一種提升航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)檢測(cè)能力的方法

劉天華 王浩 劉黎力

（1.海軍駐宜昌地區(qū)軍事代表室，宜昌，443000；2.中船重工海聲科技有限公司，宜昌，443000）

飛行記錄器都配備有水下定位聲信標(biāo)系統(tǒng)，可連續(xù)發(fā)出一定頻率的周期脈沖信號(hào)，便于打撈人員在海洋中進(jìn)行搜尋[1]。由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，多途效應(yīng)明顯，航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)頻率高、衰減大，考慮到聲信標(biāo)的電池壽命因素和對(duì)失事飛機(jī)進(jìn)行搜索的緊迫性，研究航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的識(shí)別、并不斷提高對(duì)其檢測(cè)效率和擴(kuò)大對(duì)其檢測(cè)范圍是一項(xiàng)必不可少的工作[2]。本文分析了針對(duì)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的陣列處理技術(shù)和脈沖累積技術(shù)，將其應(yīng)用于航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的有效檢測(cè)，研究了上述方法對(duì)于航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的處理增益。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以提高航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的檢測(cè)增益，并且能穩(wěn)定進(jìn)行檢測(cè)。

1 航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的時(shí)頻分析

短時(shí)傅里葉變換是分析非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具，能夠刻畫瞬時(shí)頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律[3]。針對(duì)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的短脈寬特點(diǎn)，短時(shí)傅里葉變換方法具有算法簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效對(duì)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析。短時(shí)傅里葉變換的思想就是把局部平穩(wěn)化，即把長(zhǎng)的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程看成是一系列短時(shí)隨機(jī)平穩(wěn)信號(hào)的疊加。短時(shí)性可通過(guò)在時(shí)間上加窗口函數(shù)實(shí)現(xiàn)，即截取一部分源數(shù)據(jù)，使用時(shí)間窗口函數(shù)g( t-u)與一個(gè)平方可積的源信號(hào)f( t)相乘，實(shí)現(xiàn)在u附近的加窗口和平移，然后進(jìn)行傅里葉變換：

為了后續(xù)提取特征，還需要考慮時(shí)頻譜的頻率分辨力和時(shí)間分辨力。對(duì)于短時(shí)傅里葉變換，頻域分辨力越大，則傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)越多，但時(shí)間分辨力就會(huì)變??；若要增大時(shí)間分辨力，則要犧牲頻率分辨力[4]。由于航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)為單頻信號(hào)，且多普勒較小，因此在頻譜上能量較為集中，對(duì)頻率分辨力較為寬容。由于其脈寬僅為10 μs，因此時(shí)間分辨力至少要優(yōu)于10 μs，需要根據(jù)時(shí)間分辨力來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的選擇。

2 多周期航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的累積方法

2.1 功率譜累積

航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)在遠(yuǎn)距離情況下，傳播損失大，單個(gè)脈沖能量有限，不利于對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)前，對(duì)多個(gè)脈沖進(jìn)行累積，可提升信噪比[5]。由于航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的參數(shù)確定性，可以確保多周期的信號(hào)能量能夠按照某種方式進(jìn)行有效累積，而噪聲隨時(shí)間變化是不確定、完全隨機(jī)的，相較于其它信號(hào)累積的方法，噪聲能量的累積是低效率的。因此，通過(guò)對(duì)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的多周期相干累積，可以提高對(duì)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的檢測(cè)概率和探測(cè)距離。

假設(shè)第m個(gè)接收到的航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)包含目標(biāo)信號(hào)與噪聲：

式中，s( t)為航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)，nm(t)為第m個(gè)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)包含的非相關(guān)高斯白噪聲，則N個(gè)聲信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行累積可得

對(duì)多個(gè)周期的聲信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行相干累積，其目的是對(duì)各信號(hào)同相相加。若對(duì)N個(gè)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)進(jìn)行相干累積，則累積后的信號(hào)功率是單信號(hào)功率的N2倍，而噪聲是平均功率相加，累積后噪聲功率增加了N倍。因此累積后信號(hào)噪聲功率比增加了N倍，此為多周期航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)相干累積后所帶來(lái)的處理增益。

