寬帶體制下混響和目標(biāo)空時(shí)分布特征研究

劉清宇，衛(wèi)紅凱

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寬帶體制下混響和目標(biāo)空時(shí)分布特征研究

劉清宇1，衛(wèi)紅凱2

(1. 海軍裝備研究院，北京 100161；2. 海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033)

傳統(tǒng)的空時(shí)自適應(yīng)處理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)利用窄帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面的可分辨特征抑制窄帶混響。對(duì)寬帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面分布特征進(jìn)行研究，并通過理論推導(dǎo)，得出帶寬對(duì)混響和目標(biāo)空時(shí)分辨特征的影響公式。結(jié)果表明：寬帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面分布特征部分重疊，導(dǎo)致傳統(tǒng)STAP效果不佳。在此基礎(chǔ)上，借鑒STAP思想，并利用線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation, LFM)信號(hào)在分?jǐn)?shù)階Fourier變換域上的聚焦性，分析了在空-分?jǐn)?shù)階Fourier域三維空間上抑制寬帶LFM混響的可行性。

寬帶混響；空時(shí)自適應(yīng)處理；分?jǐn)?shù)階Fourier變換；線性調(diào)頻信號(hào)

0 引言

為了對(duì)抗安靜型潛艇，現(xiàn)代主動(dòng)聲吶技術(shù)普遍向低頻、寬帶、大功率方向發(fā)展[1]，這在提高探測(cè)距離的同時(shí)，也使得主動(dòng)聲吶的特有干擾——混響背景增強(qiáng)。混響與目標(biāo)的形成機(jī)理相似，其與目標(biāo)的時(shí)、頻域特征往往耦合在一起，難以分離，使得傳統(tǒng)的時(shí)、頻域混響抑制方法效果不佳。

為了有效抑制混響，就需要利用混響和目標(biāo)的可分辨特征，以構(gòu)造濾波器，濾除混響。空時(shí)自適應(yīng)處理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)[2]就是利用運(yùn)動(dòng)情況下混響和目標(biāo)在空時(shí)平面的分布特征差異(根據(jù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向與基陣軸向夾角不同，混響在空時(shí)平面表現(xiàn)為直線、圓或橢圓，目標(biāo)表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn))來抑制混響。STAP首先應(yīng)用于機(jī)載雷達(dá)雜波抑制，雷達(dá)雜波與聲吶混響有一定的相似性，文獻(xiàn)[3,4]借鑒STAP思想，將其應(yīng)用于窄帶聲吶混響抑制，取得了優(yōu)于傳統(tǒng)常規(guī)處理的結(jié)果。本文分析了寬帶體制下，混響和目標(biāo)的空時(shí)分布，并通過理論推導(dǎo)，得出了帶寬對(duì)混響和目標(biāo)空時(shí)分辨特征的影響公式。結(jié)果表明：寬帶體制下，受帶寬影響，混響和目標(biāo)在空時(shí)平面部分重疊，重疊程度與帶寬成正比，從本質(zhì)上揭示了傳統(tǒng)STAP性能下降的原因。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)雷達(dá)、聲吶中廣泛應(yīng)用的寬帶線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation, LFM)信號(hào)[5,6]，利用其在分?jǐn)?shù)階Fourier域上的聚焦性[7-9]，結(jié)合空域，指出在空-分?jǐn)?shù)階Fourier域三維空間上，混響和目標(biāo)有可分辨特征，為空-分?jǐn)?shù)階Fourier域三維空間上抑制寬帶LFM混響提供了理論基礎(chǔ)。

1 寬帶混響和目標(biāo)空時(shí)分布特征

窄帶體制下，信號(hào)的多普勒頻率主要表現(xiàn)為中心頻率處的多普勒頻率，理論上混響的空時(shí)二維分布為斜線(正側(cè)視聲吶)、半圓(前視陣聲吶)或半橢圓(斜視陣聲吶)；而目標(biāo)位于空時(shí)平面上的某一點(diǎn)[4]，混響和目標(biāo)在空時(shí)二維平面可分辨。傳統(tǒng)窄帶STAP方法即是利用此特征抑制窄帶混響。

圖1 寬帶信號(hào)頻譜示意圖

圖2 正側(cè)視聲吶配置下寬帶混響和目標(biāo)的空時(shí)分布

2 帶寬對(duì)混響和目標(biāo)可分辨特征影響

由上節(jié)分析可知，受帶寬影響，寬帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面分布部分重疊，難以分辨。下面通過理論推導(dǎo)具體分析帶寬對(duì)混響和目標(biāo)空時(shí)分辨特征的影響。

