靈巧噪聲干擾在水聲對抗中的應用研究

徐復 鄭麗莉

（上海船舶電子設備研究所，上海，201108）

在線性系統(tǒng)條件下，匹配濾波技術(shù)是主動聲吶的最優(yōu)檢測器[1]，是現(xiàn)代聲吶常用的技術(shù)手段。為了進一步提高水聲對抗性能，現(xiàn)代聲吶還廣泛使用脈沖壓縮技術(shù)提高對抗性能，將分布在時域和頻域的信號能量壓縮到一起，對于白噪聲干擾而言，該方法在輸出端具有最大處理增益。

通常對聲吶的有源干擾方法大致可分為壓制式干擾和欺騙式干擾，1999年國際著名電子戰(zhàn)專家斯萊赫提出了靈巧噪聲干擾的概念，2011年國內(nèi)有學者對靈巧噪聲的概念做了進一步的解讀和分析[2-3]，指出“靈巧噪聲干擾的本質(zhì)含義是使干擾由多個分量組成，并且使干擾中的每一個分量的頻譜都與雷達發(fā)射信號的頻譜相同，從而使干擾中的每一個分量的功率利用效率都達到最大”?；诖烁拍?，在水聲對抗中可以通過優(yōu)化干擾噪聲形式的設計，提升干擾效率。

1 問題機理

1.1 脈沖壓縮技術(shù)的基本原理

脈沖壓縮技術(shù)是現(xiàn)代聲吶中最常用的技術(shù)之一，用于潛在目標的檢測，其本質(zhì)是脈內(nèi)相干技術(shù)在信號波形中的應用，不是單純的頻域濾波,而是通過濾除回波中的非相干部分獲得抗干擾能力。

線形調(diào)頻脈沖壓縮目前仍是實現(xiàn)脈沖壓縮的最主要方法之一，其數(shù)學表達式為

經(jīng)匹配濾波器后，輸出為

輸出峰值為T，同單頻信號一樣反映了輸入信號的能量，當t- T 2 = 1 B 時， s ( t）的包絡到達第一個零點，而當t- T 2 = 1 2B 時，峰值高度降低為2Tπ。若定義此時包絡寬度為脈沖寬度，則脈寬為1 B，而原脈寬為 T，故脈沖寬度被壓縮了BT 倍[4]。

1.2 干擾對抗的基本原理

壓制式干擾常用于噪聲干擾器，這是一種以頻率覆蓋水聲設備的接收通頻帶、以功率掩蓋目標回波的壓制性干擾器材。欺騙式干擾常用于聲誘餌，一種通過產(chǎn)生和魚雷攻擊目標（如潛艇等）特征相似的聲信號誘使魚雷向自己攻擊而錯失真正目標，達到以較小的代價避免更大損失的效果[5]。

壓制式干擾是通過發(fā)射噪聲降低聲吶接收端的輸入信噪比來影響其探測性能的，傳統(tǒng)的壓制式干擾使用的是連續(xù)隨機噪聲，與聲吶信號是不相關的。優(yōu)點是連續(xù)性好，能量分布隨機性強；缺點是經(jīng)過脈沖壓縮技術(shù)處理后，干擾效能會明顯降低。欺騙式干擾使用的是經(jīng)過處理的拷貝信號，與聲吶使用的脈沖是相干的，基于誘騙式干擾的思路，其在聲吶的一個探測周期內(nèi)形成的目標是有限的。

靈巧噪聲干擾技術(shù)可同時產(chǎn)生遮蓋干擾和欺騙干擾的效果，它的信號形式可根據(jù)干擾對象靈活變化，并與聲吶發(fā)射信號相匹配，使干擾可以獲得較大的相參積累增益，提高可利用的干擾能量。通常認為，假目標的數(shù)量達到一定的數(shù)量級時，可同時具備干擾和欺騙雙重效果[6-8]。

2 靈巧噪聲干擾性能分析

2.1 靈巧噪聲設計方法

傳統(tǒng)的欺騙干擾產(chǎn)生的假目標數(shù)量少，難以形成壓制效果，靈巧噪聲干擾可令匹配濾波器的輸出產(chǎn)生多個干擾峰，影響聲吶對目標的檢測和識別，文獻[2]中給出了簡化后輸出的數(shù)學模型：