對(duì)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不僅應(yīng)關(guān)注中心頻率，還應(yīng)考慮其偏差頻帶內(nèi)的所有頻點(diǎn)，因此應(yīng)使用譜分析理論來(lái)代替窄帶濾波以達(dá)到對(duì)各頻點(diǎn)單獨(dú)檢測(cè)的目的。根據(jù)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的周期先驗(yàn)知識(shí)，通過(guò)搜索既定周期范圍的方式調(diào)整累加器的相位響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的同相位相加。圖 1給出了經(jīng)過(guò)上述方法處理后，對(duì)應(yīng)目標(biāo)方位波束、目標(biāo)頻率、目標(biāo)周期按不同相位補(bǔ)償后的相干累積效果。可以看到，經(jīng)過(guò)相干累積后，處理增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于累積前。

圖1 脈沖時(shí)刻提取

通過(guò)陣處理獲取空間增益，通過(guò)波束域功率譜的相干累積獲取時(shí)間增益，使信號(hào)能量在空間（方向）、時(shí)間（周期與出現(xiàn)時(shí)刻）、頻域（頻率）最大匹配點(diǎn)聚焦，形成亮點(diǎn)供檢測(cè)判決。這是多周期脈沖累積檢測(cè)的基本思想。

2.2 分裂波束互功率譜累積

理論上相干累積可以達(dá)到線性系統(tǒng)的最大增益，這是由于在累積過(guò)程中，對(duì)收發(fā)系統(tǒng)以及脈沖間隔都有著嚴(yán)格的相位對(duì)齊要求。因此基于多周期航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)功率譜累積方法，對(duì)周期穩(wěn)定的信號(hào)能獲得較高的相干累積增益。根據(jù)2.1節(jié)可知，10個(gè)脈沖相干累積后理論上可以獲得 10lg10即10 dB的增益，但其對(duì)周期隨機(jī)誤差的寬容性差，周期隨機(jī)誤差導(dǎo)致多脈沖累積時(shí)的相位誤差，由此獲得的多脈沖相干累積增益完全取決于在該時(shí)段內(nèi)多個(gè)聲信標(biāo)信號(hào)功率譜相位誤差的分布情況。

通過(guò)仿真計(jì)算，將脈沖周期加入一個(gè)滿足正態(tài)分布的隨機(jī)誤差，當(dāng)隨機(jī)誤差在300 μs時(shí)，通過(guò)初相位遍歷搜索，10個(gè)脈沖累積后仍能依靠誤差的正態(tài)分布特性獲得約3～8 dB的處理增益，但初相位遍歷的累積也同樣作用于非信號(hào)數(shù)據(jù)。在低信噪比輸入時(shí)，易形成高于目標(biāo)的功率譜累積峰值，導(dǎo)致大值搜索對(duì)象錯(cuò)誤，初相位瞄準(zhǔn)失敗，最終給出錯(cuò)誤的目標(biāo)參數(shù)信息，造成大概率漏報(bào)或虛警。因此，該方法在低信噪比輸入條件下的穩(wěn)健性不足。

基于多周期分裂波束互功率譜累積的處理方法是將搜索基陣分裂為兩個(gè)子陣，分別在觀測(cè)范圍內(nèi)預(yù)成波束，然后對(duì)同引導(dǎo)方位的兩個(gè)波束做互功率譜處理，所形成的波束互功率譜僅攜帶由兩個(gè)波束聲程差時(shí)延τ產(chǎn)生的相位信息：