圖3 寬帶混響和目標(biāo)空時(shí)平面分布示意圖

根據(jù)式(3)，則可知：

窄帶體制下，時(shí)寬帶寬積近似為1，式(4)可化簡(jiǎn)為

圖4 目標(biāo)徑向速度與中心頻率關(guān)系曲線

圖5 目標(biāo)徑向速度與脈寬關(guān)系曲線

圖6 目標(biāo)徑向速度與帶寬關(guān)系曲線

圖7 目標(biāo)徑向速度與起始頻率關(guān)系曲線

3 空-分?jǐn)?shù)階Fourier域三維空間上抑制寬帶LFM混響可行性分析

由前述分析可知，帶寬的影響使混響和目標(biāo)在空時(shí)平面不僅重疊，而且由于目標(biāo)徑向速度的限制，往往重疊程度較高。為有效抑制寬帶混響，需尋求新的寬帶混響和目標(biāo)可分辨空間。以雷達(dá)、聲吶中常見的寬帶LFM信號(hào)為例，分析在空-分?jǐn)?shù)階Fourier域三維空間上抑制寬帶LFM混響的可行性。

分?jǐn)?shù)階Fourier變換[7-9](Fractional Fourier transform, FRFT)定義如下：

分析式(7)可知，分?jǐn)?shù)階Fourier變換采用線性調(diào)頻基，因此，對(duì)LFM信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階Fourier變換，即相當(dāng)于LFM信號(hào)與線性調(diào)頻基匹配的過程。當(dāng)兩者不匹配時(shí)，輸出值很小，當(dāng)兩者達(dá)到匹配時(shí)，出現(xiàn)峰值，稱為L(zhǎng)FM信號(hào)在分?jǐn)?shù)階Fourier域具有聚焦性。利用LFM信號(hào)在分?jǐn)?shù)階Fourier域(以(,)表示，為分?jǐn)?shù)階次、為分?jǐn)?shù)階Fourier域值)的聚焦性即可實(shí)現(xiàn)LFM信號(hào)的檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)。

但對(duì)于主動(dòng)聲吶中的混響背景而言，混響由大量散射元散射的LFM信號(hào)組成，在分?jǐn)?shù)階Fourier域上也表現(xiàn)出聚焦性(如圖8所示)。難以利用分?jǐn)?shù)階Fourier域上LFM信號(hào)的聚焦性實(shí)現(xiàn)混響背景下LFM目標(biāo)回波的檢測(cè)。

圖8 LFM混響在分?jǐn)?shù)階Fourier域分布

4 結(jié)論

窄帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面有可分辨的特征，傳統(tǒng)STAP方法利用此特征抑制窄帶混響。寬帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面部分重疊，難以分辨，傳統(tǒng)STAP方法效果不佳。針對(duì)雷達(dá)、聲吶中常用的寬帶LFM信號(hào)，利用LFM信號(hào)在分?jǐn)?shù)階Fourier域的聚焦性，引入空域，則在空-分?jǐn)?shù)階Fourier域三維空間上，寬帶LFM混響和目標(biāo)有可分辨特征，據(jù)此可抑制寬帶LFM混響。

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Study of space-time distribution characteristics of wideband reverberation and target echo

LIU Qing-yu1, WEI Hong-kai2

(1. Naval Academy of Armament,Beijing 100161, China;2.Navy Engineering University, Wuhan 430033,Hubei,China)

The traditional space-time adaptive processing (STAP) suppresses narrowband reverberation by utilizing the distinguishable characteristics of narrowband reverberation and target echo in space-time plane. In the paper the distribution characteristics of wideband reverberation and target echo in space-time plane are studied. Based on this, the theoretical formula is derived to analyze the influence of bandwidth on reverberation and target echo’s distinguishable characteristics. It shows that the performance of traditional STAP is degraded seriously due to the overlap of wideband reverberation and target echo in space-time plane. And then, the possibility of cancelling wideband linear frequency modulation (LFM) reverberation in space-fractional Fourier domain is analyzed by integrating the space domain and the concentration characteristic of LFM signal in fractional Fourier domain.

wideband reverberation; space-time adaptive processing(STAP); fractional Fourier transform; Linear Frequency Modulation (LFM) signal

TB566

A

1000-3630(2014)-06-0489-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.002

2014-09-11;

2014-11-17

劉清宇(1968－), 男, 河南商丘人, 研究員, 研究方向?yàn)樗晹?shù)據(jù)分析。

衛(wèi)紅凱, E-mail: whk200605@163.com