CN107132541B - 多基地声纳低截获多址分辨信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种多基地声纳低截获多址分辨信号生成方法。计算Costas信号的互重合函数频率轴最大距离；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；计算全部M阶Costas序列的最大互重合函数矩阵；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；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；调整系统参数，生成合适数目的正交NFM信号，并分配给各个发射基地；用NFM信号调制Costas序列，将所有调制得到的探测信号称为多基地声纳低截获多址分辨信号。本发明能保障探测信号具有优良的低截获性能，具备优良的正交性，能够实现多址分辨。

Description

多基地声纳低截获多址分辨信号生成方法

技术领域

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

背景技术

多基地声纳系统较单基地声纳系统具有探测效率高、覆盖范围大、配置形式灵活等优点，然而多基地声纳系统也面临着安全性差等许多问题。此外，多基地声纳系统可以同时含有多个发射基地，接收基地需要对目标回波信号进行多(发射)址分辨，才能进行后续工作。因此为多基地声纳系统设计兼有低截获性能和多址分辨能力的探测信号是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现多基地声纳探测信号的低截获性与多址分辨能力的多基地声纳低截获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_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，其中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，r_L≤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，其中，设M阶Costas序列数目为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、设定NFM信号的最大互相关系数限制为r_NFM，调整系统参数，生成合适数目的正交NFM信号，并分配给各个发射基地；

步骤7、用NFM信号调制Costas序列，将所有调制得到的探测信号称为多基地声纳低截获多址分辨信号，信号表达式为

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信号的互重合函数时频率轴最大距离；

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的互重合函数的获得方法为：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、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：NFM信号表达式为f₀为中心频率随机相位其中调制噪声e(t′)为零均值高斯白噪声，K为调频斜率；

在频点f_m对应的NFM信号即为

调整信号的带宽和脉宽，在{f₁,f₂,...,f_M}的每个频点都生成合适数目的正交NFM信号，保证同频点上任意两个NFM信号最大互相关系数r≤r_NFM，并将NFM信号等分给各个发射基地；

将NFM信号等分给各个发射基地，保证每个发射基地在每个频点f_m获得独立的、数目为P的NFM信号，并将随机相位记为表示第n个发射基地、第m个频点、第p个NFM信号对应的随机相位。

为实现多基地声纳探测信号的低截获性与多址分辨能力，本发明提出了一种采用正交NFM(噪声调频)信号码调制正交Costas序列生成多基地声纳低截获多址分辨信号的方法。

本发明采用Costas序列作为多基地声纳的探测信号体制，能保障探测信号具有优良的低截获性能，采用正交NFM信号码调制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，能够实现多址分辨，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(C1，c1)的自相关结果。

图2为(C1，c1)与(C3，c3)的互相关结果。

图3为(C1，c1)与(C1，c2)的互相关结果。

图4为多基地声纳低截获多址分辨信号生成流程图。

具体实施方式

结合图4，本发明的多基地声纳低截获多址分辨信号生成流程包括以下步骤：

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，其中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，r_L≤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，其中，假设M阶Costas序列数目为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、设定NFM信号的最大互相关系数限制为r_NFM，调整系统参数，生成合适数目的正交NFM信号，并分配给各个发射基地。

步骤7、用NFM信号调制Costas序列，将所有调制得到的探测信号称为多基地声纳低截获多址分辨信号，信号表达式为

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信号的互重合函数时频率轴最大距离。

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、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，NFM信号表达式为f₀为中心频率随机相位其中调制噪声e(t′)为零均值高斯白噪声，K为调频斜率。

其中，步骤6中，在频点f_m对应的NFM信号即为

其中，步骤6中，调整信号的带宽和脉宽，在{f₁,f₂,...,f_M}的每个频点都生成合适数目的正交NFM信号，保证同频点上任意两个NFM信号最大互相关系数r≤r_NFM，并将NFM信号等分给各个发射基地。

其中，步骤6中，并将NFM信号等分给各个发射基地，保证每个发射基地在每个频点f_m获得独立的、数目为P的NFM信号，并将随机相位记为表示第n个发射基地、第m个频点、第p个NFM信号对应的随机相位。

