張春雷 黃金星 王本猛 聶 晶 衛(wèi)紅凱

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

空時(shí)域?qū)捳瓗Щ祉懛植继匦匝芯?

張春雷1黃金星2王本猛3聶 晶1衛(wèi)紅凱1

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

研究了不同陣型配置下空時(shí)自適應(yīng)處理中窄帶混響和寬帶混響在空時(shí)平面上的分布特征。結(jié)果表明：窄帶體制下，帶寬小，混響和目標(biāo)有可分辨特征，寬帶體制下，帶寬影響不可忽視，混響和目標(biāo)在空時(shí)平面部分重疊，難以分辨。通過(guò)實(shí)測(cè)和仿真寬帶混響數(shù)據(jù)驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。

混響；空時(shí)分布；寬帶信號(hào)

ClassNum ber TB554

1 引言

為了對(duì)抗安靜型隱身潛艇，現(xiàn)代主動(dòng)聲納技術(shù)普遍向低頻、寬帶、大功率方向發(fā)展［1］，這在提高聲納探測(cè)距離的同時(shí)，也使得主動(dòng)聲納的特有干擾—混響背景增強(qiáng)?；祉懪c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，難以分辨，難以分離，使得傳統(tǒng)的時(shí)、頻域混響抑制方法效果不佳。

空時(shí)自適應(yīng)處理（space-timeadaptive processing，STAP）［2～12］是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新的窄帶混響抑制方法，該方法利用，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（窄帶體制下，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(lái)抑制混響。寬帶體制下，寬帶混響和窄帶混響的空時(shí)分布特性有無(wú)差異？寬帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面是否有可分辨特征？本文對(duì)此進(jìn)行了研究。研究結(jié)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(biāo)在空時(shí)分布平面部分重疊，難以分辨，傳統(tǒng)的空時(shí)自適應(yīng)處理方法效果不佳。

2 混響和目標(biāo)空時(shí)可分辨特征研究

窄帶可以看成是寬帶的特例，對(duì)窄帶混響空時(shí)特性的研究有助于理解寬帶混響的空時(shí)分布特性，首先研究窄帶混響和目標(biāo)空時(shí)分布特征。

2.1 窄帶混響和目標(biāo)空時(shí)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(diǎn)，陣列軸向?yàn)閄軸，其所在水平面為XOY平面，建立直角坐標(biāo)系。陣列以速度V運(yùn)動(dòng)，陣列軸線與基陣運(yùn)動(dòng)方向的夾角為δ（由聲納在載體平臺(tái)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(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(fā)射信號(hào)頻率，c為水中聲速。利用圖中各角度間的幾何關(guān)系，經(jīng)整理后有：

式（2）給出了混響多普勒頻率與α、δ、φ之間的關(guān)系。

圖1 陣列及散射元空間位置圖

根據(jù)不同使用場(chǎng)合和目的，典型的聲納基陣配置角度δ主要包括：正側(cè)視聲納（δ=0°），舷側(cè)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(dǎo)聲納等，下面分別進(jìn)行分析。

正側(cè)視陣時(shí)，式（2）可化簡(jiǎn)為如下形式：

參量設(shè)定為：發(fā)射信號(hào)頻率 f0=750 Hz，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為10節(jié)，目標(biāo)徑向速度為20節(jié)，空間方位40°，則正側(cè)視陣聲納配置下混響和目標(biāo)空時(shí)分布如圖2所示。

前視陣時(shí)，式（2）可化簡(jiǎn)為如下形式：

參量設(shè)定與正側(cè)視陣一致，則前視陣聲納配置下混響和目標(biāo)空時(shí)分布如圖3所示。

由圖2、3可見(jiàn)，混響的空時(shí)分布與聲納陣型配置有關(guān)，正側(cè)視陣配置下，混響空時(shí)曲線為直線，目標(biāo)為空時(shí)平面上一點(diǎn)，前視陣配置下，混響空時(shí)曲線為橢圓，目標(biāo)為空時(shí)平面上一點(diǎn)，混響和目標(biāo)在空時(shí)平面有可分辨特征，利用STAP可抑制混響。

圖2 正側(cè)視聲納配置下窄帶混響和目標(biāo)空時(shí)分布

圖3 前視聲納配置下窄帶混響和目標(biāo)空時(shí)分布

2.2 寬帶混響和目標(biāo)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(hào)頻譜。為了便于研究寬帶體制下混響的空時(shí)分布，在信號(hào)帶寬內(nèi)取 M 個(gè)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(duì)于窄帶混響，M=1（取f0=f11），以中心頻率 f0為基準(zhǔn)對(duì)混響頻譜進(jìn)行搬移，混響譜表現(xiàn)為混響的多普勒頻移。對(duì)于寬帶混響，M＞1，此時(shí)對(duì)混響進(jìn)行頻譜搬移，無(wú)法找到某一參考頻率，能夠同時(shí)將各子帶中心頻率搬移到零頻。即各能同時(shí)為零。因此，寬帶混響譜不僅包含多普勒頻移也包括信號(hào)帶寬內(nèi)的頻點(diǎn)。

