CN103023582B - 一种水声扩频通信对抗方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水声扩频通信对抗系统，包括圆柱形外壳及分别封装在外壳中的浮力调制器、电源、电子设备、换能器；浮力调制器设于外壳内腔的最上方，用于保持系统在水中基本呈竖直状态，并使系统保持在预定深度上；换能器接收水声信号辐射干扰信号，将接收到的信号送入电子设备；电子设备将接收到的目标信号进行数据处理，采集特征值，产生最佳干扰信号。此系统可在对直扩信号准确检测、参数估计和解扩的基础上，采用相干干扰方式，以最小的功率达到有效干扰的目的，克服现有器材的不足和空缺。本发明还公开一种基于前述系统的水声扩频通信对抗方法。

Description

一种水声扩频通信对抗方法与系统

技术领域

本发明属于水下通信对抗领域，特别涉及一种水声扩频通信对抗方法与系统设计，可以实现直扩信号的截获、参数估计和精确的目标干扰。

背景技术

目前，常规水声对抗器材主要包括气幕弹、噪声干扰器、声诱饵、噪声模拟器等。如，美国开发的AN/QLB-4型高频干扰器、AN/QLB-6型悬浮式高频回声重发器、AN/QLB-8型潜艇噪声模拟器、AN/QLB-9型自航式声诱饵等。这些水声对抗器材主要是用于诱骗、干扰敌方声纳和声自导鱼雷的探测，从而免受敌方的鱼雷攻击。

近年来，随着水下通信技术的快速发展，潜艇之间、母舰与潜艇之间或其它水下无人作战平台之间的水下通信不断增多，同时在水下航行器监测和导航以及水雷的远程声遥控等领域水下通信技术的应用也在不断增多，因而针对水声通信的对抗技术引起了国内外专家的广泛研究，但是其相应的水声通信对抗器材鲜少问世。

直扩信号利用伪随机码扩展频谱并隐藏在噪声功率下，具有良好的隐蔽和抗截获特性，给信号的检测、盲估计和盲解扩带来困难。目前针对直扩信号的干扰主要采用的是高斯白噪声调制的大功率压制式干扰，这种干扰不需要了解太多的目标信号信息，甚至在只知道直扩信号分布频段的基础上就可以进行，但是，这种干扰对自身的声纳系统同样具有干扰作用，使其没有能力对敌方继续进行有效的观测，同时干扰的功率利用率低。

基于以上分析，本发明人针对现有的通信对抗技术进行研究改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种水声扩频通信对抗方法与系统，其可在对直扩信号准确检测、参数估计和解扩的基础上，采用相干干扰方式，以最小的功率达到有效干扰的目的，克服现有器材的不足和空缺。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种水声扩频通信对抗系统，包括圆柱形外壳及分别封装在外壳中的浮力调制器、电源、电子设备、换能器；

电源包括蓄电池和海水电池两类，其中，蓄电池为电子设备供电，海水电池为浮力调制器和换能器供电；

浮力调制器设于外壳内腔的最上方，用于保持系统在水中基本呈竖直状态，并使系统保持在预定深度上；

换能器接收水声信号辐射干扰信号，将接收到的信号送入电子设备；

电子设备包括侦察模块、控制模块和干扰模块，其中，侦察模块的输入端连接换能器，将接收到的目标信号进行数据处理，采集特征值，送入控制模块；

控制模块的输出端连接干扰模块，根据前述特征值控制干扰模块产生最佳干扰信号。

一种水声扩频通信对抗方法，包括如下步骤：

（1）对接收到的信号进行功率谱估计，利用信号谱特征判断目标信号是否存在，若存在，转步骤（2），若不存在，重复步骤（1）；

（2）利用谱特征对载频进行粗估计，然后以估计的载频为中心频率进行带通滤波，得到信号的基带信号；

（3）对得到的基带信号利用时域相关检测法再进行扩频信号检测，若目标信号存在，进入步骤（4），否则返回步骤（1）；

（4）对基带信号进行时域相关检测，根据谱特征估计出扩频码周期和信息码速率，然后对自相关函数进行平方处理，对载频再进行一次精估计和估计出扩频码速率，同时进行时间判断，若所述精估计超过规定时间，则采取压制干扰方式对信号进行干扰，若未超过规定时间，进入步骤（5）；

