空時域寬窄帶混響分布特性研究?

張春雷 黃金星 王本猛 聶 晶 衛紅凱

（1.海軍工程大學 武漢 430033）（2.31010部隊 北京 100081）（3.92001部隊 青島 266000）

空時域寬窄帶混響分布特性研究?

張春雷1黃金星2王本猛3聶 晶1衛紅凱1

（1.海軍工程大學 武漢 430033）（2.31010部隊 北京 100081）（3.92001部隊 青島 266000）

研究了不同陣型配置下空時自適應處理中窄帶混響和寬帶混響在空時平面上的分布特征。結果表明：窄帶體制下，帶寬小，混響和目標有可分辨特征，寬帶體制下，帶寬影響不可忽視，混響和目標在空時平面部分重疊，難以分辨。通過實測和仿真寬帶混響數據驗證了分析結果的正確性。

混響；空時分布；寬帶信號

ClassNum ber TB554

1 引言

為了對抗安靜型隱身潛艇，現代主動聲納技術普遍向低頻、寬帶、大功率方向發展［1］，這在提高聲納探測距離的同時，也使得主動聲納的特有干擾—混響背景增強。混響與目標的形成機理相似，其與目標的時、頻域特征往往耦合在一起，難以分辨，難以分離，使得傳統的時、頻域混響抑制方法效果不佳。

空時自適應處理（space-timeadaptive processing，STAP）［2～12］是近年來出現的一種新的窄帶混響抑制方法，該方法利用，運動情況下混響和目標在空時平面的分布特征差異（窄帶體制下，根據平臺運動方向與基陣軸向夾角不同，混響在空時平面表現為直線、圓或橢圓，目標表現為一個點）來抑制混響。寬帶體制下，寬帶混響和窄帶混響的空時分布特性有無差異？寬帶混響和目標在空時平面是否有可分辨特征？本文對此進行了研究。研究結果表明：不同于窄帶體制，寬帶體制下，帶寬的影響不可忽視，使得寬帶混響和目標在空時分布平面部分重疊，難以分辨，傳統的空時自適應處理方法效果不佳。

2 混響和目標空時可分辨特征研究

窄帶可以看成是寬帶的特例，對窄帶混響空時特性的研究有助于理解寬帶混響的空時分布特性，首先研究窄帶混響和目標空時分布特征。

2.1 窄帶混響和目標空時可分辨特征

圖1為陣列及散射元空間位置圖，以陣列（圖中粗線所示）相位中心為原點，陣列軸向為X軸，其所在水平面為XOY平面，建立直角坐標系。陣列以速度V運動，陣列軸線與基陣運動方向的夾角為δ（由聲納在載體平臺上的安放位置確定）。散射元P到基陣相位中心距離為R（稱為斜距），距離水平面高度為H，對應的方位角和俯仰角分別為φ和θ，與陣列軸向的夾角（空間錐角）為α，與運動方向的夾角為β，則該散射元回波的多普勒頻率為

其中，fdmax=2vf0/c為最大多普勒頻率，f0為發射信號頻率，c為水中聲速。利用圖中各角度間的幾何關系，經整理后有：

式（2）給出了混響多普勒頻率與α、δ、φ之間的關系。

圖1 陣列及散射元空間位置圖

根據不同使用場合和目的，典型的聲納基陣配置角度δ主要包括：正側視聲納（δ=0°），舷側陣、拖曳線陣等是這類中的典型代表；前視陣（δ=90°），這類典型的聲納基陣有球鼻艏、魚雷制導聲納等，下面分別進行分析。

正側視陣時，式（2）可化簡為如下形式：

參量設定為：發射信號頻率 f0=750 Hz，平臺運動速度為10節，目標徑向速度為20節，空間方位40°，則正側視陣聲納配置下混響和目標空時分布如圖2所示。

前視陣時，式（2）可化簡為如下形式：

參量設定與正側視陣一致，則前視陣聲納配置下混響和目標空時分布如圖3所示。

由圖2、3可見，混響的空時分布與聲納陣型配置有關，正側視陣配置下，混響空時曲線為直線，目標為空時平面上一點，前視陣配置下，混響空時曲線為橢圓，目標為空時平面上一點，混響和目標在空時平面有可分辨特征，利用STAP可抑制混響。

圖2 正側視聲納配置下窄帶混響和目標空時分布

圖3 前視聲納配置下窄帶混響和目標空時分布

2.2 寬帶混響和目標可分辨特征

圖4所示為中心頻率 f0，頻帶范圍 f1～f2的寬帶信號頻譜。為了便于研究寬帶體制下混響的空時分布，在信號帶寬內取 M 個譜線f1m(m=1，2，…，M)。則寬帶混響的譜如下式所示：

其中，fdm為 f1m的多普勒頻率。

分析式（5）可知，對于窄帶混響，M=1（取f0=f11），以中心頻率 f0為基準對混響頻譜進行搬移，混響譜表現為混響的多普勒頻移。對于寬帶混響，M＞1，此時對混響進行頻譜搬移，無法找到某一參考頻率，能夠同時將各子帶中心頻率搬移到零頻。即各能同時為零。因此，寬帶混響譜不僅包含多普勒頻移也包括信號帶寬內的頻點。

