CN107132522B - 具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法。1、计算多普勒约束条件下，Costas信号的互重合函数频率轴最大距离；2、设置不同发射基地间Costas信号的严格正交性要求与同一发射基地内部Costas信号的宽松正交性要求；3、计算M阶Costas序列的最大互重合函数矩阵；4、计算发射基地内部的Costas序列最大互重合点数与发射基地之间的Costas序列最大互重合点数；5、从Costas序列中选取N组正交的Costas序列集合分配给各个发射基地；6、构造合适数目的正交LS码分配给各个发射基地；7、获得Costas_LS码。本发明能保障探测信号具有优良的低截获性能，能使不同发射基地间的探测信号具备优良的正交性，同时改善同一发射基地内部探测信号的正交性。

Description

具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法

技术领域

本发明涉及的是一种声呐信号波形生成方法，具体地说是一种多基地声呐信号波形生成方法。

背景技术

在水下监测网和水声对抗中，声呐是目标探测、识别、分类、定位以及跟踪中的关键技术。主动声呐因其可靠性高，定位性能好在水声探测领域得到广泛应用。面对日益复杂的水声探测环境，如何在精确检测目标，成为声呐信号波形设计研究的重要问题，因而低截获声呐信号设计成为近年来研究的热点问题。

声呐低截获信号设计的目标是保持或提高接收机处理增益的同时，使主动信号在时间轴和频率轴上具有混沌性，增加截获机检测难度，手段上除采用低频频段外，主要遵循大时间带宽积，复合频(码)制，随机或非线性体制，时频捷变等几个原则。常用的低截获信号包括Frank码、Barker码、Costas码等相位或频率编码信号以及各种组合信号。其中Costas阵列的概念首次出现在1965年发表的一篇关于声呐检测的技术报告中，为了提高声呐的性能，使用Costas阵列为具有最优自相关特性的声呐系统描述了一种新颖的跳频图案，随后将其作为论文发表。Costas编码信号除具备大时间带宽积，能量时频域分布均匀的低截获特性外，还兼顾了相关性能好，距离、速度分辨率高等优点。

LS码是一种新型的扩频码-零相关窗互补码，这种码在一定的相对偏移内具有理想的自相关与互相关，构成零相关窗。应用零相关窗码的同步CDMA系统将完全消除或大大降低系统的MAI与ISI(多径扩展均在零相关窗内或超出的部分能量很小)。对于LS码来说，当信道的多径扩展小于零相关窗宽度时，其最佳多用户接收机、解相关多用户接收机和匹配滤波单用户接收机是等价的；而当信道的多径扩展大于零相关窗宽度时，使用匹配滤波器单用户接收机则要大大损失容量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现多基地声呐探测信号的低截获性与多址分辨能力的具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1、获取系统和目标参数，计算多普勒约束条件下，Costas信号的互重合函数频率轴最大距离l；

步骤2、设置不同发射基地间Costas信号的严格正交性要求|R_cx_oss(τ,ξ)|≤r_L与同一发射基地内部Costas信号的宽松正交性要求|R_cross(τ,ξ)|≤r_H，R_cross(τ,ξ)表示两个Costas信号的互相关系数，τ和ξ分别表示时域和频域的时延，r_L为系统要求的不同发射基地间探测信号的满足的互相关系数，r_H为系统要求的同一发射基地内部探测信号的满足的互相关系数；

步骤3、选取Costas信号的阶数M，计算全部M阶Costas序列的最大互重合函数矩阵{C_max}_num×num；

步骤4、计算多普勒约束下，发射基地内部的Costas序列最大互重合点数C_H与发射基地之间的Costas序列最大互重合点数C_L；

步骤5、根据多基地系统发射基地数目N，从Costas序列中选取N组正交的Costas序列集合Set1、Set2、…、Setn、…、SetN，分别分配给各个发射基地；

步骤6、构造合适数目的正交LS码，并分配给各个发射基地；

步骤7、用一个LS码的C码和S码分别调制同一个Costas序列，获得Costas_C信号和Costas_S信号，将Costas_C信号与Costas_S信号作为一个整体，即Costas_LS码，将所有调制得到的Costas_LS码称为DOCS_LS码，表达式为