（5）根据码速率重新采样，以随机值为起点按扩频码周期进行分段以形成连续多个向量，采用特征向量法估计出扩频码序列；

（6）若所有扩频信号参数的检测在规定时间内完成，则把得到扩频码调制到干扰信号上去，采用相干检测方式对信号进行精确干扰。

采用上述方案后，本发明的有益效果在于不同于以往的采用高斯白噪声调制的大功率压制式干扰器，提供压制式干扰和相干式干扰两种方式，设置信号检测时间门限，根据规定时间内已获得的信号参数情况，机动灵活地选择干扰方式，提高了干扰效果的同时，不影响检测的效率。

附图说明

图1是本发明水声扩频通信对抗系统的结构示意图；

图2是本发明水声扩频通信对抗系统中电子设备的整体架构图；

图3是图3是本发明水声扩频通信对抗系统的功能原理图；

图4是本发明水声扩频通信对抗系统方法的流程图；

图5是本发明水声扩频通信对抗系统的电路示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

首先配合图1所示，本发明提供一种水声扩频通信对抗系统，包括圆柱形外壳及分别封装在外壳中的浮力调制器、电源、电子设备、换能器，下面分别介绍。

换能器作为能量转换器件，用于进行声电信号转换，其作用是接收水声信号辐射干扰信号，可以采用收发合置的换能器，也可以采用收发分离的换能器，本实施例中采用收发各一个换能器，从而实现系统收发同步。

电源包括蓄电池和海水电池两类，其中，海水电池用于为浮力调制器和换能器提供能源，保持系统持续工作，而蓄电池用于为电子设备提供工作时所需的电源，配合图5所示，所述蓄电池包括两个电源模块，电源模块1负责电子设备中侦察模块的供电，电源模块2负责干扰模块和控制模块的供电，蓄电池是非连续工作的，是最主要的能量损耗元件。

浮力调制器设于外壳内腔的最上方，位于其余部件的最顶端，主要作用是保持系统在水中基本呈竖直状态，并使系统保持在预定深度上。

电子设备是本发明对抗系统的核心，用于对接收到的信号进行相关的数据处理，提取目标信号信息，产生相干干扰信号并进行放大。配合图2所示，所述电子设备包括侦察模块、控制模块和干扰模块。

侦察模块用于对接收到的来自换能器的目标信号进行数据处理，采集目标信号中有用的特征值，为高效精确干扰提供参数支持。所述的侦察模块包括前置信号处理电路、A/D转换电路以及缓存Flash、DSP处理器、CPLD、SRAM等，其中，前置信号处理电路对接收到的目标信号进行信号放大、窄带滤波等预处理；A/D转换电路按照给定采样率进行模数转换，缓存Flash对数字信号进行缓存；DSP处理器按照侦察算法对信号进行运算和处理，CPLD进行数据流控制，缓存于Flash的换能器采集的数据可以通过CPLD存储于SRAM，以便DSP处理器在下一个周期进行处理；同时DSP处理器处理的信息，也可以通过CPLD中转至SRAM存储。

干扰模块用于根据控制模块提供的干扰决策，产生最佳干扰信号。所述的干扰模块包括功率放大器、D/A转换电路、DDS和DSP处理器，其中，DDS是直接数字式频率合成器，可以产生常见的单调制信号、白噪声等干扰样式，也能产生常见的FSK、PSK等调制信号，美国Analog Devices公司的DDS芯片AD9852是高度集成化的芯片，能产生和输出高稳定度的频率、相位、可编程的正弦、余弦信号。工作时，DDS根据DSP处理器调用对应软件，设置AD9852的频率控制字和相位控制字，产生需要的干扰信号。