圖4 寬帶信號頻譜示意圖

討論正側視陣聲納配置下，寬帶混響和目標在空時二維平面分布，此時 fdm為

設發射信號帶寬為200Hz，其余參數與圖2相同，以信號初始頻率 f1=650 Hz為第一個采樣頻點，間隔5 Hz對信號頻譜取樣，此時寬帶混響和目標空時分布如圖5所示。

圖5 正側視聲納配置下寬帶混響和目標空時分布

同理可得到，前視陣聲納配置下 fdm如式（7）所示，此時寬帶混響和目標空時分布如圖6所示。

圖6 前側視聲納配置下寬帶混響和目標空時分布

由圖5、6可見，不同陣型配置下，混響的空時分布不同。正側視陣情況下，寬帶混響中不同譜線具有不同的斜率，斜率大小為帶寬內各頻點對應的最大多普勒倒數，且隨頻點增大而減小。各不同斜率斜線的疊加使寬帶混響在空時平面分布由窄帶情況下的斜線變為梯形斜帶，使寬帶混響和目標在空時平面部分重疊。前側視陣情況下，寬帶混響中不同譜線對應不同的半橢圓，在空時平面表現為一系列長半軸逐漸增大，短半軸長度固定，橢圓中心逐漸增大的不規則正瓦片狀，使寬帶混響和目標在空時平面部分重疊。重疊程度與信號中心頻率、帶寬、平臺運動速度、目標方位、目標徑向速度等因素有關，實際中，應該根據具體情況分析。本節參數設置下，約94%的信號頻段與混響譜重疊。

因此，寬帶體制下，混響和目標在空時平面無可分辨特征，傳統STAP效果不佳。

3 仿真實驗驗證

下面以正側視陣配置下仿真和實測寬帶混響和目標的空時分布來驗證本文前述的理論分析。

仿真混響相關參數設置為：聲納基陣采用80元均勻線列陣，陣元間距1m，海深70m，聲納陣入水深度10m，泥沙底質，三級海況。發射信號中心頻率 f0=750Hz，帶寬 B=200Hz，脈寬T=432ms。平臺運動速度10節，目標徑向運動速度25節，目標方位60°。

圖4所示為仿真寬帶混響和目標的空時分布。

圖7 正側視陣時仿真寬帶混響和目標空時分布

從圖7可以看出，寬帶情況下，混響在空時平面為帶狀分布，且展開范圍大。目標在其方位角上（cosα=0.5）的分布由窄帶時的點狀分布變成直線狀分布。受帶寬的影響，空時平面上混響和目標部分重合，目標譜的90%以上淹沒在混響譜中。

實測海試數據來源于三亞某海區。圖8所示為實測寬帶混響和目標的空時平面分布圖。從圖中可以看出，實測寬帶混響在空時平面分布范圍大，與目標重合程度高，與仿真寬帶混響一致。

圖8 正側視陣時實測寬帶混響和目標空時分布

4 結語

本文通過推導分析了和比較了寬/窄帶混響和目標在空時平面可分辨特征，結果表明：不同于窄帶體制下，空時平面上混響和目標有可分辨特征，寬帶體制下，受帶寬影響，寬帶混響和目標在空時平面部分重疊。重疊程度與信號中心頻率、帶寬、平臺運動速度、目標方位、目標徑向速度等因素有關，使傳統的STAP處理效果不佳。最后，通過實測和仿真寬帶混響數據驗證了分析的正確性。

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［3］趙申東.主動聲納空時自適應處理方法研究［D］.武漢：海軍工程大學，2008.

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Study of Distribution Characteristicsof Narrowband and Wideband Reverberation in Space-time Domain

ZHANG Chunlei1HUANG Jinxing2WANG Benmeng3NIE Jing1WEIHongkai1
（1.Navy Engineering University，Wuhan 430033）
（2.No.31010 Troopsof PLA，Beijing 100081）
（3.No.92001 Troopsof PLA，Qingdao 266000）

The paper studies the space-time distribution characteristics ofnarrowband and wideband reverberation with different configuration of sonar array in space-time adaptive processing.The results show that the narrowband reverberation and target echo have distinguished characteristics in space-time plane，but thewideband reverberation and targetecho overlap in space-time plane due to the influence ofbandwidth.The validity ofanalytic result is verified by the simulated and trial reverberation data.

reverberation，space-time distribution，wideband signal

TB554

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.028

2017年3月7日，

2017年4月26日

張春雷，男，碩士研究生，助理研究員，研究方向：信息戰等。黃金星，男，工程師，研究方向：數據分析。王本猛，男，工程師，研究方向：實驗數據處理。聶晶，女，工程師，研究方向：計算機信息與數據分析。衛紅凱，男，講師，研究方向：水聲信號處理。