一種獵雷聲吶信號被動定向技術(shù)研究

趙冬艷

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

水雷是海戰(zhàn)中經(jīng)濟有效且隱蔽性很強的水中兵器，它不僅在抗登陸、封鎖作戰(zhàn)、切斷敵人海上交通、扼守海上要沖時可直接打擊敵艦船，而且可以在心理和精神上給敵人以強大威懾。獵雷聲吶是反水雷的關(guān)鍵裝備，它發(fā)射有規(guī)律的高頻脈沖聲波，用于探測與識別水雷，基本上探雷頻段在80～200 kHz頻率范圍，80 kHz、100 kHz頻率使用較多；識別頻段在200～500 kHz頻率范圍。確認水雷后，在獵雷聲吶引導(dǎo)下使用滅雷具清除水雷[1-5]。目前，水雷反獵主要采用欺騙手段被動反獵，如在雷體表面涂覆吸聲材料降低聲反射率。但是，一旦水雷被獵雷聲吶探測并識別，只有束手待斃。因此，迫切需要提高水雷的反獵功能。

自導(dǎo)反獵水雷采用被動聲自導(dǎo)方式，通過追蹤獵雷聲吶的聲探測波束進行被動聲自導(dǎo)，消滅獵雷聲吶或其載體。獵雷聲吶信號源級較高，達到190 dB左右，在獵雷聲吶工作頻段內(nèi)噪聲譜級低于30 dB。因此，接收的獵雷聲吶信號具有很高的信噪比，可達到50 dB以上。

獵雷聲吶在工作時，其發(fā)射脈沖信號覆蓋了很大的帶寬，從幾千赫茲到幾百千赫茲[6]。這樣寬的頻率范圍內(nèi)，沒有辦法像常規(guī)定向定位技術(shù)那樣采用半波長間隔布設(shè)水聽器陣列，當(dāng)陣元間距大于半波長時，兩基元接收信號的時延差往往遠大于信號周期，此時會產(chǎn)生相位模糊，進而導(dǎo)致嚴重的測向模糊。

本文利用獵雷聲吶信號的特征，采用自適應(yīng)notch濾波器估計信號的包絡(luò)、頻率、相位差。先檢測脈沖前沿，將兩路信號波形按前沿時刻對齊，再進行相位差估計的方法，即時延差與頻率粗測與相位差精測相結(jié)合的方法。此方法既可擺脫陣間距必須小于半波長的限制，又無需目標(biāo)合作，而且可適用于發(fā)射信號為變周期、調(diào)頻或跳頻信號的情形。

1 方位估計原理[7]

以平面四元陣為例，采用時延估計法來估計目標(biāo)方位。設(shè)平面四元陣4個陣元的坐標(biāo)分別為S1( d /2,0,0)、 S2(0,d / 2,0)、S 3 (-d / 2,0,0)、S 4 (0,- d /2,0)。

圖1 平面四元陣定向示意圖Fig.1 Schematic diagram of four-element planar array

聲源的方位角與俯仰角分別為φ和θ，則其方向矢量為 u =[sin θ cosφ,sin θ sin φ ,cosθ ]T，陣元3到陣元1、陣元4到陣元2的矢量分別為

考慮遠場平面波的情況，聲源到陣元間的聲程差為聲源的方向矢量在陣元間矢量上的投影，它們又分別等于時延差與聲速c之積。

2 自適應(yīng)Notch濾波器原理[8]

自適應(yīng) notch濾波器可估計信號的包絡(luò)和頻率，2個自適應(yīng)notch濾波器可組成相位估計器，工作原理如圖2。

圖2 自適應(yīng)notch濾波器原理圖Fig.2 Block diagram of adaptive notch filter

自適應(yīng)notch濾波器采用了2個正交（正弦和余弦）參考信號，自適應(yīng)運算采用LMS算法，通過自適應(yīng)算法計算出相應(yīng)的權(quán)值 Wc、Ws，所用迭代算法如下：

對于以被動方式工作的系統(tǒng)，可以通過 FFT等方法預(yù)先估計信號的頻率，作為參考信號頻率，然后通過自適應(yīng)方法以期獲得更精確的頻率估計。或者在帶寬范圍內(nèi)預(yù)置一中心頻率，并且中心頻率隨濾波的進行而自適應(yīng)調(diào)整，即參考信號中心頻率隨自適應(yīng)權(quán)值的輸出作實時調(diào)整。

