CN105044727A - 利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水下声信号处理领域。为提供水下目标的伪装隐蔽探测提供一种新方法，提高主动声呐装置伪装隐蔽的能力，降低其被截获的概率，本发明采取的技术方案是，利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造的方法，(1)对原始鲸声数据进行脉冲加窗选取；(2)对筛选出的单脉冲以遍历的方式进行组合；(3)、进行距离速度模糊函数运算；(4)设定距离和速度分辨力约束条件；(5)优选出符合约束条件要求的组合脉冲串；(6)筛选出互相关结果较小的组合脉冲串；(7)对组合脉冲串进行编号；利用组合脉冲串存储器对上述产生的具有伪随机发送规律的脉冲串进行存储。本发明主要应用于声信号处理。

Description

利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造方法
技术领域
本发明属于水下声信号处理领域，特别是利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造方法。
背景技术
一方面，传统的主动声呐信号有单载频矩形脉冲信号、线性调频矩形脉冲信号、伪随机编码调相矩形脉冲串信号等；这些信号有一些明显且易于识别的特点，如它们的包络均为矩形、它们的调制频率为单频或频率线性变化；这些信号易于被敌方截获、分别和分类；因此，传统的主动声呐信号易于被敌方侦察系统探测、识别和跟踪，成为被攻击的目标，所以其生存能力有限。
另一方面，传统的单载频矩形脉冲信号虽然容易产生、便于处理，但是其在距离和速度分辨力两方面，它不能同时兼顾。传统的线性调频矩形脉冲信号可实现脉冲压缩，具有更好的性能，但是它的距离和速度模糊函数之间存在耦合关系，仍然无法同时获得高的距离和速度分辨力。传统的伪随机编码调相矩形脉冲串信号的模糊函数更接近理想的图钉形，能同时获得高距离和高速度分辨力，但它的旁辦较高，检测能力受到了限制。
针对上述两方面问题，本发明通过计算机数值加窗、构造、筛选等方法，从大量的抹香鲸滴答声中选取脉冲信号，并对脉冲信号进行组合，然后，以模糊函数为准则，对组合脉冲串进行筛选，以构造出同时具有高距离和速度分辨力的主动声呐信号脉冲串，为实现了水下目标的伪装隐蔽探测提供一种新方法及装置。
发明内容
为克服技术的不足，本发明旨在提供水下目标的伪装隐蔽探测提供一种新方法，提高主动声呐装置伪装隐蔽的能力，降低其被截获的概率。为此，本发明采取的技术方案是，利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造的方法，设计声呐信号波形构造模块用于：(1)对原始鲸声数据进行脉冲加窗选取，筛选出抹香鲸叫声脉冲信号；(2)对筛选出的单脉冲以遍历的方式进行组合；(3)对获得的组合脉冲串进行距离速度模糊函数运算；(4)设定距离和速度分辨力约束条件；(5)优选出符合约束条件要求的组合脉冲串，并组成集合A；(6)遍历集合A内的所有组合脉冲串，求两两组合脉冲串之间的互相关，并筛选出互相关结果较小的组合脉冲串，组成集合B；(7)对集合B内的组合脉冲串进行编号，并通过伪随机数产生器决定被编号脉冲串的发送顺序；
利用组合脉冲串存储器对上述产生的具有伪随机发送规律的脉冲串进行存储。
对筛选出的单脉冲以遍历的方式进行组合：从脉冲数据库中任意选择L个单脉冲组成组合脉冲串，组合脉冲串中相邻单脉冲之间的时间间隔T在[0.5,1000]ms区间内任意可调；这L个单脉冲可以相同，但为了提高隐蔽性，应尽量避免相同；
对构造的所有组合脉冲串求距离速度模糊函数得到χ1(τd,ξd),χ2(τd,ξd),…,χm(τd,ξd)，其中，m为组合脉冲串的数量，τd代表相对时延，ξd代表相对多普勒频率，s(t)为组合脉冲串信号波形。
根据主动声呐系统对距离和速度分辨力的指标要求，设定距离和速度分辨力约束条件，如要求距离分辨力不大于U且速度分辨力不大于R,并分别从所获得的χ1(τd,ξd),χ2(τd,ξd),…,χm(τd,ξd)中筛选出符合约束条件要求的模糊函数然后通过一一对应关系，分别找出它们所对应的组合脉冲串信号波形，并分别构成组合脉冲串集合A；其中e不大于m，且e代表筛选出来的符合约束条件的组合脉冲串的个数。
