CN107271988A - 主动连续波声纳探测系统及编码连续波信号设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续波声纳探测系统及信号编码方法，采用该系统进行的海上试验获得了比传统脉冲信号更大的处理增益和更短的目标信息刷新周期，系统包括显控台、信号发生模块、波束生成模块、D/A转换模块、功率放大器、发射基阵、接收基阵、调理采集传输模块、混响抑制模块、波束生成模块、连续波信号处理模块、目标参数估计模块。

Description

主动连续波声纳探测系统及编码连续波信号设计方法
技术领域
本发明涉及水下主动声纳技术领域，具体涉及基于岸基主动声纳反潜系统采用编码连续波信号的波形设计方法。
背景技术
目前的主动声纳，不管是舰壳主动声纳、主被动联合声纳或是直升机吊放声纳，其发射信号的方式都是脉冲式的，即发射一定时间长度的信号，然后对目标的回波信号进行处理从而获取目标的方位、距离、速度等信息，在对回波信号处理的过程中，主动信号是停止发射的。采用这种主动声纳探测方式的优点是工作方式简便，信号处理算法相对简单，但也存在一些明显的缺点：由于是脉冲工作方式，对目标的跟踪不是连续的，随着距离的增大，目标更新周期变大到十几秒甚至几十秒，易造成目标的丢失和虚警；突发的干扰容易产生虚警；时间增益和盲区是一对矛盾。
连续波主动声纳是美国军方最先提出的，在已经公开的信息中这方面的报道很少。公开的报道中，美国的两个公司埃莱恩科和美国信号系统公司已经进行了这方面的研究工作，但都没有提到具体的技术细节和应用，是否研发成功也没有公开的报道，而有关连续波主动声纳公开的技术文献和资料都极少。国内北京中科海讯公司对连续波主动声纳原理、波形设计以及相应信号处理算法等关键技术进行了探索性和创新性的研究。
发明内容
本发明提供了一种基于岸基主动声纳的主动连续波声纳探测系统及编码连续波信号设计方法，采用该系统进行的海上试验获得了比传统脉冲信号更大的处理增益和更短的目标信息刷新周期。
采用连续主动技术的声纳是很大的创新，在岸基声纳中采用连续波主动信号形成多基地主被动协同探测声纳，有以下几个优点：1)在岸基声纳被动探测需要定位或需要大范围警戒时，启动连续波主动声纳，实现对可疑目标的定向、测距和测速。2)由于采用双基地方式，发射声源与岸基基阵不在一处，不会暴露岸基基阵的位置。3)由于是连续发射信号，所以采用其特殊的信号处理算法，通过选择大的相关时间可以提高处理增益，同时不会产生距离盲区的问题，连续波主动声纳处理增益比常规脉冲信号增益大10分贝以上。4)可实现对目标的连续定位跟踪，目标信息刷新间隔不超过1秒，而常规脉冲信号目标信息刷新间隔要十几秒到几十秒突发的干扰不容易产生虚警，抗干扰性强。
本发明基于某型岸基声纳基阵接收，采用编码连续波主动信号进行双基地模式下的主动声纳探测，系统构成如图2所示。包括显控台、信号发生模块、波束生成模块、D/A转换模块、功率放大器、发射基阵、接收基阵、调理采集传输模块、混响抑制模块、波束生成模块、连续波信号处理模块、目标参数估计模块，其中显控台与信号发生模块、波束生成模块、D/A转换模块、功率放大器、发射基阵顺次连接完成主动声纳信号发射，接收基阵、调理采集传输模块、混响抑制模块、波束生成模块、连续波信号处理模块、目标参数估计模块与显控台顺次连接完成回波信号的接收和处理，显控台通过信号发生模块和调理采集传输模块进行同步控制，其特征在于，所述信号发生模块发生信号为连续波主动信号。
信号发生模块中的发射声源采用弯张式低频大功率换能器，接收基阵采用岸基警戒声纳96元矢量水听器线阵，发射基阵与接收基阵相距10km。功放采用多路脉冲调制功放，要能满足线性大功率连续发射的要求。
编码连续波信号进行周期循环发射，信号处理原理如下：连续信号源产生编码连续波信号，经过波束形成和D/A转换进行功率放大，驱动发射换能器。回波信号在接收基阵中进行信号的放大和A/D转换后传输到信号处理机中。数字信号经过混响抑制算法后进行波束形成，各个波束数据进行编码连续波的信号处理算法，估计目标的方位、距离、速度等参数，估计结果提交显控台。
连续波声纳和脉冲式声纳信号处理系统构成上基本相同，都要经过波束处理、解调、多普勒处理、目标距离估计、目标速度估计等环节。其中目标距离估计方法对于连续波声纳和脉冲式声纳区别较大，其他环节处理方法基本相同。
脉冲式声纳目标距离估计算法框图如图2。
连续波声纳目标距离估计算法框图如图3。
图2和图3分别是脉冲式和编码连续波信号的距离估计算法框图，脉冲式主动声纳一般用一个脉压器(也叫相关器)对接收信号进行脉压处理，通过计算目标的峰值出现时刻来确定目标回波在发射时刻的延迟时间T，然后结合声速来确定目标距离。编码连续波主动声纳信号由于是发射连续多个不同码字的数据段，所以脉压器有N个，结合发射的连续波信号循环移位信息将N个脉压器脉压结果进行循环非相干叠加，从而获得目标峰值位置(或时刻)，再结合声速来确定目标距离。