一種有效的瞬時頻率估計方法是利用自適應(yīng)權(quán)值進行估計[9]：

3 方位估計

時延差方位估計原理框圖如圖3所示。

圖3 時延差估計原理框圖Fig.3 Functional block diagram of time delay estimation

本文采用先檢測脈沖前沿，即獲取時延差粗測值。將兩路信號波形按前沿時刻對齊，再進行相位差估計，即獲取時延差精測值。信號處理過程如下。

1）對4路水聽器接收的聲吶信號，進行帶通濾波；

2）對濾波后的信號進行包絡(luò)檢波，得到信號的包絡(luò)，對信號包絡(luò)進行過門限檢測；

3）如果信號包絡(luò)前沿超過門限，分別記錄下四路信號前沿時刻n1，n2，n3，n4。則 1路陣元與3路陣元的時延粗測值 n31=n3-n1。同理，2路陣元與4路陣元的時延粗測值 n42=n4-n2。

4）檢測到前沿后啟動鑒寬器，對前 1/5脈寬內(nèi)的數(shù)據(jù)進行FFT分析，估計信號頻率f。

5）從1/5脈寬開始到4/5脈寬時，保存數(shù)據(jù)用于計算相位差。把三路保存下來用于計算相位差的數(shù)據(jù)根據(jù)前沿時刻對齊，然后采用自適應(yīng)notch濾波器估計三路信號間相位差?31和?42，用相位差除以2πf得到時延修正值。

6）用時延粗測值加上時延修正值就得到時延精測值。根據(jù)各路之間的時延精測值，可以計算出脈沖信號的方向。

4 仿真數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上文提出的時延差估計方法，對頻率、相位差、時延差估計進行仿真。仿真條件為：CW脈沖信號中心頻率為10 kHz，信號脈寬為3 ms，采樣頻率為100 kHz，模擬產(chǎn)生4路模擬信號；通道3相對通道1的時延為0.3 ms，通道4相對通道2的時延為0.1 ms；信噪比為10 dB。采用上述方法仿真，仿真圖如圖4所示。

圖4 包絡(luò)、頻率估計輸出Fig.4 Envelope and frequency estimation

仿真估計出通道3相對通道1的時延為0.27 ms，通道4相對通道2的時延為0.09 ms。通過仿真可知，對于CW信號，測得的頻率估計為中心頻率。在采樣頻率不變的情況下，隨著信號頻率的增加，測頻的誤差也隨之增大。

實測數(shù)據(jù)某次海上試驗的數(shù)據(jù)，試驗采用平面四元陣，目標(biāo)是一條科研試驗船。海深大約200 m，水下測量平臺深度約150 m，試驗時海況約3級，海底為泥沙底質(zhì)。基陣布放在水下平臺上，目標(biāo)直線航行，由遠及近從平臺上方附近通過。水下平臺內(nèi)裝有數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，采集記錄基陣輸出信號，平臺回收后在計算機上處理數(shù)據(jù)。實測數(shù)據(jù)采用分段分析，與GPS對應(yīng)。中值濾波去跳變很大的野點。實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示。可以看出方位角的散步較小，大致符合理論分析結(jié)果。

圖5 方位角估計Fig.5 Azimuth estimation

圖6 濾波后的方位角估計Fig.6 Filtered azimuth estimation

圖7 方位角估計Fig.7 Azimuth estimation

實測數(shù)據(jù)某次湖上試驗的數(shù)據(jù)。試驗水域深度約35 m，獵雷具深度約水下2～3 m。試驗雷配置4元聲基陣，深度約水下 25 m。試驗船操控獵雷具前置航行，航速2～4 kn。中值濾波后的方位估計如圖8所示。方位估計連續(xù)，與GPS航跡基本相符，可用于指示目標(biāo)初始方位。

圖8 濾波后的方位角估計Fig.8 Filtered azimuth estimation

5 結(jié)束語

本文通過追蹤獵雷聲吶的聲探測波束進行被動聲自導(dǎo)，通過被動聲吶接收的非合作目標(biāo)發(fā)射的窄帶脈沖信號，本章提出了時延差粗測、自適應(yīng)頻率估計、自適應(yīng)相位估計等一系列時延差估計策略，此方法不僅對CW脈沖信號可測向，還可適用于調(diào)頻、跳頻信號，同時此方法也可用于主動聲吶系統(tǒng)的測向定位。