通过对集合A内的任意两个组合脉冲串进行互相关计算，并通过设定的互相关阈值，优选出符合要求的组合脉冲串集合B；对集合B中的所有组合脉冲串行进行编号，然后，通过伪随机数产生器来决定被编号组合脉冲串的产生顺序，最后，根据该顺序来发送组合脉冲串。
与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
(1)本发明采用由抹香鲸滴答声脉冲构造的组合脉冲串作为主动声呐信号波形，使敌人误以为接收到的信号来自抹香鲸群而非主动声呐装置，起到伪装主动声呐装置的作用，提高主动声呐装置伪装隐蔽的能力，降低其被截获的概率；
(2)本发明通过计算机数值加窗、构造、筛选等方法，从大量的抹香鲸滴答声中选取脉冲信号，并对脉冲信号进行组合，然后，以模糊函数为准则，对组合脉冲进行筛选，以构造出同时具有高距离和速度分辨力的主动声呐信号波形，为实现了水下目标的伪装隐蔽探测提供一种新方法及装置；
(3)本发明将符合条件的组合脉冲串按伪随机顺序发送，以进一步提升主动声呐探测设备发射信号的伪装隐蔽性。
附图说明
图1示出本发明中所述的隐蔽声呐信号波形筛选过程示意图。
图2示出了本发明中所构造的一个组合脉冲串。
图3示出了本发明中与图2相对应组合脉冲串的距离速度模糊函数。
具体实施方式
针对现有技术的问题，本发明通过计算机数值加窗、构造、筛选等方法，从大量的抹香鲸滴答声中选取脉冲信号，并对脉冲信号进行组合，然后，以模糊函数为准则，对组合脉冲串进行筛选，以构造出同时具有高距离和速度分辨力的主动声呐信号脉冲串，为实现了水下目标的伪装隐蔽探测提供一种新方法及装置。
(1)本发明采用由抹香鲸滴答声脉冲构造的组合脉冲串作为主动声呐信号波形，使敌人误以为接收到的信号来自抹香鲸群而非主动声呐装置，起到伪装主动声呐装置的作用，提高主动声呐装置伪装隐蔽的能力，降低其被截获的概率；
(2)本发明通过计算机数值加窗、构造、筛选等方法，从大量的抹香鲸滴答声中选取脉冲信号，并对脉冲信号进行组合，然后，以模糊函数为准则，对组合脉冲进行筛选，以构造出同时具有高距离和高速度分辨力的主动声呐信号波形，为实现了水下目标的伪装隐蔽探测提供一种新方法及装置；
(3)本发明将符合条件的组合脉冲串按伪随机顺序发送，以进一步提升主动声呐探测设备发射信号的伪装隐蔽性。
为克服现有技术的不足，本发明提供一种利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造方法及装置，所使用的主动声呐信号波形为多个叫声的组合脉冲串而不是单脉冲，因此，能获得更好的距离和速度分辨力。
本发明具有如下优点：(1)本发明采用由抹香鲸滴答声脉冲构造的组合脉冲串作为主动声呐信号波形，使敌人误以为接收到的信号来自抹香鲸群而非主动声呐装置，起到伪装主动声呐装置的作用，提高主动声呐装置伪装隐蔽的能力，降低其被截获的概率；(2)本发明通过计算机数值加窗、构造、筛选等方法，从大量的抹香鲸滴答声中选取脉冲信号，并对脉冲信号进行组合，然后，以模糊函数为准则，对组合脉冲进行筛选，以构造出同时具有高距离和速度分辨力的主动声呐信号波形，为实现了水下目标的伪装隐蔽探测提供一种新方法及装置；(3)本发明将符合条件的组合脉冲串按伪随机顺序发送，以进一步提升主动声呐探测设备发射信号的伪装隐蔽性。
本发明采取的技术方案是，利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造方法及装置，包括：
第一部分：抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造装置。
抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造装置如图1所示，它由声呐信号波形构造模块1和组合脉冲串存储器2组成；
进一步地，声呐信号波形构造模块1顺序执行如下功能：(1)对原始鲸声数据进行脉冲加窗选取，筛选出抹香鲸叫声脉冲信号；(2)对筛选出的单脉冲以遍历的方式进行组合；(3)对获得的组合脉冲串进行距离速度模糊函数运算；(4)设定距离和速度分辨力约束条件；(5)优选出符合约束条件要求的组合脉冲串，并组成集合A；(6)遍历集合A内的所有组合脉冲串，求两两组合脉冲串之间的互相关，并筛选出互相关结果较小的组合脉冲串，组成集合B；(7)对集合B内的组合脉冲串进行编号，并通过伪随机数产生器决定被编号脉冲串的发送顺序；