圖4 寬帶信號(hào)頻譜示意圖

討論正側(cè)視陣聲納配置下，寬帶混響和目標(biāo)在空時(shí)二維平面分布，此時(shí) fdm為

設(shè)發(fā)射信號(hào)帶寬為200Hz，其余參數(shù)與圖2相同，以信號(hào)初始頻率 f1=650 Hz為第一個(gè)采樣頻點(diǎn)，間隔5 Hz對(duì)信號(hào)頻譜取樣，此時(shí)寬帶混響和目標(biāo)空時(shí)分布如圖5所示。

圖5 正側(cè)視聲納配置下寬帶混響和目標(biāo)空時(shí)分布

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

圖6 前側(cè)視聲納配置下寬帶混響和目標(biāo)空時(shí)分布

由圖5、6可見(jiàn)，不同陣型配置下，混響的空時(shí)分布不同。正側(cè)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(nèi)各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大多普勒倒數(shù)，且隨頻點(diǎn)增大而減小。各不同斜率斜線的疊加使寬帶混響在空時(shí)平面分布由窄帶情況下的斜線變?yōu)樘菪涡睅В箤拵Щ祉懞湍繕?biāo)在空時(shí)平面部分重疊。前側(cè)視陣情況下，寬帶混響中不同譜線對(duì)應(yīng)不同的半橢圓，在空時(shí)平面表現(xiàn)為一系列長(zhǎng)半軸逐漸增大，短半軸長(zhǎng)度固定，橢圓中心逐漸增大的不規(guī)則正瓦片狀，使寬帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面部分重疊。重疊程度與信號(hào)中心頻率、帶寬、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度、目標(biāo)方位、目標(biāo)徑向速度等因素有關(guān)，實(shí)際中，應(yīng)該根據(jù)具體情況分析。本節(jié)參數(shù)設(shè)置下，約94%的信號(hào)頻段與混響譜重疊。

因此，寬帶體制下，混響和目標(biāo)在空時(shí)平面無(wú)可分辨特征，傳統(tǒng)STAP效果不佳。

3 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

下面以正側(cè)視陣配置下仿真和實(shí)測(cè)寬帶混響和目標(biāo)的空時(shí)分布來(lái)驗(yàn)證本文前述的理論分析。

仿真混響相關(guān)參數(shù)設(shè)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(zhì)，三級(jí)海況。發(fā)射信號(hào)中心頻率 f0=750Hz，帶寬 B=200Hz，脈寬T=432ms。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度10節(jié)，目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度25節(jié)，目標(biāo)方位60°。

圖4所示為仿真寬帶混響和目標(biāo)的空時(shí)分布。

圖7 正側(cè)視陣時(shí)仿真寬帶混響和目標(biāo)空時(shí)分布

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

實(shí)測(cè)海試數(shù)據(jù)來(lái)源于三亞某海區(qū)。圖8所示為實(shí)測(cè)寬帶混響和目標(biāo)的空時(shí)平面分布圖。從圖中可以看出，實(shí)測(cè)寬帶混響在空時(shí)平面分布范圍大，與目標(biāo)重合程度高，與仿真寬帶混響一致。

圖8 正側(cè)視陣時(shí)實(shí)測(cè)寬帶混響和目標(biāo)空時(shí)分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)推導(dǎo)分析了和比較了寬/窄帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面可分辨特征，結(jié)果表明：不同于窄帶體制下，空時(shí)平面上混響和目標(biāo)有可分辨特征，寬帶體制下，受帶寬影響，寬帶混響和目標(biāo)在空時(shí)平面部分重疊。重疊程度與信號(hào)中心頻率、帶寬、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度、目標(biāo)方位、目標(biāo)徑向速度等因素有關(guān)，使傳統(tǒng)的STAP處理效果不佳。最后，通過(guò)實(shí)測(cè)和仿真寬帶混響數(shù)據(jù)驗(yàn)證了分析的正確性。

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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(zhàn)等。黃金星，男，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)分析。王本猛，男，工程師，研究方向：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。聶晶，女，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)信息與數(shù)據(jù)分析。衛(wèi)紅凱，男，講師，研究方向：水聲信號(hào)處理。