式中，δ()表示沖擊函數(shù)，n表示脈沖編號，m表示在一個脈沖周期內(nèi)干擾峰編號。

靈巧噪聲的常見設計方法有脈沖前沿復制法、脈沖延遲疊加法以及脈沖移頻法[9-10]。前沿復制法是將檢測到的脈沖前沿復制后連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，在聲吶接收機的處理輸出中形成多個偽峰，因轉(zhuǎn)發(fā)的本身是探測脈沖的片段，因此也會獲得聲吶的信號處理增益。該方法的好處是干擾反應快速，實現(xiàn)簡單，但若聲吶具備對回波信號的頻率特征進行識別的算法，則可對干擾進行有效的排除。

脈沖延遲疊加法是對接收到的探測脈沖信號按照重疊方式相加，再經(jīng)調(diào)制后形成干擾噪聲，其具體算法為

脈沖延遲疊加法產(chǎn)生的干擾噪聲不會因聲吶對回波信號的頻率特征進行識別而被排除。但因為調(diào)頻脈沖是有規(guī)信號，存在兩個信號互相疊加后產(chǎn)生相位抵消的現(xiàn)象，使最終產(chǎn)生的偽峰與設計的幅度不一致。且發(fā)射機在輸出時可接受的最大幅值是受限的，對隨機延時的疊加在實現(xiàn)時存在一個隨機偽峰強度的設計問題。該問題可通過對延時的精確設計得到改善，但同時會影響偽峰間的延遲隨機性。

脈沖移頻法是對接收到的探測脈沖信號進行移頻處理，形成時域上的多個偽峰。移頻后，回波相當于疊加了一個多普勒頻偏Δf，與拷貝信號仍然是相關的，但對聲吶處理會相應地產(chǎn)生一個延時：

如果 c os(ω t）作為調(diào)制信號，則產(chǎn)生的頻移會形成正負兩部分，經(jīng)聲吶匹配濾波處理后會形成兩個偽峰。本方法產(chǎn)生偽峰的靈活性相較其他方法更高，但對移出聲吶處理頻段外的信號部分功率無法成為有效干擾。

2.2 對比白噪聲干擾性能分析

靈巧噪聲與白噪聲不同，可獲得與拷貝信號相同的增益，對于白噪聲干擾，匹配濾波器可獲得的處理增益為10×lg(BT)，使用靈巧噪聲干擾對匹配濾波器的影響分析如下。

對于前沿復制法產(chǎn)生的靈巧噪聲，復制的只有信號的部分片段。對于線性調(diào)頻信號，設復制的片段為原始信號的 1/N，靈巧噪聲可獲得的相關增益為 10×lg(BT/N2)，即信號分割后，會同時損失時域和頻域的增益。

對于脈沖延遲疊加法產(chǎn)生的干擾噪聲，在信號脈寬T內(nèi)若存在多個偽峰，則偽峰的增益理論上不大于10×lg(BT/N)，實際上則是干擾信號之間的相干性互相抵消，造成更多的損失。

對于脈沖移頻法產(chǎn)生的靈巧噪聲，若移頻產(chǎn)生的干擾分量為N，則每個分量產(chǎn)生的總能量為1/N，考慮到移出信號帶寬的部分，相關處理后還會有部分能量損失，但聲吶通常會針對多普勒現(xiàn)象進行處理，因此本方法在固定的片段內(nèi)可產(chǎn)生多個偽峰且效率相對較高。

2.3 連續(xù)靈巧噪聲干擾在水聲對抗中的應用

基于以上三種常用方法的分析，結(jié)合干擾偽峰設計的靈活性、持續(xù)性以及干擾效能損失等方面問題，我們設計一種對探測聲吶進行干擾的噪聲，步驟如下：

● 在時域?qū)⒏蓴_信號分割為多個片段，每個片段的長度等于信號的脈寬。

● 為每個干擾噪聲片段中填充拷貝信號的樣本，獲得中間過程的噪聲樣本，見式（6）。式中T為信號樣本脈寬，k為正整數(shù)。

● 對每段樣本做移頻處理，每次與實信號相乘可獲得兩個頻率分量，對每個片段的信號樣本做移頻的次數(shù)和頻率值均隨機產(chǎn)生，見式（7）。式中，N為移頻次數(shù)，iω為移頻的角頻率。