进一步地，组合脉冲串存储器2对上述产生的具有伪随机发送规律的脉冲串进行存储；
第二部分：抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造方法。
第一步：从海量的抹香鲸声信号数据库中选取出叫声脉冲，形成叫声脉冲数据库(以下简称脉冲数据库)；
第二步：从脉冲数据库中任意选择L个单脉冲组成组合脉冲串，组合脉冲串中相邻单脉冲之间的时间间隔T在[0.5,1000]ms区间内任意可调；这L个单脉冲可以相同，但为了提高隐蔽性，应尽量避免相同；
第三步：对构造的所有组合脉冲串求距离速度模糊函数得到χ1(τd,ξd),χ2(τd,ξd),…,χm(τd,ξd)，其中，m为组合脉冲串的数量，τd代表相对时延，ξd代表相对多普勒频率，s(t)为组合脉冲串信号波形；
第四步：根据主动声呐系统对距离和速度分辨力的指标要求，设定距离和速度分辨力约束条件，如要求距离分辨力不大于U且速度分辨力不大于R,并分别从所获得的χ1(τd,ξd),χ2(τd,ξd),…,χm(τd,ξd)中筛选出符合约束条件要求的模糊函数然后通过一一对应关系，分别找出它们所对应的组合脉冲串信号波形，并分别构成组合脉冲串集合A；其中，U可根据实际应用需用，从区间[0.01，1000]米之间进行选择；R可根据实际应用需用，从区间[0.001，1000]米/秒之间进行选择；e不大于m，且e代表筛选出来的符合约束条件的组合脉冲串的个数；
第五步：为了保证后续回波信号匹配滤波处理性能，筛选出的组合脉冲串之间应具有较小的互相关性，为此，通过对集合A内的任意两个组合脉冲串进行互相关计算，并通过设定的互相关阈值，优选出符合要求的组合脉冲串集合B；
第六步：为了进一步提高发射信号的伪装性，本发明对集合B中的所有组合脉冲串行进行编号，然后，通过伪随机数产生器来决定被编号组合脉冲串的产生顺序，最后，根据该顺序来发送组合脉冲串。
本发明提供一种利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造方法及装置。
本发明具有如下优点：(1)本发明采用由抹香鲸滴答声脉冲构造的组合脉冲串作为主动声呐信号波形，使敌人误以为接收到的信号来自抹香鲸群而非主动声呐装置，起到伪装主动声呐装置的作用，提高主动声呐装置伪装隐蔽的能力，降低其被截获的概率；(2)本发明通过计算机数值加窗、构造、筛选等方法，从大量的抹香鲸滴答声中选取脉冲信号，并对脉冲信号进行组合，然后，以模糊函数为准则，对组合脉冲进行筛选，以构造出同时具有高距离和速度分辨力的主动声呐信号波形，为实现了水下目标的伪装隐蔽探测提供一种新方法及装置；(3)本发明将符合条件的组合脉冲串按伪随机顺序发送，以进一步提升主动声呐探测设备发射信号的伪装隐蔽性。
第一部分：抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造装置。
抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造装置如图1所示，它由声呐信号波形构造模块1和组合脉冲串存储器2组成；
进一步地，声呐信号波形构造模块1顺序执行如下功能：(1)对原始鲸声数据进行脉冲加窗选取，筛选出抹香鲸叫声脉冲信号；(2)对筛选出的单脉冲以遍历的方式进行组合；(3)对获得的组合脉冲串进行距离速度模糊函数运算；(4)设定距离和速度分辨力约束条件；(5)优选出符合约束条件要求的组合脉冲串，并组成集合A；(6)遍历集合A内的所有组合脉冲串，求两两组合脉冲串之间的互相关，并筛选出互相关结果较小的组合脉冲串，组成集合B；(7)对集合B内的组合脉冲串进行编号，并通过伪随机数产生器决定被编号脉冲串的发送顺序；
进一步地，组合脉冲串存储器2对上述产生的具有伪随机发送规律的脉冲串进行存储；
第二部分：抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造方法。
第一步：从海量的抹香鲸声信号数据库中选取出叫声脉冲，形成叫声脉冲数据库(以下简称脉冲数据库)；
