信號抗串漏檢測仿真及結果分析

為精確預測和評估系統水聲通道的功能和質量，分別對系統水聲通道的抗串漏能力、1 ms和2.5 ms脈寬多通道檢測能力、魚雷尋的信號對檢測的影響程度進行仿真和分析。仿真工具為Math Works-Matlab Program。

2.1 系統水聲通道抗串漏檢測能力仿真

設n路規定頻率的CW信號有5路都存在，其中1個為強信號，其他為弱信號 (信噪比相差60 dB)，5路規定頻率的CW信號出現在不同時刻，各為相差40 ms的雙脈沖。系統水聲通道抗串漏能力仿真結果顯示，由于第3路的信號非常強，串漏到了其他4路，在信號的上升沿和下降沿各會產生1個串漏信號，于是就出現了大量的虛警。但從VIFD檢測器的輸出 (輸入為Notch濾波器輸出)來看，雖然強信號在其他路有很強的串漏，但串漏過來的是信號的旁瓣，瞬時頻率的方差較大，而本路信號的方差較小。取頻率方差的倒數輸出，串漏被很好地消除掉。

仿真表明，系統水聲通道具有很好的多路水聲信號抗串漏檢測能力。

2.2 系統窄脈沖多通道檢測能力仿真

2.2.1 系統1 ms窄脈沖信號多通道檢測能力仿真

設輸入信號為5路規定頻率的CW信號，信號出現在不同時刻，各為相差40 ms的雙脈沖，脈寬1 ms，信噪比為0 dB，輸入信號湮沒在噪聲中。應用Notch濾波器和VIFD技術很難檢測1 ms脈寬、信噪比為0 dB的輸入信號，從仿真結果來看，當信噪比為3 dB時，系統對信號具有較好的檢測能力。通過對比可知，隨著信噪比的增大，系統對多路信號的檢測能力趨于理想。

2.2.2 系統2.5 ms脈沖信號多通道檢測能力仿真

設輸入信號為5路規定頻率的CW信號，信號出現在不同時刻，各為相差40 ms的雙脈沖，脈寬2.5 ms，信噪比為0 dB，輸入信號湮沒在噪聲中。對比系統脈寬為1 ms、2.5 ms輸入信號的檢測處理仿真結果可知，在低信噪比條件下，1 ms脈寬由于積分時間較短，噪聲沒有被較好地平均，有較大起伏，造成了大量虛警;另外，由于噪聲包絡的寬度為波器帶寬的倒數，1 ms脈寬和噪聲的包絡寬度相近，使判寬對剔除虛警的作用不大。而當輸入信號脈寬為2.5 ms時，由于積分時間較長，噪聲可以被很好地平均，大大減少了虛警;另外，由于輸入信號脈寬增大，使得判寬的門限大于噪聲包絡的寬度，判寬可以有效剔除虛警;隨著輸入信號脈寬的增大，信號的旁瓣對臨近信號通道的干擾減小，也導致系統對信號的檢測能力增強。

根據上述仿真分析結果，建議在條件允許的情況下，適當增大輸入信號的信噪比和脈寬，這樣可以大大增強系統對信號的檢測能力。

2.3 魚雷尋的信號對檢測的影響程度仿真

水下多目標定位系統對魚雷進行跟蹤時，魚雷發射尋的信號會干擾系統對信號檢測。仿真檢驗了魚雷尋的信號對系統信號檢測的影響程度。

圖3 有魚雷尋的信號時Notch濾波器輸出信號波形Fig.3 Output signal waveform for the Notch filter while there are torpedo homing signals

假設魚雷尋的信號比Ping信號信噪比高40 dB，仿真結果如圖3和圖4所示。由圖3可知，在Notch輸出時，魚雷尋的信號的上升沿和下降沿各有1個串漏信號。而VIFD檢測器可以很好地去掉串漏，實現系統對原有多路合作水聲信號的檢測。

圖4 有魚雷尋的信號時VIFD檢測器輸出信號波形Fig.4 Output signal waveform for the VIFD detector while there are torpedo homing signals

3 結語

通過對系統多路水聲信號抗串漏檢測處理仿真研究，可以得到這樣的結論:采用FIR寬帶濾波器、并聯Notch濾波器組和瞬時頻率方差序列等水聲信號處理技術，能夠實現系統對多路合作水聲信號的檢測。

仿真還表明:在條件允許的情況下，可適當增大目標合作聲信號的信噪比和脈寬。這樣，可大大增強系統對多路合作水聲信號的檢測能力。

［1］梁國龍.回波信號瞬時參數序列分析及其應用研究［D］.哈爾濱工程大學，1997.

［2］HAYKIN S.自適應濾波器原理［M］.北京:電子工業出版社，1998.

［3］維德羅.B.自適應信號處理［M］.成都:四川大學出版社，1991.