一種擴頻水聲信號抗多普勒方法?

李 帥

（91388部隊41分隊 湛江 524022）

1 引言

適用于水聲對抗研練的低截獲信號一般具有寬帶寬、長時寬、低聲源級的特點，是一種大時間帶寬信號［1～3］；在實際應用中，由于大時間帶寬信號運算量大，導致其應用范圍有限。近年來，處理器速度的進步使在輕便式運算平臺上進行大規模運算成為可能。擴頻信號具有較好的低截獲性和檢測能力［4］，能在有效提高測量范圍的同時增強合作目標的隱蔽性，是一種相對理想的低截獲信號；不足之處是其抗多普勒能力較弱。因而，研究增強擴頻信號抗多普勒能力方法，充分發揮其低截獲性和高檢測能力在水聲對抗研練等領域的優勢，具有重大的現實意義與作戰意義。

2 方法分析與設計

收發平臺的相對運動會導致明顯的水聲信道多普勒效應。多普勒效應會引起接收信號頻率的偏移，雖然相關器是最大輸出信噪比準則下的最優估計器，但是相關對兩個信號的頻率失配是敏感的，目標運動的多普勒效應會引起較強的相關損失。兩路接收信號之間有多普勒系數差，對其中一路在時域上進行壓縮（或拉伸），當剛好補償多普勒系數差時，相關峰能量達到最大值［5～9］。

多普勒效應對信號相關運算產生影響，積分時間超過多普勒容限將導致相關損失。下面分析多普勒效應對拷貝相關的影響。

以Gold 碼為例，由于Gold 碼是一個偽隨機碼，其相關特性與白噪聲類似，根據信號的時間相關半徑為信號相關載頻的1/4 波長，給出信號相關處理的多普勒容限不等式［10～11］:

v為目標速度，c為聲速，f0為信號中心頻率，Ts為積分時間。

利用公式可以確定多普勒容限或多普勒適配通道數目。以f0=5kHz 情況為例，取c=1500m/s且最大相對運動速度v=±10kn，由式（4）計算相關積分時間的多普勒容限為Ts≤15ms。如果實際系統規定Ts=200ms，與容限的比值約為N≈13，那么至少需要設置N-2=11 個多普勒適配通道。當目標徑向運動速度在±10kn 范圍內變化時，總會有某一通道滿足多普勒適配條件，而其它通道或多或少造成失配損失。

信號多普勒效應的仿真模擬與測試，主要基于頻域表述。當以數字化采樣頻率fs構造原始輻射信號后，再以頻率f′s進行采樣，即可變換成多普勒信號，用數學公式表述為［12］

該式作為信號多普勒仿真模擬方法的基本依據。

圖1 多普勒效應對相關性的影響

多普勒補償問題本質上是變采樣的問題。對多普勒因子的估計問題，可以通過發送已知的信號，通過測量信號某個觀測量的改變來進行，在時域上測量信號的壓縮或拉伸率，在頻域上測量頻偏。

圖2 多個相關器的多普勒估計

實際中，我們只需要在可能的多普勒頻移范圍內尋找，這個范圍是由最大相對速度和聲速決定的，這種尋找方式如圖2 所示，采用多個相關器（用不同的多普勒頻移信號）對輸入信號進行相關處理，用具有最大相關峰值的相關器來估計多普勒頻移。顯然此方法運算量太大，對處理器的速度要求較高。

3 方法仿真與驗證

在調試聲信號源時，采集到的數據與拷貝信號之間存在一定的頻差，從而也造成了類似的多普勒效應，使得采集的數據與拷貝信號數據的相關性下降很厲害。圖3給出沒有經過多普勒補償的擴頻信號、線性調頻信號和帶限白噪聲信號直接與相應的拷貝信號做相關的結果。從仿真結果上看，線性調頻信號的抗多普勒能力較強，相關峰值比較明顯，而擴頻信號和帶限白噪聲由于其多普勒容限較低，受多普勒的影響較大，已經無法形成明顯的相關峰。

圖3 采集數據直接與原始信號相關的結果

圖4 給出了將采集數據與多通道多普勒的擴頻信號分別做相關，然后取出各通道的相關峰做比較，選取相關峰最大的相關結果作為最終的相關輸出，從圖中可以看出相關峰值明顯，具有較高的增益。

圖4 多普勒補償結果

圖5 為海上實時測量過程中的截圖。信號的實時監測中，聲源以183dB 源級發射，經多通道多普勒匹配補償后水聽器接收信號情況較為穩定、連續。

圖5 單水聽器檢測信號截圖

4 結語

本文設計的多相關器多普勒補償方法能有效彌補多普勒效應引起的相關損失，為擴頻信號等大時間帶寬低截獲信號在水聲對抗研練等領域的應用提供了可能，具有較大的現實意義和應用前景?？紤]到用于遠程檢測的低截獲信號多屬于大時間帶寬信號，其多普勒容限較小，在進行信號檢測時需要劃分更多的多普勒通道；因此，采用低截獲信號作為信標的水下目標，其航速不能過快，在多普勒通道設計和實際信標平臺航速設計方面要統籌考慮。