第二步：从脉冲数据库中任意选择L个单脉冲组成组合脉冲串，组合脉冲串中相邻单脉冲之间的时间间隔T在[0.5,1000]ms区间内任意可调；这L个单脉冲可以相同，但为了提高隐蔽性，应尽量避免相同；
第三步：对构造的所有组合脉冲串求距离速度模糊函数得到χ1(τd,ξd),χ2(τd,ξd),…,χm(τd,ξd)，其中，m为组合脉冲串的数量，τd代表相对时延，ξd代表相对多普勒频率，s(t)为组合脉冲串信号波形；
第四步：根据主动声呐系统对距离和速度分辨力的指标要求，设定距离和速度分辨力约束条件，如要求距离分辨力不大于U且速度分辨力不大于R,并分别从所获得的χ1(τd,ξd),χ2(τd,ξd),…,χm(τd,ξd)中筛选出符合约束条件要求的模糊函数然后通过一一对应关系，分别找出它们所对应的组合脉冲串信号波形，并分别构成组合脉冲串集合A；其中，U可根据实际应用需用，从区间[0.01，1000]米之间进行选择；R可根据实际应用需用，从区间[0.001，1000]米/秒之间进行选择；e不大于m，且e代表筛选出来的符合约束条件的组合脉冲串的个数；
第五步：为了保证后续回波信号匹配滤波处理性能，筛选出的组合脉冲串之间应具有较小的互相关性，为此，通过对集合A内的任意两个组合脉冲串进行互相关计算，并通过设定的互相关阈值，优选出符合要求的组合脉冲串集合B；
第六步：为了进一步提高发射信号的伪装性，本发明对集合B中的所有组合脉冲串行进行编号，然后，通过伪随机数产生器来决定被编号组合脉冲串的产生顺序，最后，根据该顺序来发送组合脉冲串。

Claims (4)

1.一种利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造的方法，其特征是，设计声呐信号波形构造模块用于：(1)对原始鲸声数据进行脉冲加窗选取，筛选出抹香鲸叫声脉冲信号；(2)对筛选出的单脉冲以遍历的方式进行组合；(3)对获得的组合脉冲串进行距离速度模糊函数运算；(4)设定距离和速度分辨力约束条件；(5)优选出符合约束条件要求的组合脉冲串，并组成集合A；(6)遍历集合A内的所有组合脉冲串，求两两组合脉冲串之间的互相关，并筛选出互相关结果较小的组合脉冲串，组成集合B；(7)对集合B内的组合脉冲串进行编号，并通过伪随机数产生器决定被编号脉冲串的发送顺序；利用组合脉冲串存储器对上述产生的具有伪随机发送规律的脉冲串进行存储。
2.如权利要求1所述的利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造的方法，其特征是，对筛选出的单脉冲以遍历的方式进行组合：从脉冲数据库中任意选择L个单脉冲组成组合脉冲串，组合脉冲串中相邻单脉冲之间的时间间隔T在[0.5,1000]ms区间内任意可调；这L个单脉冲可以相同，但为了提高隐蔽性，应尽量避免相同；
对构造的所有组合脉冲串求距离速度模糊函数得到χ1(τd,ξd),χ2(τd,ξd),…,χm(τd,ξd)，其中，m为组合脉冲串的数量，τd代表相对时延，ξd代表相对多普勒频率，s(t)为组合脉冲串信号波形。
3.如权利要求1所述的利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造的方法，其特征是，根据主动声呐系统对距离和速度分辨力的指标要求，设定距离和速度分辨力约束条件，如要求距离分辨力不大于U且速度分辨力不大于R,并分别从所获得的χ1(τd,ξd),χ2(τd,ξd),…,χm(τd,ξd)中筛选出符合约束条件要求的模糊函数然后通过一一对应关系，分别找出它们所对应的组合脉冲串信号波形，并分别构成组合脉冲串集合A；其中e不大于m，且e代表筛选出来的符合约束条件的组合脉冲串的个数。
4.如权利要求1所述的利用抹香鲸叫声的水下隐蔽声呐信号波形构造的方法，其特征是，通过对集合A内的任意两个组合脉冲串进行互相关计算，并通过设定的互相关阈值，优选出符合要求的组合脉冲串集合B；对集合B中的所有组合脉冲串行进行编号，然后，通过伪随机数产生器来决定被编号组合脉冲串的产生顺序，最后，根据该顺序来发送组合脉冲串。
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