對(duì)于短時(shí)間內(nèi)方位相對(duì)穩(wěn)定的目標(biāo)，聲程差也相對(duì)穩(wěn)定，故可進(jìn)行互功率譜的相干累積，獲得處理增益。按照以下目標(biāo)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行仿真分析：周期標(biāo)稱值1073.5 ms，各脈沖周期間存在最大300 μs的隨機(jī)誤差，頻率37.5 kHz，脈寬9 ms，輸入信噪比14 dB，進(jìn)行脈沖累積處理。仿真處理結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 周期輸出

圖3 頻率輸出

圖4 聲信標(biāo)信號(hào)時(shí)刻輸出

經(jīng)仿真分析，基于多周期分裂波束互功率譜累積的處理方法能夠獲得較穩(wěn)定的能量峰值，便于確認(rèn)目標(biāo)的頻率、周期與信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻等信息，其特征歷程在14 dB的輸入信噪比條件下，仍能較好的支持人工輔助判別。此方法三個(gè)維度的特征歷程圖特征顯著，能有效支撐人工輔助判別信號(hào)有無(wú)。

3 湖上試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)上述脈沖累積方法，進(jìn)行湖上試驗(yàn)驗(yàn)證。水下聲接收系統(tǒng)采用 24個(gè)水聽器組成的線列陣，布放在水下30 m的深度。分別在距離線列陣中心140 m處，布放發(fā)射頻率為37.5 kHz、周期為標(biāo)準(zhǔn)1 s的聲源以及發(fā)射頻率為37.7 kHz、周期隨機(jī)偏差在1 ms左右的航空聲信標(biāo)。計(jì)算該處理方法對(duì)于上述發(fā)射信號(hào)所能獲得的累積處理增益，并分析評(píng)估航空聲信標(biāo)周期隨機(jī)誤差對(duì)累積處理增益的影響。按照上述處理方法，對(duì)聲源和航空聲信標(biāo)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行特征提取與分析，結(jié)果如圖 5～8所示。分別計(jì)算各種方法提取特征的信噪比，從而分析評(píng)估處理增益的效果。

圖5 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)1 s周期37.5 kHz信號(hào)特征提取結(jié)果

圖6 提取的標(biāo)準(zhǔn)1 s周期37.5 kHz信號(hào)的功率譜特征

圖7 對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)周期的航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)特征提取結(jié)果

圖8 提取的非標(biāo)準(zhǔn)周期的航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的功率譜特征

根據(jù)圖5～8結(jié)果可以看出，多周期航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)功率譜相干累積方法對(duì)信號(hào)功率的累積高度依賴于航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的周期精度，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)周期信號(hào)，累積輸出的信號(hào)功率損失較小，獲得了接近于理論分析的8 dB增益，其對(duì)背景的抑制效果優(yōu)于多周期分裂波束互功率譜累積；而針對(duì)具有隨機(jī)周期誤差的航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)，多周期功率譜相干累積處理雖然抑制了背景，但該方法基于等周期窗提取多個(gè)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的全陣波束功率譜進(jìn)行相干累積，會(huì)因周期的隨機(jī)性使得提取的航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)具有不同的初相位，由此造成信號(hào)相干累積損失，此次試驗(yàn)中損失約為5 dB。多周期航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)分裂波束互功率譜累積的方法仍然獲得了時(shí)間累積增益，可以穩(wěn)定在 5 dB。所以多周期航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)分裂波束互功率譜累積的特征提取方法更為穩(wěn)健，能夠?qū)捜莸倪m應(yīng)不同的航空聲信標(biāo)個(gè)體以及不同的使用工況，穩(wěn)定獲取時(shí)間增益。

4 結(jié)論

本文提出了一種利用接收基陣分裂波束互功率譜累積的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的檢測(cè)，通過(guò)仿真與湖上試驗(yàn)證實(shí)，此方法對(duì)航空聲信標(biāo)脈沖信號(hào)的隨機(jī)周期誤差寬容性較高，能夠獲取比較穩(wěn)定的檢測(cè)增益，這對(duì)于航空聲信標(biāo)的搜索具有較高的應(yīng)用價(jià)值。