其中，本发明的编码连续波信号由16段数据组成，共125秒，格式如下：
其中数据段1为带宽200Hz，中心频率为450Hz的7阶由本源多项式为 (2,3,5)生成的m序列编码信号；数据段2为0.5秒零信号；数据段3为带宽 200Hz，中心频率为450Hz的双曲调频信号；数据段4为0.5秒零信号；数据段 gold1～gold12为带宽200Hz，中心频率为450Hz的12组不同的11阶gold编码信号。这12组gold码要求自相关性好，互相关性差。
数据段1、2、3和4为岸基声纳双基地主动信号同步头，第一个作用是在接收端利用该同步头中的双曲调频信号(数据段3)相关峰值进行时间校准，然后利用该时间校准对探测到的目标进行定位。第二个作用是利用同步头中的m 序列(数据段1)进行粗多普勒补偿。gold1～gold12为编码连续主动声纳信号的主体，对该连续波信号主体进行处理即可获得大的相关处理增益和快速目标信息刷新功能。
附图说明
图1连续波声纳原理框图
图2脉冲式主动声纳距离估计框图
图3编码连续波主动声纳距离估计框图
图4海试中接收信号波束处理后的一组时域和频域波形
图5海试部分处理结果
具体实施方式
下面结合附图并举实例，对本发明进行详细描述。
本发明提出的基于岸基声纳编码连续波主动信号由同步头和编码连续波主体两部分组成。同步头由数据段1、2、3和4构成,共2.27秒，同步头的第一个作用是在接收端利用该同步头中的双曲调频信号(数据段3)相关峰值进行时间校准，然后利用该时间校准对探测到的目标进行定位。第二个作用是利用同步头中的m序列(数据段1)进行粗多普勒补偿。其中数据段1为带宽200Hz，中心频率为450Hz的7阶由本源多项式为(2,3,5)生成的m序列编码信号，具体Matlab程序实现为：
数据段2为0.5秒零信号。
数据段3为带宽200Hz，中心频率为450Hz的双曲调频信号，具体Matlab程序实现为：
T＝0.635；
Fc＝450；
m＝200/T；
t＝(-0.5*T:1/2400:0.5*T-1/2400)；
hfm＝cos(2*pi*(Fc)*t+pi*m*t.^2+2*pi*(m^2)*(t.^3)/(3*Fc))；
数据段4为0.5秒零信号。
编码连续波信号主体由数据段gold1～gold12组成，共122.7秒，每个gold 码为10.23秒。为带宽200Hz，中心频率为450Hz的12组不同的11阶gold编码信号。
gold1是由2组本源多项式分别为(5,2,5,3)和(4,5,7,7)的11阶m序列组合生产的gold码信号，具体Matlab程序实现为：
m1＝m_gen('1','11','5253')；
m2＝m_gen('1','11','4577')；
gold1＝m1.*m2；
gold2是由2组本源多项式分别为(7,4,6,1)和(6,2,3,3)的11阶m序列组合生产的gold码信号，具体Matlab程序实现为：
m1＝m_gen('1','11','7461')；
m2＝m_gen('1','11','6233')；
gold2＝m1.*m2；
gold3是由2组本源多项式分别为(5,1,4,1)和(6,6,7,3)的11阶m序列组合生产的gold码信号，具体Matlab程序实现为：
m1＝m_gen('1','11','5141')；
m2＝m_gen('1','11','6673')；
gold3＝m1.*m2；
gold4是由2组本源多项式分别为(6,4,4,7)和(7,2,3,7)的11阶m序列组合生产的gold码信号，具体Matlab程序实现为：
m1＝m_gen('1','11','6447')；
m2＝m_gen('1','11','7237')；
gold4＝m1.*m2；
gold5是由2组本源多项式分别为(4,2,6,1)和(7,3,3,5)的11阶m序列组合生产的gold码信号，具体Matlab程序实现为：
m1＝m_gen('1','11','4261')；
m2＝m_gen('1','11','7335')；
gold5＝m1.*m2；
gold6是由2组本源多项式分别为(7,5,5,5)和(4,5,0,5)的11阶m序列组合生产的gold码信号，具体Matlab程序实现为：
m1＝m_gen('1','11','7555')；
m2＝m_gen('1','11','4505')；
gold6＝m1.*m2；
gold7是由2组本源多项式分别为(5,0,0,7)和(5,3,3,7)的11阶m序列组合生产的gold码信号。gold8的2组m序列本源多项式分别为(7,7,2,3) 和(5,2,6,3)。gold9的2组m序列本源多项式分别为(7,2,7,3)和(5,3,6,1)。 gold10的2组m序列本源多项式分别为(7,2,0,1)和(5,1,7,1)。gold11的2 组m序列本源多项式分别为(7,3,6,3)和(6,6,3,7)。gold12的2组m序列本源多项式分别为(6,0,3,7)和(7,1,7,3)。