● 對產(chǎn)生的干擾噪聲樣本進行濾波，然后做歸一化處理，控制輸出信號的功率均在工作頻帶內(nèi)。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.1 與白噪聲對比

設計聲吶脈沖信號為線性調(diào)頻信號，中心頻率為1 kHz，脈寬為0.8 s，帶寬為800 Hz；設計靈巧噪聲在每個片段內(nèi)通過移頻處理獲得8個偽峰，共2個片段；對比在相同信噪比條件下的匹配處理輸出如圖1、2所示。

圖1 靈巧噪聲經(jīng)匹配濾波處理后的輸出

圖2 白噪聲經(jīng)匹配濾波處理后的輸出

圖中結(jié)果已經(jīng)對總功率做歸一化處理，經(jīng)對比可明顯看出靈巧噪聲進入匹配濾波器的偽峰比白噪聲高10 dB左右，若減少偽峰數(shù)量，匹配濾波后的偽峰功率還會進一步增加。調(diào)整聲吶信號的帶寬為400 Hz，重新產(chǎn)生靈巧噪聲并做匹配濾波處理，結(jié)果如圖3所示。

圖3 靈巧噪聲匹配濾波后輸出（帶寬400 Hz，脈寬0.8 s）

圖3與圖1圖相比，兩次匹配濾波的輸出結(jié)果是一樣的；圖4與圖1相比，偽峰的量級沒有改變，但在時域上的密度增加了一倍。結(jié)果說明相比拷貝信號獲得的增益，靈巧噪聲對任意帶寬的信號可獲得的增益是相同的，但不同脈寬的信號可以影響靈巧噪聲產(chǎn)生偽峰的密度。

圖4 靈巧噪聲匹配濾波后輸出（帶寬800 Hz，脈寬0.4 s）

3.2 與前沿復制法產(chǎn)生的噪聲對比

前沿復制法產(chǎn)生的噪聲同樣在接收機端獲得信號處理增益，如2.2節(jié)中所述，但其致命弱點是包含的信息不完整，其頻率分布集中在某個小區(qū)域，若在接收機端對接收信號的頻譜進行分析，真實回波是容易從偽峰中分辨出來的，如圖5所示。

圖5 頻譜對比

3.3 與延遲疊加法產(chǎn)生的噪聲對比

延遲疊加法的主要問題是產(chǎn)生的延時和偽峰強度的隨機性設計。其他兩個方法，在確定了最大輸出幅值后可簡單實現(xiàn)，延時疊加法在對信號處理后，信號幅度必然會產(chǎn)生變化，因此多了一個計算環(huán)節(jié)，對算法的要求高于其他兩個方法。

3.4 與脈沖移頻法產(chǎn)生的噪聲對比

本文方法是基于脈沖移頻法的改進，在最后一步經(jīng)過濾波后歸一化，提升了帶內(nèi)的有效功率。采用相同的參數(shù)對拷貝信號進行移頻，圖6采用的是脈沖移頻法，圖7采用的是改進的方法，可以看出，改進后的偽峰能量更強，具體提升效果與設計的移頻頻率有關。

圖6 脈沖移頻法產(chǎn)生的偽峰

圖7 改進的方法產(chǎn)生的偽峰

4 結(jié)論

本文以水聲對抗為背景，針對聲吶探測目標時使用的線性調(diào)頻信號，提出了一種基于靈巧噪聲理論進行干擾的方法。靈巧噪聲在聲吶信號處理過程中可得到與聲吶探測脈沖相同的增益，通過匹配濾波器的能量明顯優(yōu)于白噪聲的干擾效果。經(jīng)仿真驗證，針對使用匹配濾波技術(shù)的聲吶處理方法，可有效提升干擾效能。