探测高速小目标的声纳信号波形设计

　　1　引言

　　用主动声纳探测水下高速航行的小目标,存在的主要难点在于目标尺度小而干扰背景很强。干扰背景主要包括界面混响和回波的起伏等。目标尺度小,不仅使其反射本领小,而且要求声纳采用高的工作频率以保证窄脉冲达到高的分辨率,这同时限制了探测作用距离。存在的干扰中,海面和海底的混响将目标回波淹没而难以检测到;而由声波的多径传播、传播中介质的不均匀性、目标的高速运动以及虚源的干涉等引起的回波的起伏效应,更使目标的检测变得困难。理论和经验证明,根据信道的特点合理选择发射信号的形式,使之与信道相适配,可抑制混响,减小回波起伏的干扰,提高对目标的检测能力。特别是对于这里讨论的高多普勒目标,可以充分利用它的这个特点,进行有效的信号设计,达到从干扰背景中检测到回波的目的。

　　2　混响背景的信号选择

　　2.1　基本考虑

　　进行信号选择的最终目的是为了对信号进行有效检测,我们从检测性能的分析入手。考虑检测指数d,对混响背景可表示为[1]:

　　其中Er表示接收信号的能量;Et表示发射信号的能量;φhh(ω,τ)是混响信道的散射函数;c′(ω,τ)是信号的归一化模糊度函数。

　　从式(1)看出,在混响信道中,如果增大发射信号的能量,尽管回波信号能量增加,但混响背景也增强了,目标检测性能并未提高。这时,改善信号混响比的唯一措施是进行有效的信号设计,使得信号的模糊度函数与混响信道的散射函数重叠部分越少,对目标的检测性能越高。

　　2.2　常用的两种信号抗混响性能分析

　　考虑声纳中常用的两种信号CW和LFM,其模糊度函数分别为:

　　式2,式3中的sinc函数(称抽样函数),sinc(x)=(sinx)/x。

　　通常,两种信号的模糊度函数与混响散射函数的重叠情况见图1(a)。可见,LFM信号的模糊度函数与混响信号的散射函数重叠较少,适应于混响信道的信号形式。

　　对于目标与声纳平台存在相对运动的情况,两种信号的回波存在多普勒频移,因此其模糊度函数中存在一个频移分量,与混响信道散射函数的重叠情况见图1(b)。由图可见,在这种情况下,LFM信号和短CW信号的模糊度函数与混响信道散射函数的重叠还会保持一部分,而若目标的回波的多普勒频移越高,或CW信号的脉宽越长,其模糊度函数与混响散射函数的重叠将几乎不存在。因此,对探测高速运动目标的情况,长CW脉冲是最合适的信号形式。事实上,窄带信号产生的混响的相关时间与信号脉宽相当,宽带信号产生的混响的时间相关半径小,因而容易将信号与混响分开。由于长CW信号的窄带特性,可以通过窄带滤波将高多普勒目标的回波信号从混响背景中检测出来,因此CW信号波形与检测高速目标相适应。LFM信号的主要优点是产生的混响相关半径小,信号与混响的模糊度函数的重叠少,因此LFM信号与检测低速目标相适应。