其中，步骤7中，用NFM信号调制Costas序列，调制后的信号可以表示为

假设有两个发射基地，基地1与基地2。信号中心频率10kHz，带宽4kHz，每个跳频信号的时间带宽积k＝20。

选定Costas序列阶数为M＝8。多普勒约束下，限定发射基地内部的Costas序列最大互重合点数C_H≤3，发射基地间的Costas序列最大互重合点数C_L≤2。为基地1与基地2分别分配4个Costas序列，组成Set1与Set2。计算全部8阶Costas序列的{C_max}_num×num，搜索得到的8个Costas序列依次为

发射基地1的Costas序列集合Set1：

C1：[1，2，5，7，6，4，8，3]，C2：[2，7，3，5，6，4，1，8]，

C3：[6，4，5，2，8，7，1，3]，C4：[7，6，1，2，4，8，5，3]；

发射基地2的Costas序列集合Set2：

C5：[1，2，8，6，3，5，4，7]，C6：[1，8，6，3，7，2，4，5]，

C7：[3，5，6，4，8，2，1，7]，C8：[6，8，2，1，7，4，5，3]。

生成4个以Costas信号跳频频率为中心频率，Δf为带宽的正交NFM信号，分配给两个基地作为正交调制信号，表示如下

发射基地1的NFM信号集合Set1：

c1：[NFM1]，c2：[NFM2]；

发射基地2的NFM信号集合Set2：

c3：[NFM3]，c4：[NFM4]。

用各自发射基地的NFM信号集合调制自己的Costas序列集合，这样每个发射基地最终可以得到8个多基地声纳低截获多址分辨信号。

发射基地1的低截获多址分辨信号集合Set1：

信号(C1，c1)，信号(C1，c2)，信号(C2，c1)，信号(C2，c2)，

信号(C3，c1)，信号(C3，c2)，信号(C4，c1)，信号(C4，c2)，

发射基地2的低截获多址分辨信号集合Set2：

信号(C5，c3)，信号(C5，c4)，信号(C6，c3)，信号(C6，c4)，

信号(C7，c3)，信号(C7，c4)，信号(C8，c3)，信号(C8，c4)，

图1为发射基地1的信号(C1，c1)的自相关结果，图2为发射基地1的(C1，c1)与发射基地2的信号(C3，c3)的互相关结果。图3为发射基地1的(C1，c1)与(C1，c2)的互相关结果。由图2、图3可以看出，低截获多址分辨信号能使发射基地间的具有良好的正交性能，同时能保障发射基地内部的探测信号具有较好的正交性。

Claims (6)

1.一种多基地声纳低截获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，其中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，r_L≤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，其中，设M阶Costas序列数目为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、设定NFM信号的最大互相关系数限制为r_NFM，调整系统参数，生成合适数目的正交NFM信号，并分配给各个发射基地；

步骤7、用NFM信号调制Costas序列，将所有调制得到的探测信号称为多基地声纳低截获多址分辨信号，信号表达式为

f_m为第m个频点频率，表示第n个发射基地、第m个频点、第p个NFM信号对应的随机相位，t_p为一个跳频频点对应的信号脉宽。

2.根据权利要求1所述的多基地声纳低截获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信号的互重合函数时频率轴最大距离；

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所述的多基地声纳低截获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的互重合函数的获得方法为：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，将两个置换矩阵重合的点数记为C(x,y)，C_max＝max(C(x,y))，-M+1≤x≤M-1，-M+1≤y≤M-1。

4.根据权利要求3所述的多基地声纳低截获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、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所述的多基地声纳低截获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所述的多基地声纳低截获多址分辨信号生成方法，其特征是步骤6具体包括：NFM信号表达式为f₀为中心频率随机相位，其中调制噪声e(t′)为零均值高斯白噪声，K为调频斜率；

在频点f_m对应的NFM信号即为

调整信号的带宽和脉宽，在{f₁,f₂,...,f_M}的每个频点都生成合适数目的正交NFM信号，保证同频点上任意两个NFM信号最大互相关系数r≤r_NFM，并将NFM信号等分给各个发射基地；

将NFM信号等分给各个发射基地，保证每个发射基地在每个频点f_m获得独立的、数目为P的NFM信号，并将随机相位记为表示第n个发射基地、第m个频点、第p个NFM信号对应的随机相位。