按照上述方法将数据段1、2、3、4和gold1～gold12共16段数据按次序连接在一起后，便实现了本发明提出的带宽为200Hz，中心频率为450Hz，长度为 125秒的基于岸基声纳编码连续波主动声纳的信号。
采用本发明提出的编码连续波信号在南海海试中成功实现了对半潜潜艇的主动探测，实现了连续目标刷新(间隔约0.5秒)和定位、测速功能，定位距离和速度估计值与雷达目标信息基本吻合，海试中最远实现了对约18公里目标的探测。该海试结果为国内首次采用编码连续波信号形式成功实现主动探测的试验。海试中部分接收信号和处理结果如图5。
图5中，可以看到这组247波束的数据处理结果从第898帧距离6918米移动到第907帧的6932米，每帧间隔时间约0.5秒。按照双基地直达波延迟后定位法则计算得到目标距离和波束角度，此目标位置为约(247+60)＝307度，距离接收阵约13.8km，与试验中雷达记录目标时刻和位置吻合。

Claims (5)

1.一种主动连续波声纳探测系统，包括显控台、信号发生模块、波束生成模块、D/A转换模块、功率放大器、发射基阵、接收基阵、调理采集传输模块、混响抑制模块、波束生成模块、连续波信号处理模块、目标参数估计模块，其中显控台与信号发生模块、波束生成模块、D/A转换模块、功率放大器、发射基阵顺次连接完成声纳信号发射，接收基阵、调理采集传输模块、混响抑制模块、波束生成模块、连续波信号处理模块、目标参数估计模块与显控台顺次连接完成回波信号的接收和处理，显控台通过信号发生模块和调理采集传输模块进行同步控制，其特征在于，所述信号发生模块发生信号为连续波主动信号。
2.如权利要求1所述一种主动连续波声纳探测系统，其特征在于，所述目标参数估计模块中有N个脉压器，结合发射的连续波信号循环移位信息将N个脉压器脉压结果进行循环非相干叠加，从而获得目标峰值位置或时刻，再结合声速来确定目标距离。
3.如权利要求1或2之一所述一种主动连续波声纳探测系统，其特征在于，所述信号发生模块中的发射声源采用低频大功率换能器，所述接收基阵采用岸基警戒声纳96元矢量水听器线阵，所述发射基阵与接收基阵相距10km。
4.如权利要求3所述一种主动连续波声纳探测系统，其特征在于，所述连续波信号由16段数据组成，共125秒，格式如下：
其中数据段1为带宽200Hz，中心频率为450Hz的7阶由本源多项式为(2,3,5)生成的m序列编码信号；数据段2为0.5秒零信号；数据段3为带宽200Hz，中心频率为450Hz的双曲调频信号；数据段4为0.5秒零信号；数据段gold1～gold12为带宽200Hz，中心频率为450Hz的12组不同的11阶gold编码信号。
5.一种主动连续波声纳探测系统编码连续波信号设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：生成数据头，其中数据段1为带宽200Hz，中心频率为450Hz的7阶由本源多项式为(2,3,5)生成的m序列编码信号；数据段2为0.5秒零信号；数据段3为带宽200Hz，中心频率为450Hz的双曲调频信号；数据段4为0.5秒零信号；
步骤二：生成编码连续波信号主体，由2组本源多项式分别为(5,2,5,3)和(4,5,7,7)的11阶m序列组合产生gold码信号gold1；由2组本源多项式分别为(7,4,6,1)和(6,2,3,3)的11阶m序列组合产生gold码信号gold2；由2组本源多项式分别为(5,1,4,1)和(6,6,7,3)的11阶m序列组合产生gold码信号gold3；由2组本源多项式分别为(6,4,4,7)和(7,2,3,7)的11阶m序列组合产生gold码信号gold4；由2组本源多项式分别为(4,2,6,1)和(7,3,3,5)的11阶m序列组合产生gold码信号gold5；由2组本源多项式分别为(7,5,5,5)和(4,5,0,5)的11阶m序列组合产生gold码信号gold6；gold7是由2组本源多项式分别为(5,0,0,7)和(5,3,3,7)的11阶m序列组合生产的gold码信号；gold8的2组m序列本源多项式分别为(7,7,2,3)和(5,2,6,3)；gold9的2组m序列本源多项式分别为(7,2,7,3)和(5,3,6,1)；gold10的2组m序列本源多项式分别为(7,2,0,1)和(5,1,7,1)；gold11的2组m序列本源多项式分别为(7,3,6,3)和(6,6,3,7)；gold12的2组m序列本源多项式分别为(6,0,3,7)和(7,1,7,3)；
步骤三：将数据段1、2、3、4和gold1～gold12共16段数据按次序连接在一起按次序连接在一起后，生成带宽为200Hz，中心频率为450Hz，长度为125秒的基于岸基声纳编码连续波主动声纳的信号。
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