本发明还可以包括：

1、步骤1具体包括：

定义最大频偏占带宽比Δf/B＝2v/c·f_H/B，v为目标航速，c为声速，B为信号带宽，f_L为信号频段下限，f_H为信号频段上限，定义Costas序列跳频频率间隔占带宽的比值为1/(M-1)；

l满足(l+1)/(M-1)＞Δf/B＞l/(M-1)，则l为计算Costas信号的互重合函数频率轴最大距离；

对任意给定的M阶Costas序列a＝{a₁,a₂,…,a_M}，其信号波形表示为

其中f_m＝f_L+(a_m-1)Δf，Δf＝(f_H-f_L)/(M-1)，rect(t)＝1,0≤t≤t_p，t_p为一个跳频频点对应的信号脉宽。

2、步骤3具体包括：

计算M阶Costas序列两两间的互重合函数，假设M阶Costas序列数目为num，则获得num×num维的最大互重合函数矩阵{C_max}_num×num；

Costas的互重合函数由使一个Costas的置换矩阵保持不动，另一个Costas置换矩阵在横轴方向和纵轴方向分别移动x(-M+1≤x≤M-1)和y(-M+1≤y≤M-1)个单位，将两个置换矩阵重合的点数记为C(x,y)，C_max＝max(C(x,y))。

3、步骤4具体包括：

最大互重合点数C_L和C_H，满足C_L/M≤r_L＜(C_L+1)/M和C_H/M≤r_H＜(C_H+1)/M。

4、步骤5具体包括：任意Costas序列集合Setn应满足集合内部的C_max≤C_H，与其他集合之间的C_max≤C_L。

5、步骤6具体包括：根据多基地数目及对其他系统需求，构造2P位的LS码，并为不同的发射基地分配独立正交的LS码，常用的低位数LS码通过查表得到，2P位的LS码每一位对应的信号脉宽为t_p/P。

6、步骤7具体包括：分别采用LS码的C码和S码调制同一个Costas序列，获得Costas_C信号和Costas_S信号，将Costas_C信号与Costas_S信号作为一个整体，即Costas_LS码；

将LS的±1值，转为2P位由0与π相位组成的相位向量p，采用LS码调制Costas序列时，在任意跳频频点f_m处，调制后的信号表示为

对Costas_LS做相关检测时，将Costas_C信号的相关结果与Costas_S信号的相关结果作为Costas_LS的相关结果；

将各个发射基地的Costas_LS信号构成的集合称为DOCS_LS信号；

将各个发射基地的Costas_LS信号构成的集合称为DOCS_LS信号，DOCS_LS信号的表达形式为

为实现多基地声呐探测信号的低截获性与多址分辨能力，本发明提出一种具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号(简记为DOCS_LS信号)生成方法，

本发明采用Costas序列作为双基地声呐的探测信号体制，能保障探测信号具有优良的低截获性能，采用LS正交码调制Costas序列可以使不同发射基地间的探测信号具备优良的正交性，通过为各发射基地分配独立的正交Costas序列，能丰富探测信号集合，同时改善同一发射基地内部探测信号的正交性。

附图说明

图1为DOCS_LS信号集合。

图2为DOCS_LS(C1,c1)的自相关结果。

图3为DOCS_LS(C1,c1)与DOCS_LS(C5,c3)的互相关结果。

图4为DOCS_LS(C1,c1)与DOCS_LS(C2,c2)的互相关结果。

图5为具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明的多基地声呐DOCS_LS探测信号设计方法。包括以下步骤：

步骤1、根据系统和目标参数，计算多普勒约束条件下，Costas信号的互重合函数频率轴最大距离l。

步骤2、根据系统需求，设置不同发射基地间Costas信号的严格正交性要求|R_cross(τ,ξ)|≤r_L与同一发射基地内部Costas信号的宽松正交性要求|R_cross(τ,ξ)|≤r_H。

步骤3、选取Costas信号的阶数M，计算全部M阶Costas序列的最大互重合函数矩阵{C_max}_num×num。

步骤4、计算多普勒约束下，发射基地内部的Costas序列最大互重合点数C_H与发射基地之间的Costas序列最大互重合点数C_L。

步骤5、根据多基地系统发射基地数目N，从Costas序列中选取N组正交的Costas序列集合Set1、Set2、…、Setn、…、SetN，分别分配给各个发射基地。

步骤6、构造合适数目的正交LS码，并分配给各个发射基地。

步骤7、用一个LS码的C码和S码分别调制同一个Costas序列，获得Costas_C信号和Costas_S信号，将Costas_C信号与Costas_S信号作为一个整体，即Costas_LS码。将所有调制得到的Costas_LS码称为DOCS_LS码，表达式为

其中，步骤1中，定义最大频偏占带宽比Δf/B＝2v/c·f_H/B，v为目标航速，c为声速，B为信号带宽，f_L为信号频段下限，f_H为信号频段上限，定义Costas序列跳频频率间隔占带宽的比值为1/(M-1)。