控制模块用于根据侦察模块提供的目标信号参数，分析并形成干扰决策，同时还负责整个装置的工作，控制目标信号的收发和装置深度。所述的控制模块主要包括MCU和DSP处理器，MCU是微控制单元，对整个装置的工作进行控制，主要包括数据处理的控制、数据存储的控制和时钟控制。

其中，DSP处理器是设备的中枢，侦察模块、控制模块、干扰模块三个模块共用同一个DSP处理器，几乎所有的数据和指令都需要经过DSP处理器进行处理和调度。DSP处理器芯片的选用需要考虑两个方面的性能，一方面是运算能力和并行处理能力，需要选用运算能力强且具有并行处理能力的DSP芯片。另一方面是低功耗能力，作为电池供电且长期无补给的设备，降低能耗始终是系统设计考虑的重点，选用较低功耗的DSP处理器可以增加设备工作时间。综合两方面的特点，可选择AD公司的Blackfin系列芯片。

图3为水声扩频通信对抗系统功能原理图，所述系统具体实施原理是：

步骤S3-1、S3-2中，换能器将接收到的目标信号传送到电子设备中的侦察模块中进行信号放大、窄带滤波、A/D转换等预处理，得到需要分析的部分信号。

步骤S3-3、S3-4中，接收到的信号是否存在目标直扩信号未知，需先对目标信号的存在性进行检测。为减小噪声的影响，本系统对信号进行两次检测，先对信号进行功率谱检测，若存在再进行一次时域相关检测。

步骤S3-5中，若扩频信号存在，对得到的基带信号利用时域相关检测法根据谱特征估计出扩频码周期和信息码速率，再对自相关函数进行平方处理，即功率谱相卷积，对载频进行估计和估计出扩频码速率。

步骤S3-6、S3-7、S3-8中，在估计得到直扩信号的各参数以后，可以采用特征向量法估计扩频码。特征向量法的原理是将接收到的直扩信号按照扩频码速率重新进行采样，然后以随机值为起点按扩频码周期进行分段以形成连续多个向量，再求它们的相关矩阵并累加平均，对累积平均后的矩阵特征值分解，特征向量可观察到信号的扩频码。

步骤S3-9中，将信号估计得到的目标信号参数，传送到控制单元中，其根据在规定的检测时间内得到的参数情况，判断使用的干扰样式。

步骤S3-10中，若上述所有参数的检测在规定时间内完成，采用相干干扰方式，则把得到扩频码调制到干扰信息码上去，再把得到干扰信号进行载波调制，经功率放大后，发射完成干扰。

步骤S3-11中，若在规定时间内，没有估计到扩频码序列，则采用压制干扰方式，用规定时间内已获得的信号参数调制高斯白噪声，经功率放大后，发射完成干扰。

图4是本发明提供一种水声扩频通信对抗方法的流程图，包括如下步骤：

步骤S4-1、S4-2中，经接收处理后的目标信号是否存在目标直扩信号未知，需先对目标信号的存在性进行检测。先对信号进行功率谱估计，利用信号谱特征进行初步判断，若目标信号存在，继续进行检测工作，否则返回继续搜索信号。

步骤S4-3、S4-4中，若扩频信号存在，则利用谱特征对载频ω_c进行粗估计，然后以估计的载频为中心频率进行带通滤波，得到信号的基带信号。

步骤S4-5、S4-6中，对得到的基带信号利用时域相关检测法再进行扩频信号检测，若目标信号存在，进行下一步骤，否则继续进行检测工作.

考虑到水声信道的强噪声影响，在低信噪比的情况下，采用功率谱检测和时域相关检测两次检测的方法对目标信号进行截获和参数估计。首先对信号进行功率谱检测，利用功率谱特征进行初步判决，若扩频信号存在，则对载频ω_c进行估计，然后以估计的载频为中心频率进行带通滤波，得到的信号再进行时域相关检测。

时域相关检测方法利用了扩频码序列的自相关特性进行统计判决。作为扩频码的伪随机序列自身具有良好的自相关特性而噪声信号不具有相关性，结合积累，就可以检测出扩频信号，同时可以估计伪码周期和信息码速率。

基本原理：设扩频信号为其中，c(t)为信息序列经过伪随机扩频序列扩频后的序列，P为信号功率，f_c为载频，为初相。

其自相关函数为

$R_S\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{p}{\∫}_0^{p}c\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\πt}\right)c(t-\mathrm{\τ})\cos (2\mathrm{\πt}-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

其中，p为扩频码宽度，为了简化分析，假设P=1，并且每个扩频码内部正好有一个载频周期。

在τ=0时， $R_S\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{p}{\∫}_0^{p}c\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\πt}\right)c(t-\mathrm{\τ})\cos (2\mathrm{\πt}-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=\frac{1}{2}$

在τ=1,2,...,p-1时， $R_S\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{p}{\∫}_0^{p}c\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\πt}\right)c(t-\mathrm{\τ})\cos (2\mathrm{\πt}-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=-\frac{1}{2P}$

信号在载频处出现峰值。

设接收到的信号为

x(t)=s(t)+n(t)，

其中，s(t)是待检测的直扩信号,n(t)为高斯白噪声，而且两者不相关。

x(t)的自相关函数为

R_x(τ)=E{[s(t)+n(t)][s(t-τ)+n(t-τ)]}=R_s(τ)+R_n(τ)

由于R_n(τ)没有相关峰，R_x(τ)的峰值就是信号s(t)的相关函数R_s(τ)的峰值，峰值对应的延时点时间即为扩频码周期T_c，同时扩频码周期等于信息码元宽度，计算出信息码速率。

然后对自相关函数进行平方处理，即功率谱相卷积 $S_C\left(f\right)\⊗S_C\left(f\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{S}_C\left(F\right)S_C(f-F)\mathrm{dF}.$

最大峰出现在2倍载频位置，2倍载频附近有一个次峰，由最大峰和任意一个次峰之间的距离可以估计出伪码速率。

步骤S4-7、S4-8中，基带信号进行时域相关检测，根据谱特征估计出扩频码周期和信息码速率，然后对自相关函数进行平方处理，即功率谱相卷积。对载频再进行一次精估计和估计出扩频码速率。

在估计得到直扩信号的各参数以后，可以采用特征向量法估计扩频码。特征向量方法的原理是将接收到的直扩信号按照扩频码速率重新进行采样，以随机值为起点按扩频码周期进行分段以形成连续多个向量，再求它们的相关矩阵并累加平均，对累积平均后的矩阵特征值分解，特征向量可观察到信号的扩频码。

扩频码周期T_c，将截获信号的采样值按T_c周期分段形成数据向量集，每段向量用X表示，X的维数L=T_c/T_s（T_s为采样周期），即X=[x₁,x₂,x₃,...x_l]^T,自相关矩阵R=E{X,X^H}；

因为扩频信号取值T_X随机导致的不同步，每段X将包含连续的2位信息码调制的扩频码序列的信号，X=d_mp₀+d_m+1p_-1+n。

式中，n为高斯白噪声，p₀为包含持续期为(T_c-T_X)扩频码序列的后段，持续期为T_X的零值向量，p₁为包含持续期为(T_c-T_X)的零值，持续期为T_X的扩频码序列的前段向量，d_m和d_m+1为前后2个信息码。

此时， $R=E\left\{{\left|\right|d_m\left|\right|}^2\right\}{p}_0\·p_0^H+E\left\{{\left|\right|d_{m+1}\left|\right|}^2\right\}{p}_{-1}\·P_{-1}^H+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I.$

p₁和p₀两个特征向量明显大于其他特征向量，将其连接起来就是扩频码序列。

步骤S4-9、S4-10中，为了保证干扰的实时性，对检测估计要进行时间限制，进行一次时间判断，若上述估计超过规定时间，停止侦察模块的工作，转到干扰模块中，采取压制干扰方式对信号进行干扰。