其中，步骤1中，l满足(l+1)/(M-1)＞Δf/B＞l/(M-1)，则l为计算Costas信号的互重合函数频率轴最大距离。

其中，步骤1中，对任意给定的M阶Costas序列a＝{a₁,a₂,...,a_M}，其信号波形可以表示为

其中f_m＝f_L+(a_m-1)Δf，Δf＝(f_H-f_L)/(M-1)，rect(t)＝1,0≤t≤t_p，t_p为一个跳频频点对应的信号脉宽。

其中，步骤2中，R_cross(τ,ξ)表示两个Costas信号的胡相关系数，τ和ξ分别表示时域和频域的时延，r_L为系统要求的不同发射基地间探测信号的满足的互相关系数，r_H为系统要求的同一发射基地内部探测信号的满足的互相关系数，r_L≤r_H。

其中，步骤3中，计算M阶Costas序列两两间的互重合函数，假设M阶Costas序列数目为num，则可获得num×num维的最大互重合函数矩阵{C_max}_num×num。

其中，步骤3中，Costas的互重合函数由使一个Costas的置换矩阵保持不动，另一个Costas置换矩阵在横轴方向和纵轴方向分别移动x(-M+1≤x≤M-1)和y(-M+1≤y≤M-1)个单位，将两个置换矩阵重合的点数记为C(x,y)，C_max＝max(C(x,y))。

其中，步骤4中，最大互重合点数C_L和C_H，满足C_L/M≤r_L＜(C_L+1)/M和C_H/M≤r_H＜(C_H+1)/M。

其中，步骤5中，任意Costas序列集合Setn应满足集合内部的C_max≤C_H，与其他集合之间的C_max≤C_L。

其中，步骤6中，根据多基地数目及对其他系统需求，构造2P位的LS码，并为不同的发射基地分配独立正交的LS码，常用的低位数LS码可以通过查表得到，2P位的LS码每一位对应的信号脉宽为t_p/P。

其中，步骤7中，分别采用LS码的C码和S码调制同一个Costas序列，获得Costas_C信号和Costas_S信号，将Costas_C信号与Costas_S信号作为一个整体，即Costas_LS码。

其中，步骤7中，将LS的±1值，转为2P位由0与π相位组成的相位向量p，采用LS码调制Costas序列时，在任意跳频频点f_m处，调制后的信号可以表示为

其中，步骤7中,对Costas_LS做相关检测时，将Costas_C信号的相关结果与Costas_S信号的相关结果作为Costas_LS的相关结果。

其中，步骤7中,将各个发射基地的Costas_LS信号构成的集合称为DOCS_LS信号。

其中，步骤7中,将各个发射基地的Costas_LS信号构成的集合称为DOCS_LS信号，DOCS_LS信号的表达形式为

假设有两个发射基地，基地1与基地2。信号中心频率6kHz，带宽2kHz，每个跳频信号的时间带宽积k＝1。

Costas序列的阶数M＝12。为基地1与基地2分别分配4个Costas序列，组成Set1与Set2。8个Costas序列依次为

C1：[1,2,4,8,3,6,12,11,9,5,10,7]；C2：[2,3,9,6,10,12,1,8,11,7,5,4]；

C3：[8,6,7,3,9,1,12,5,2,11,10,4]；C4：[9,5,11,8,10,3,1,4,12,2,6,7]；

C5：[1,4,6,5,12,8,2,10,11,3,9,7]；C6：[1,4,10,8,12,5,7,6,3,11,2,9]；

C7：[6,12,4,7,1,11,2,3,10,5,9,8]；C8：[8,7,3,10,12,6,1,4,5,9,2,11]。

多普勒约束下，Set1和Set2内部的Costas序列最大互重合点数C_H≤3，Set1和Set2间的Costas序列最大互重合点数C_L≤2。将Set1和Set2分别分配给发射基地1与发射基地2。

LS码位数为2P＝8位，即C码与S码各有P＝4位。为基地1与基地2分别分配2个LS码，组成Set1与Set2。4个LS码依次为

c1：[+1,+1,-1,+1；+1,-1,-1,-1]；c2：[+1,+1,+1,-1；+1,-1,+1,+1]；

c3：[-1,+1,+1,+1；+1,-1,+1,-1]；c4：[-1,+1,-1,-1；-1,-1,-1,+1]。

这样，发射基地1与发射基地2分别获得8个DOCS_LS码，如图1所示。

图2为发射基地1的DOCS_LS(C1,c1)的自相关结果，图3为发射基地1的DOCS_LS(C1,c1)与发射基地2的DOCS_LS(C5,c3)的互相关结果。图4为发射基地1的DOCS_LS(C1,c1)与DOCS_LS(C2,c2)的互相关结果。从图3和图4可以看出，DOCS_LS能使发射基地间的探测信号具有理想的正交性(即零互相关性)，同时能保障发射基地内部的探测信号具有较好的相关性。