步骤S4-11、S4-12、S4-13中，若上述估计在规定时间以内，继续对信号进行处理，根据码速率重新采样，以随机值为起点按扩频码周期进行分段以形成连续多个向量，采用特征向量法估计出扩频码序列。

步骤S4-14中，若所有扩频信号参数的检测在规定时间内完成，则把得到扩频码调制到干扰信号上去，采用相干检测方式对信号进行精确干扰。

在获取载频、扩频码周期、扩频码速率和扩频码序列的前提下，系统实施相干干扰，具体是把得到扩频码调制到扰信号上去，得到相干干扰信号，即

相干干扰信号要与直扩信号存在一定的相关性，具体应满足以下三个条件：

①干扰扩频码c_j(t)要与直扩信号的扩频码c(t)相同或接近。

②干扰载频f_j与信号载频f_c相同或接近。

③干扰幅度要大于信号幅度

其中，根据时间等条件的限制，在无法获取扩频码序列参数时，系统采用压制干扰，用以获取的信号参数调制高斯白噪声，经大功率放大后，经换能器发出，产生大功率的阻拦干扰。

综上所述，本发明的创新点主要体现在：

①本发明提出了一种针对水声直扩信号的水声通信对抗方法，对直扩信号进行两次检测，分别采用功率谱和时域相关检测方法估计出载频，扩频码周期，扩频码速率，在此基础以上，采用特征向量法估计出扩频码序列。

②本发明提出了一种针对水声直扩信号的水声通信对抗系统设计，包括系统外形设计、功能模块组成以及电路设计原理。可以根据载频，扩频码周期，扩频码速率，扩频码序列等参数的估计情况，采用相干干扰和压制干扰两种方式有针对性的对敌方扩频通信进行干扰。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (1)

1.一种水声扩频通信对抗方法，所述对抗方法基于一种水声扩频通信对抗系统实现，所述对抗系统包括圆柱形外壳及分别封装在外壳中的浮力调制器、电源、电子设备、换能器；

电源包括蓄电池和海水电池，其中，蓄电池为电子设备供电，海水电池为浮力调制器和换能器供电；

浮力调制器设于外壳内腔的最上方，用于保持系统在水中基本呈竖直状态，并使系统保持在预定深度上；

换能器接收水声信号辐射干扰信号，将接收到的信号送入电子设备；

电子设备包括侦察模块、控制模块和干扰模块，其中，侦察模块的输入端连接换能器，将接收到的目标信号进行数据处理，采集特征值，送入控制模块；

控制模块的输出端连接干扰模块，根据前述特征值控制干扰模块产生需要的干扰信号；其特征在于所述对抗方法包括如下步骤：

(1)对接收到的信号进行功率谱估计，利用信号谱特征判断目标信号是否存在，若存在，转步骤(2)，若不存在，重复步骤(1)；

(2)利用谱特征对载频进行粗估计，然后以估计的载频为中心频率进行带通滤波，得到信号的基带信号；

(3)对得到的基带信号利用时域相关检测法再进行扩频信号检测，若目标信号存在，进入步骤(4)，否则返回步骤(1)；

(4)对基带信号进行时域相关检测，根据谱特征估计出扩频码周期和信息码速率，然后对自相关函数进行平方处理，对载频再进行一次精估计和估计出扩频码速率，同时进行时间判断，若所述精估计超过规定时间，则采取压制干扰方式对信号进行干扰，若未超过规定时间，进入步骤(5)；

(5)根据码速率重新采样，以随机值为起点按扩频码周期进行分段以形成连续多个向量，采用特征向量法估计出扩频码序列；

(6)若所有扩频信号参数的检测在规定时间内完成，则把得到扩频码调制到干扰信号上去，采用相干检测方式对信号进行精确干扰。