Claims (7)

1.一种具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法，其特征是：

步骤1、获取系统和目标参数，计算多普勒约束条件下，Costas信号的互重合函数频率轴最大距离l；

步骤2、设置不同发射基地间Costas信号的严格正交性要求|R_cross(τ,ξ)|≤r_L与同一发射基地内部Costas信号的宽松正交性要求|R_cross(τ,ξ)|≤r_H，R_cross(τ,ξ)表示两个Costas信号的互相关系数，τ和ξ分别表示时域和频域的时延，r_L为系统要求的不同发射基地间探测信号的满足的互相关系数，r_H为系统要求的同一发射基地内部探测信号的满足的互相关系数；

步骤3、选取Costas信号的阶数M，计算全部M阶Costas序列的最大互重合函数矩阵{C_max}_num×num；

步骤4、计算多普勒约束下，发射基地内部的Costas序列最大互重合点数C_H与发射基地之间的Costas序列最大互重合点数C_L；

步骤5、根据多基地系统发射基地数目N，从Costas序列中选取N组正交的Costas序列集合Set1、Set2、…、Setn、…、SetN，分别分配给各个发射基地；

步骤6、构造合适数目的正交LS码，并分配给各个发射基地；

步骤7、用一个LS码的C码和S码分别调制同一个Costas序列，获得Costas_C信号和Costas_S信号，将Costas_C信号与Costas_S信号作为一个整体，即Costas_LS码，将所有调制得到的Costas_LS码称为DOCS_LS码，表达式为

2.根据权利要求1所述的具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法，其特征是步骤1具体包括：

定义最大频偏占带宽比Δf/B＝2v/c·f_H/B，v为目标航速，c为声速，B为信号带宽，f_L为信号频段下限，f_H为信号频段上限，定义Costas序列跳频频率间隔占带宽的比值为1/(M-1)；

l满足(l+1)/(M-1)＞Δf/B＞l/(M-1)，则l为计算Costas信号的互重合函数频率轴最大距离；

对任意给定的M阶Costas序列a＝{a₁,a₂,...,a_M}，其信号波形表示为

其中f_m＝f_L+(a_m-1)Δf，Δf＝(f_H-f_L)/(M-1)，rect(t)＝1,0≤t≤t_p，t_p为一个跳频频点对应的信号脉宽。

3.根据权利要求2所述的具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法，其特征是步骤3具体包括：

计算M阶Costas序列两两间的互重合函数，假设M阶Costas序列数目为num，则获得num×num维的最大互重合函数矩阵{C_max}_num×num；

Costas的互重合函数由使一个Costas的置换矩阵保持不动，另一个Costas置换矩阵在横轴方向和纵轴方向分别移动x和y个单位，-M+1≤x≤M-1、-M+1≤y≤M-1，将两个置换矩阵重合的点数记为C(x,y)，C_max＝max(C(x,y))。

4.根据权利要求3所述的具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法，其特征是步骤4具体包括：

最大互重合点数C_L和C_H，满足C_L/M≤r_L＜(C_L+1)/M和C_H/M≤r_H＜(C_H+1)/M。

5.根据权利要求4所述的具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法，其特征是步骤5具体包括：任意Costas序列集合Setn应满足集合内部的C_max≤C_H，与其他集合之间的C_max≤C_L。

6.根据权利要求5所述的具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法，其特征是步骤6具体包括：根据多基地数目及对其他系统需求，构造2P位的LS码，并为不同的发射基地分配独立正交的LS码，常用的低位数LS码通过查表得到，2P位的LS码每一位对应的信号脉宽为t_p/P。

7.根据权利要求6所述的具有低截获特性的多基地声呐多址分辨信号生成方法，其特征是步骤7具体包括：分别采用LS码的C码和S码调制同一个Costas序列，获得Costas_C信号和Costas_S信号，将Costas_C信号与Costas_S信号作为一个整体，即Costas_LS码；

将LS的±1值，转为2P位由0与π相位组成的相位向量p，采用LS码调制Costas序列时，在任意跳频频点f_m处，调制后的信号表示为

对Costas_LS做相关检测时，将Costas_C信号的相关结果与Costas_S信号的相关结果作为Costas_LS的相关结果；

将各个发射基地的Costas_LS信号构成的集合称为DOCS_LS信号；

将各个发射基地的Costas_LS信号构成的集合称为DOCS_LS信号，DOCS_LS信号的表达形式为